小編整理: 這段文本主要講述了氣象雷達(dá)的用途和類型。氣象雷達(dá)是一種用于大氣探測的雷達(dá),通常用于警戒和預(yù)報(bào)中、小尺度
天氣 系統(tǒng),如臺風(fēng)和暴雨云系。常規(guī)雷達(dá)裝置由定向天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線控制器和顯示器等組成。與無線電探空儀配套使用的高空風(fēng)測風(fēng)雷達(dá)不屬于此類雷達(dá),它是一種專門用于定位氣球的設(shè)備。
氣象雷達(dá) 氣象雷達(dá),是專門用于大氣探測的雷達(dá)。屬于主動式 微波大氣遙感 設(shè)備。與 無線電探空儀 配套使用的高空風(fēng)測風(fēng)雷達(dá),只是一種對位移氣球定位的專門設(shè)備,一般不算作此類雷達(dá)。氣象雷達(dá)是用于警戒和預(yù)報(bào)中、小尺度天氣系統(tǒng)(如臺風(fēng)和暴雨云系)的主要探測工具之一。常規(guī)雷達(dá)裝置大體上由 定向天線 、 發(fā)射機(jī) 、 接收機(jī) 、天線控制器、顯示器和照相裝置、電子計(jì)算機(jī)和圖象傳輸?shù)炔糠纸M成。氣象雷達(dá)是氣象監(jiān)測的重要手段,在突發(fā)性、災(zāi)害性的監(jiān)測、預(yù)報(bào)和警報(bào)中具有極為重要的作用,
基本概況 氣象雷達(dá)
氣象雷達(dá)使用的無線電波長范圍很寬,從1厘米到1000厘米。它們常被劃分成不同的波段,以表示雷達(dá)的主要功能。氣象雷達(dá)常用的1、3、5、10和20厘米波長各對應(yīng)于K波段(波長0.75~2.4厘米)、X波段 (波長2.4~3.75厘米)、C波段(波長3.75~7.5厘米)、S波段(波長7.5~15厘米)和 L波段 (波長15~30厘米),超高頻和甚高頻雷達(dá)的波長范圍分別為10~100厘米和100~1000厘米。雷達(dá)探測大氣目標(biāo)的性能和其工作波長密切有關(guān)。把云雨粒子對無線電波的散射和吸收結(jié)合起來考慮,各種波段只有一定的適用范圍。常用K波段雷達(dá)探測各種不產(chǎn)生降水的云,用X、C和S波段雷達(dá)探測降水,其中S波段最適用于探測暴雨和冰雹,用高靈敏度的超高頻和甚高頻雷達(dá)可以探測對流層-平流層-中層的晴空流場。
發(fā)展簡史 氣象雷達(dá)屬于雷達(dá)領(lǐng)域中的一個重要分支,其發(fā)展至今大致經(jīng)歷了從模擬、數(shù)字到以美國NEXRAD為代表的新一代氣象雷達(dá)三個發(fā)展階段。
第二次世界大戰(zhàn)前雷達(dá)用于軍事目的。當(dāng)時(shí)云、雨等氣象目標(biāo)的回波被作為干擾看待。1941年在英國 最早使用雷達(dá)探測風(fēng)暴。1942~1943年,美國麻省理工學(xué)院專門設(shè)計(jì)了為氣象目的使用的雷達(dá)。在氣象雷達(dá)發(fā)展初期,一般都靠手工操作,回波資料只能作定性分析。60年代采用了多普勒技術(shù),氣象多普勒雷達(dá)具有對大氣流場結(jié)構(gòu)的定量探測能力;常規(guī)雷達(dá)的數(shù)字顯示和彩色顯示也相繼出現(xiàn)。 70年代,除聯(lián)合使用多部 多普勒雷達(dá) 外,又相繼發(fā)展了大功率高靈敏度的甚高頻和超高頻多普勒雷達(dá)和具有多普勒性能的高分辨率調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá);在雷達(dá)結(jié)構(gòu)上,廣泛采用了集成電路,配備有小型或微型電子計(jì)算機(jī),使氣象雷達(dá)能對探測資料進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字處理和數(shù)字化 遠(yuǎn)距離傳輸 ;有的 天氣雷達(dá) 已能按照預(yù)先編好的程序,由電子計(jì)算機(jī)操縱觀測,并逐步向自動化觀測網(wǎng)的方向發(fā)展。 80年代以后,在多普勒雷達(dá)的基礎(chǔ)上,科羅拉多州立大學(xué)電子工程系的教授提出了偏振氣象雷達(dá)的思想,為大氣雷達(dá)探測,已經(jīng)氣象資料分析提供了一個更為先進(jìn)的平臺。偏振多普勒雷達(dá)參數(shù)為分析雨滴等降水信息分布,以及降雨形狀分布提供了更為精確的信息。 科羅拉多州立大學(xué) 的CSU-CHILL雷達(dá)也是世界上該領(lǐng)域最為先進(jìn)的天氣雷達(dá),CSU-CHILL是美國國家天氣雷達(dá)設(shè)備,由NSF提供資金,科羅拉多州立大學(xué)負(fù)責(zé)。
