浅谈雷达在气象领域的基本应用

电子科技大学格拉斯哥学院 2017级姚行铎
浅谈雷达在气象领域的基本应用

无线电探测和测距源自英文radio detection and ranging，而将这个词组缩写为radar，那就是人们耳熟能详的“雷达”，这是一种用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置的新兴发明。同时，雷达也被称为“无线电定位”，利用电磁波探测目标，对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。
雷达大体分为两大类，民用雷达和军事雷达，而在民用雷达里面，用雷达完成工作气象工作则是当代科技时代非常非常推崇流行的方式。
为了能更加高效地解决各类气象问题，特化的气象雷达随及诞生。
专门用于大气探测的气象雷达属于主动式微波大气遥感设备，它是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一。比起常规雷达装置，气象雷达在气象监测的重要手段，在突发性、灾害性的监测、预报和警报中具有更为重要的作用
为表示气象雷达的主要功能，它使用的无线电波长范围很宽，从1厘米到1000厘米。它们常被划分成不同的波段。气象雷达常用的1、3、5、10和 20厘米波长各对应于 K波段（波长0.75～2.4厘米）、X波段
（波长 2.4～3.75厘米）、C波段（波长3.75～7.5厘米）、S波段（波长7.5～15厘米）和 L波段（波长15～30厘米），超高频和甚高频雷达的波长范围分别为10～100厘米和100～1000厘米。举个例子，常用K波段雷达探测各种不产生降水的云，用X、C和S波段雷达探测降水,其中S波段最适用于探测暴雨和冰雹，用高灵敏度的超高频和甚高频雷达可以探测对流层－平流层-中层的晴空流场。常用的雷达一般工作频率为200~10000MHz，这主要取决于雷达的用途和性能，而且必须在国际电信联盟所指定的频段内，目前航空公司一般选用X波段的机载气象雷达。
气象雷达的五大主要工作原理：距离测定、方位测定、降水探测、湍流检测、风切变检测。
距离测定
L =ct/2
t是接收到的目标回波信号与发射脉冲之间的时间间隔，利用这个公式可以算出目标相对于飞机的距离L =ct/2。距离分辨力取决于脉冲的宽度，要提高区分近距离目标的能力，必须使用较窄的脉冲宽度。
方位测定
测定雷达天线波束轴的瞬时方位来确定目标方位
雷达天线所形成的辐射波束是宽度很窄的圆锥形波束，当天线指向某一方位时只有该方位的目标回波才能被雷达所接收，把该信号的位置传输给显示器，使回波图像显示在显示器的相应方位，就可以确定目标的实际方位。为保障良好的方位分辨力，采用平板缝隙天线阵。
降水探测
虽然气象雷达可以探测雨滴或湿的冰雹，却无法探测云、雾、干燥的冰雹、冰晶或雪。这是因为含水物质对于雷达发射的射频脉冲能量有一部分被吸收、损耗和散射，其余都被有效的反射，只要在雷达监测的范围内，且具有一定的直径和密度的降雨区域均能产生有效的回波，从而被气象雷达检测出来。不同的颜色表示是因为反射回的信号强弱与目标含水量有关，接收器接收到信号就可分析目标的性质和强弱
湍流检测
f=2v/λ
多普勒原理是实现对湍流的检测的关键，多普勒频移与相对速度的偏差成正比f=2v/λ。接收机将所接收到的信号的多普勒频谱宽度与规定的门限值作比较，对于大于规定值地目标给出警告信息。需要特别注意的是干燥的湍流是无法被探测和显示的。
风切变检测
雷达根据风切变区域产生的回波的多普勒频移的频谱特征来实现前视风切变检测的。气象雷达并不能保证检测出所有的危险天气区域，所以决不能把雷达的显示图像作为危险气象和地形的依据，对于探测出的危险应选择避让而不是穿越那些区域。在选择探测范围时不应过小，那会使飞机进入盲区而无法感知危险，同时距离过近也会造成没有安全距离来避开已临近的恶劣气象，从而发生危险。

在拥有了强大而厚实的理论基础后，自然而然诞生了雷达气象站（
radar weather station），雷达气象站是利用气象雷达对有效范围内探测的气象站。天气雷达生成的产品大部分以极坐标方式储存，同一径向、数值相同的区域用一个扇形环表示。在GIS中呈现时，通常采用栅格化或者构建矢量多边形的方式处理。在我国，它是全国天气监测网的组成部分之一。雷达探测获取的天气现象（如降性降水区）的回波照片、图表、数据等，是天气预报部门进行短期（0－72小时）和甚短期（0－12小时）天气预报，特别是降水预报的重要依据，更是从事临近（0—2小时）天气预报服务的主要工具。
全国范围的雷电监测定位网络几乎都出现在了世界上的发达国家。其中最为典型的就是美国国家闪电探测网（NLDN）。NLDN由113个IMPACTESP探测器联网组成，探测精度高于500m，并与加拿大CLDN联网组成了200个探测站点的大范围探测网。可以有效地为应急气象环境监测提供保障。在我国，一些部门也已经建立了一定规模的闪电定位系统。2003年底，国家重点工程项目“大气监测自动化系统工程”已在气象部门建设拥有90个闪电探测子站的全国闪电监测网。但全国范围内的闪电监测网尚未形成，我国在雷电预警预报方面的工作也相当薄弱，基本没有开展有针对性的雷电预警预报业务。因此，建立一套快捷、有效的雷电监测预警系统尤为重要。为了解决在非固定地点开展特殊气象服务的问题，应抓紧研究基于移动车载气站的雷电监测预警系统。

但是尽管气象雷达有着如此健全的设备格局，依然有着出错的可能性，在气象雷达中依然可能会出现一些故障。大多为天线组故障，天线由电机和机械传动装置组成，故障多为电机损坏和卡阻等原因。天线组发生障碍严重阻碍了雷达系统的运行。如果飞行过程中天线组中的扫描通道停止扫描，雷达天线将无法正常工作，雷达图像就不会在雷达显示器上面正常显示。但如果出现雷达显示器上没有目标显示的情况，一般首先都能想到是收发机的缘故，要知道工作效率及脉冲功率是衡量收发机是否正常的标准，因此，一定先要对发射机电路部分进行详细的检查，不仅测量其工作效率，还要测试它的脉冲功率。最后检查接收机是否灵敏，符不符合规定的要求。还可能是由于EFIS符号发生器、雷达天线驱动组件、控制面板等原因所致，通风不好可能会导致计算机超温，显示器散热不佳，当超过一定的温度后就会自动切断气象雷达的显示。另外，当电子舱通风的抽风扇和鼓风扇电门置于超控位时，会影响到显示器的散热，导致显示故障。
[1]: https://baijiahao.baidu.com/s?id=1594267456538841391&wfr=spider&for=pc
[2]: https://baike.baidu.com/item/气象雷达/725288
[3]: https://baike.baidu.com/item/雷达气象站/7395659?fr=aladdin
[4]: http://www.fx361.com/page/2018/0611/3649564.shtml
[5]: https://baike.baidu.com/item/雷达/10485?fr=aladdin

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