气象雷达新技术及其应用02121010朱潇杰资料

新技术讲座大作业

班级：021211

学号：02121010

姓名：朱潇杰

气象雷达新技术及其应用

摘要：气象雷达近几十年来呈高速发展的态势, 受到世界上大多数国家和包括世界气，象组织在内的气象、水文和相关学科的国，际气象组织的高度重视。特别是多普勒天，气雷达技术的应用,使获取更多的大气运，动状态信息成为可能, 极大地提高了各国，气象和水文部门对极端灾害性天气的监测，和预报能力, 已成为世界各国构建业务雷达网之首选。本文首先阐述了国外发达国家气象雷，达的发展现状,然后分别简要介绍双(多)基，地天气雷达、双线偏振雷达、相控阵天气雷，达、激光天气雷达、风廓线雷达等新型雷达，探测大气的原理及其在气象中的应用。

关键词：气象雷达；民航安全；应用

一、气象雷达发展现状

气象雷达属于雷达领域中的一个重要分支,其发展至今大致经历了从模拟、数字到以美国NEXRAD为代表的新一代气象雷达三个发展阶段,目前已广泛应用于天气预报以及农业、水文、林业、交通、能源、海洋、航空、航天、国防、建筑、旅游、医疗等领域的专业气象服务。随着气象雷达探测技术的改进和应用范围的扩大,气象雷达在民航安全中的应用引起了民航界和相关学术界的广泛重视.现代气象雷达系统除了能监测雷雨等灾害天气外, 还可以对严重影响民航安全的风切变、湍流和鸟类危险目标进行有效探测和预警,为降低进近机场区域

低空风变、飞机尾流和鸟击事件风险做出巨大贡献,对保障飞机飞行的安全性、经济性和舒适性具有重要意义。

二、气象雷达新技术

（一）双线偏振雷达

为了识别降水目标、区分不同的降水类型,人们采用多参数雷达进行天气研究,其中双偏振雷达是人们常采用的技术之一,它是根据不同的降水粒子对入射电磁波极化散射特性不同对降水类型进行识别和分类的。双线偏振天气雷达能交替发射和接收水平和垂直的线偏振波,与常规天气雷达相比,除能测量水平反射率因子ZH外,还可以测量差分反射率ZDR、比差分传播相移KDP、相关系数ρHV(0)、退偏振比LDR等,从而了解降水粒子的形状、相态、粒子谱分布、以及粒子的空间取向等,在提高定量测量降水精度、识别冰雹并确定冰雹的大小、区分冬季降水类型、识别风暴中的闪电活动、确定飞机结冰条件等方面具有广泛的应用。双线偏振天气雷达对云雨时空变化的连续观测,可明显提高对水成物形成的微物理过程的理解,提高降水强度的估测精度,改善雷达测量单点和流域的降水强度和降水总量的效果。（二）双(多)基地雷达

双(多)基地雷达主要针对常见的单基地雷达而言的。单基地雷达一般是收发同址,即接收站和发射站位于同一个地方,而双(多)基地雷达则是收发异址,具有一(多)个发射站和一(多)个接收站,以离散的形式配置。从布置的位置方面来看, 可分为地发/地收,空发/地收,地发/空收等几种形式,多基地雷达还具有一发多收,多发多收等形式。而双(多)基

地天气雷达系统一般采用地发/地收,由一部常规的多普勒天气雷达与一个或多个没有发射系统和天线伺服系统、布置在远处的双基地接收站组成。

由于双(多)基地雷达使用两个或两个以上的分离基地( 其中包括有源和无源基地),因此多个接收站可以从不同的角度对同一个天气目标进行观测,在发射机所发射的电磁波照射下,雨滴散射的电磁波能量及所产生的多普勒频移同时被发射站(主站)及接收站(子站)接收到,利用多普勒技术可获得完整的三维矢量风场。双(多)基地天气雷达系统还可直接测量得到反射率、垂直风、涡流等,利用这些参数应用大气热力学原理可进一步反演出相关的气压与温度。

（三）相控阵天气雷达

相控阵多普勒天气雷达,主要优势是可以提高获取资料的时间分辨率、进一步提高探测能力。一般雷达均基于机械扫描体制,这种扫描方法一般在6min内完成14层的扫描,对于快速变化的中小尺度天气过程如冰雹、龙卷、微下击暴流、风切变等过程, 用这种传统的方法很难同时满足高时空分辨探测天气过程三维结构和发展演变的需求。相控阵天气雷达快速而精确地转换波束的能力使该雷达能够在1min 内完成全空域的扫描,同时获取大量的气象信息。所采用的阵列天线是由大量相同的辐射单元组成的孔径,每个单元在相位和幅度上是独立控制的,能得到精确可预测的辐射方向图和波束指向。若干个固态发射机通过功分网络将能量分配到每个天线单元, 移相网络又控制每个天线单元的初相位,通过大量独立的天线单元将能量辐射出去并在

空间进行功率合成。接收时,各天线单元将接收到的目标回波信号进行相位相加进入接收机。回波信号经接收机放大、滤波后进入信号处理机进行多种模式的信号处理。对信号处理机提取的气象数据进行二次处理得到气象预报需要的气象要素资料。