組成 控制面板、顯示器、天線和收發(fā)機(jī)構(gòu)成了氣象雷達(dá)主要部件。 機(jī)載氣象雷達(dá) 還需由垂直陀螺提供傾斜和俯仰穩(wěn)定信號,傾斜和俯仰信號可以由單獨(dú)的 垂直陀螺 組建提供,也可由慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)提供。 在控制面板上可以選擇 雷達(dá)的工作方式,顯示距離范圍,掃描區(qū)域,設(shè)置增益等各項(xiàng)功能。俯仰角 控制開關(guān) 可調(diào)節(jié)天線在±15°內(nèi)的俯仰變化,以便天線在適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)行掃描。增益控制開關(guān)可以調(diào)節(jié) 接收器 的靈敏度,接收器的自動(CAL位)靈敏度因雷達(dá)系統(tǒng)的不同而不同。穩(wěn)定控制開關(guān)用于控制天線的穩(wěn)定性,當(dāng)飛機(jī)有俯仰、傾斜動作時(shí),通過R/T提供的補(bǔ)償信號控制天線,使其保持在選定的俯仰位置。識別控制開關(guān)是為了消除地面的雜波,使得對目標(biāo)的探測更為準(zhǔn)確。 現(xiàn)在飛機(jī)的氣象雷達(dá)信息一般都顯示在 EFIS 而不再用單獨(dú)的 雷達(dá)顯示器 。除可顯示目標(biāo)的強(qiáng)度及位置信息外,還可以顯示各種文字信息、輔助信息及系統(tǒng)狀態(tài)等。用不同的顏色直觀的表示出氣象信息的強(qiáng)弱,以極坐標(biāo)的方式表示出探測的目標(biāo)的距離及方位,通過距離標(biāo)志圈可讀出其數(shù)值。 天線主要作用是輻射和接收回波,同時(shí)還要進(jìn)行方位掃略與俯仰、傾斜穩(wěn)定,氣象雷達(dá)天線組安裝于飛機(jī)前端的 雷達(dá)罩 內(nèi),天線的方向性越強(qiáng),雷達(dá)的作用距離越遠(yuǎn),測向精度和分辨率也越高。 雷達(dá)發(fā)射機(jī) 所產(chǎn)生的脈沖射頻信號,由 雷達(dá)天線 匯聚成束后向空中某一方 向輻射出去。雷達(dá)天線指向空間某一方向,而此時(shí)只有在這一方向的目標(biāo)才會被雷達(dá)波束照射到,從而產(chǎn)生相應(yīng)的回波信號而被雷達(dá)所探測,其他方位的目標(biāo),由于不可能被雷達(dá)信號照射到,所以在這一瞬間是不會產(chǎn)生回波。為了探測飛機(jī)航路前方及其左右兩側(cè)的氣象情況,氣象雷達(dá)天線在一定范圍內(nèi)進(jìn)行往復(fù)方位掃掠。通過天線的周期性方位掃掠,雷達(dá)就可以探測這一方位范圍內(nèi)被波束所依次照射到的目標(biāo)。 收發(fā)機(jī)是該系統(tǒng)的核心部件,發(fā)射機(jī)產(chǎn)生具有足夠功率的周期性的矩形脈沖射頻信號,而接收機(jī)則是提取所需的回波信號并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)傳輸給顯示器。雷達(dá)收發(fā)組總是安裝在靠近天線的位置,比如前 設(shè)備艙 或雷達(dá)罩內(nèi),以盡可能減少連接波導(dǎo)的長度。接收機(jī)和發(fā)射機(jī)是共用一部天線工作的,信號的發(fā)射與回波信號的接收交替進(jìn)行。雷達(dá)發(fā)射機(jī)在極短時(shí)間中產(chǎn)生的功率強(qiáng)大的脈沖信號,通過天線輻射出去。在這短短的幾 微秒 內(nèi), 雷達(dá)接收機(jī) 的輸入端是關(guān)閉的,沒有與天線連通。當(dāng)發(fā)射過程結(jié)束后,雷達(dá)便工作于接收狀態(tài),此時(shí)天線與接收機(jī)輸入端相連接,不同距離處目標(biāo)所產(chǎn)生的回波信號由天線接收而加至接收機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的處理。
工作原理 氣象雷達(dá)是通過目標(biāo)對雷達(dá)波的反射來確定目標(biāo)的位置和特性的。物體導(dǎo)電性好,對雷達(dá)波的反射能力越強(qiáng),反射面積越大,反射能量越高,物體的幾何尺寸與波長相差很大時(shí)反射的能量變得非常微弱,而當(dāng)反射面的直徑可與波長相比擬時(shí),反射回來的能量會明顯升高。常用的雷達(dá)一般工作頻率為200~10000MHz,這主要取決于雷達(dá)的用途和性能,而且必須在國際電信聯(lián)盟所指定的頻段內(nèi),目前航空公司一般選用X波段的機(jī)載氣象雷達(dá)。
3.1距離測定
氣象雷達(dá)發(fā)射的電磁波是以 光速 c在空中向前傳播,通過測量所接收到的目標(biāo)回波信號與發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔t,可以算出目標(biāo)相對于飛機(jī)的距離L=ct/2。它的距離分辨力決定于脈沖的寬度,要提高區(qū)分近距離目標(biāo)的能力,必須使用較窄的脈沖寬度。 3.2方位測定
它是通過測定雷達(dá)天線波束軸的瞬時(shí)方位來確定目標(biāo)方位的。雷達(dá)天線所形成的輻射波束是寬度很窄的圓錐形波束,當(dāng)天線指向某一方位時(shí)只有該方位的目標(biāo)回波才能被雷達(dá)所接收,把該信號的位置傳輸給顯示器,使回波圖像顯示在顯示器的相應(yīng)方位,就可以確定目標(biāo)的實(shí)際方位。雷達(dá)的方位分辨能力取決于天線水平面內(nèi)的 波束寬度 ,天線波束在水平面內(nèi)的寬度越窄,其方位分辨力越好,為保障良好的方位分辨力,采用平板 縫隙天線 陣。 3.3降水探測
雖然雨、冰雹和雪都屬于導(dǎo)電的水物質(zhì),氣象雷達(dá)可以探測雨滴或濕的冰雹,卻無法探測云、霧、干燥的冰雹、冰晶或雪。含水物質(zhì)對于雷達(dá)發(fā)射的射頻脈沖能量有一部分被吸收、損耗和散射,其余都被有效的反射,只要在雷達(dá)監(jiān)測的范圍內(nèi),且具有一定的直徑和密度的降雨區(qū)域均能產(chǎn)生有效的回波,從而被氣象雷達(dá)檢測出來。反射回的信號強(qiáng)弱與目標(biāo)含水量有關(guān),接收器接收到信號就可分析目標(biāo)的性質(zhì)和強(qiáng)弱,并在顯示器是用不同的顏色表示。
3.4湍流檢測
湍流是指在一定的空域中急速且多變的運(yùn)動氣流,它會使進(jìn)入其中的飛機(jī)產(chǎn)生顛簸甚至對飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成破壞。暴雨區(qū)域常伴有湍流,其危害不言而喻。對湍流的檢測是基于多普勒原理實(shí)現(xiàn)的, 多普勒頻移 與相對速度的偏差成正比f=2v/λ。接收機(jī)將所接收到的信號的多普勒頻譜寬度與規(guī)定的門限值作比較,如果大于規(guī)定值,就判斷目標(biāo)是湍流并給出警告信息。需要特別注意的是干燥的湍流是無法被探測和顯示的。 3.5檢測
風(fēng)切變 是指在一個較小的區(qū)域內(nèi),風(fēng)向和風(fēng)速突然發(fā)生改變。風(fēng)切變是導(dǎo)致 飛行事故 的重要因素,特別是 低空風(fēng)切變 對飛機(jī)起飛和著陸安全威脅巨大,不僅能使飛機(jī)航跡偏離,而且會破壞飛機(jī)的穩(wěn)定性。切變檢測方法和湍流基本相同,雷達(dá)根據(jù)風(fēng)切變區(qū)域產(chǎn)生的回波的多普勒頻移的頻譜特征來實(shí)現(xiàn)前視風(fēng)切變檢測的。氣象雷達(dá)并不能保證檢測出所有的危險(xiǎn)天氣區(qū)域,所以決不能把雷達(dá)的顯示圖像作為危險(xiǎn)氣象和地形的依據(jù),對于探測出的危險(xiǎn)應(yīng)選擇避讓而不是穿越那些區(qū)域。在選擇探測范圍時(shí)不應(yīng)過小,那會使飛機(jī)進(jìn)入盲區(qū)而無法感知危險(xiǎn),同時(shí)距離過近也會造成沒有安全距離來避開已臨近的惡劣氣象,從而發(fā)生危險(xiǎn)。
種類劃分 凡是不具有多普勒性能的雷達(dá)稱為非相干雷達(dá)或常規(guī)氣象雷達(dá),具有多普勒性能的雷達(dá)稱為 相干雷達(dá) 或多普勒雷達(dá)。 主要的氣象雷達(dá)有:
測云雷達(dá) 是用來探測未形成降水的云層高度、厚度以及云內(nèi)物理特性的雷達(dá)。其常用的波長為1.25厘米或0.86厘米。工作原理和 測雨雷達(dá) 相同,主要用來探測云頂、云底的高度。如空中出現(xiàn)多層云時(shí),還能測出各層的高度。由于云粒子比降水粒子小,測云雷達(dá)的工作波長較短。測云雷達(dá)只能探測云比較少的高層云和中層云。對于含水量較大的低層云,如 積雨云 、冰雹等,測云雷達(dá)的波束難以穿透,因而只能用測雨雷達(dá)探測。 測雨雷達(dá):又稱天氣雷達(dá),是利用雨滴、云狀滴、冰晶、雪花等對電磁波的散射作用來探測大氣中的降水或云中大滴的濃度、分布、移動和演變,了解天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特征。測雨雷達(dá)能探測臺風(fēng)、局部地區(qū) 強(qiáng)風(fēng)暴 、冰雹、暴雨和強(qiáng)對流云體等,并能監(jiān)視天氣的變化。 測風(fēng)雷達(dá) :用來探測高空不同大氣層的水平風(fēng)向、風(fēng)速以及氣壓、溫度、濕度等氣象要素。測風(fēng)雷達(dá)的探測方式一般都是利用跟蹤掛在氣球上的 反射靶 或 應(yīng)答器 ,不斷對氣球進(jìn)行定位。根據(jù)氣球單位時(shí)間內(nèi)的位移,就能定出不同大氣層水平風(fēng)向和風(fēng)速。在氣球上同時(shí)掛有 探空儀 ,遙測高空的氣壓、溫度和濕度。 圓極化雷達(dá):一般的氣象雷達(dá)發(fā)射的是水平極化波或垂直極化波,而圓極化雷達(dá)發(fā)射的是圓極化波。雷達(dá)發(fā)射圓極化波時(shí),球形雨滴的回波將是向相反方向旋轉(zhuǎn)的圓極化波,而非球形大粒子(如冰雹)對圓極化波會引起退 極化作用 ,利用非球形冰雹的退極化性質(zhì)的回波特征,圓極化雷達(dá)可用來識別風(fēng)暴中有無冰雹存在。 氣象多普勒雷達(dá):利用 多普勒效應(yīng) 來測量云和降水粒子相對于雷達(dá)的徑向運(yùn)動速度的雷達(dá)。 甚高頻和超高頻多普勒雷達(dá):利用對流層、平流層大氣折射率的不均勻結(jié)構(gòu)和 中層大氣 自由電子的散射,探測1~100公里高度晴空大氣中的水平風(fēng)廓線、鉛直氣流廓線、大氣湍流參數(shù)、大氣穩(wěn)定層結(jié)和 大氣波動 等的雷達(dá)。 在研究試驗(yàn)的雷達(dá)中還有雙波長雷達(dá)和機(jī)載多普勒雷達(dá)等。70年代以來,利用一個運(yùn)動著的小天線來等效許多靜止的小天線所合成的一個大天線的 合成孔徑雷達(dá) 的新發(fā)展,必將加速機(jī)載多普勒雷達(dá)今后的發(fā)展進(jìn)程。機(jī)載多普勒雷達(dá)的機(jī)動性很強(qiáng),可以用來取得分辨率很高的對流風(fēng)暴的多普勒速度分布圖。
作用 氣象雷達(dá)主要用于探測氣象狀況以及變化趨勢,目前已廣泛應(yīng)用于天氣預(yù)報(bào) 以及農(nóng)業(yè)、水文、林業(yè)、交通、能源、海洋、航空、航天、國防、建筑、旅游、醫(yī)療 等領(lǐng)域的專業(yè)氣象服務(wù)。它是人們?yōu)榉婪稓庀箫L(fēng)險(xiǎn),保障飛行安全而研制的航空電子產(chǎn)品。它是利用電磁波經(jīng)過天線輻射后遇到障礙物被反射回來的原理,目標(biāo)的導(dǎo)電系數(shù)越高,反射面越大,則回波越強(qiáng)。它能夠在飛行中連續(xù)地向飛行員 提供航路前方及其兩側(cè)的氣象狀況,此外還提供飛機(jī)前方地表特征的地圖型顯示,飛行員可據(jù)此選擇安全的航線,避繞危險(xiǎn)的氣象區(qū)域或其它障礙物,識別地標(biāo)以及判斷飛機(jī)的位置。