（四）激光天气雷达

激光雷达对大气的探测,主要是通过分析由激光器发射的激光与大气中的折射率不均匀层以及遇到气溶胶等大气粒子后,产生的后向散射(回波信号)而得到的大气一些物理参数,如风速、大气温度、大气密度等。根据激光与大气作用方式和探测目的的不同, 演变出多种不同类型的激光雷达。米(Mie)散射激光雷达可连续地探测大气边界层中气溶胶粒子的光学特性以及气溶胶粒子和大气边界层高度的时空分布。差分吸收(DIAL)激光雷达可探测大气边界层中污染气体,如NO2、SO2、O3等含量的时空分布。拉曼(Raman)激光雷达根据同时接收到的水汽和氮气分子对激光后向散射信号的比值,就可以计算出水汽混合比,探测边界层中水汽含量的时空分布。

（五）风廓线雷达

大气中存在着各种不同尺度随时间变化的湍流,它们能引起折射指数的不规则变化,对无线电波产生散射作用。风廓线雷达向天空发射无线电波,接收到的回波是由于大气湍流对电磁波的散射而产生的。通过对回波的处理和分析就可以获得湍流大气的多普勒系数和强度系数,从而反演出湍流强度、运动方向和运动速度随高度的分布。大气湍流是随风传播的,因此,如果获得了大气湍流的多普勒速度和方向,

同时也就获得了风的速度和方向。

风廓线雷达上加装无线电探声系统(RASS)后,可以测量大气层的有效温度。RASS雷达系统通常由4个声源组成,分布在风廓线雷达天线阵的每一边并垂直向上发射声波。由于声速与大气温度有很好的对应关系,所以可以通过风廓线雷达测得的声速来得到有效温度廓线,进而连续地估算出湿度廓线,风廓线雷达主要用于探测风、温、湿的垂直廓线,相当于无线电探空仪的探测效果,但时间分辨率要高得多,可以小到大约3min;高度分辨率也高得多,可以达到每层50m左右,且几乎是垂直探测的,探测高度从近地面到18km范围内。

六）星载测雨雷达TRMM/PR

星载天气雷达可能性研究可以追溯到1960年代,但直到1997年TRMM(TropicalRainfall Measuring Mission)卫星发射,第一部测雨雷达雷达才被安装在卫星上。目前TRMM卫星上的测雨雷达(PR)由日本NASDA(National Space and DevelopmentAgency)公司制造。发射频率13.796GHz,采用相控阵天线,波长约2cm,观测范围从地表到15km。TRMM/PR雷达可以提供三维降水结构,定量测量陆地与洋面降水量,通过所提供的降水分布的测量资料,提高TRMM中微波图象的精度等。TRMM卫星上还载有闪电成像传感器何被动微波图像仪等,应用这些仪器得到的资料,可对各种天气现象,尤其是对发生在资料稀少的热带海洋等热带地区的天气进行更为深入的研究。

（七）机载雷达

从1980年代开始,陆续有多种载有不同波长何探测能力的机载多普勒

雷达系统投入使用,近年来机载雷达技术的发展进步,大大提高了获取风和微物理学信息的能力。如机载双波束多普勒雷达,即在一部雷达上有两个天线,分别装在飞机的前部与后部,产生前向与后向两个波束,同一粒子运动速度V可以得到两个径向速度Vr1、Vr2,这样可以反演出雷暴云中的二维流场。另一个进步是与地面雷达相结合的双站接收天气技术,与多部雷达相比,前者易使用更易于布署和运转,且高效。机载天气雷达优点的是探测范围机动灵活,可以近距离靠近降水目标,提高空间分辨率,不存在地物阻挡降水目标及远处地曲造成盲区,主要用于研究地面雷达网不能覆盖或海洋上的中尺度天气现象。如Chen-KuYu等利用机载多普勒雷达在台湾东南沿海对一发展种的中尺度对流系统进行观测时,捕捉到一个长生命期中尺度气旋发展初期特征,气旋的水平直径由地表约40km,扩大到对流层中层的70km,形成一个明显的斜槽,并一直与对流性降水紧密相联。

三、气象雷达在民航安全中的应用

（一）微波雷达风切变探测

早在20世纪80年代初,研究人员就积极尝试应用微波多普勒气象雷达进行风切变探测研究80年代末到90年代初,FAA在观测大量风切变的基础上开发了终端多普勒气象雷达(TDWR)系统[7,8].该系统采用5cm波长055!窄波束在机场探测风切变和沿着飞机起降路线上的强降雨,并给出下列标准:当估计空速变化量在10m/s至15m/s时,发送切变警报;大于15m/s时则发送微暴警报. 此外系统数据还将共享于FAA的廊道综合气象服务系统( CIWS) 和综合终端气象服务系统

(ITWS),以便空管人员管理.TDWR是地基风切变探测的典型系统,目前已成功应用于美国45个主要机场。

在机载风切变探测方面,由于机载微波多普勒雷达可与现代机载数字彩色气象雷达兼容,使造价降低,且对飞机无改装要求, 因此很适合于机载前视式风切变探测.但是实际探测中,地杂波是主要的干扰因素,尤其飞机进近阶段,抑制地杂波干扰、克服雨衰减和检测低反射率的风切变微弱信号是三大技术难点.其中,适于风切变探测的雷达信号处理方法有脉冲对法、快速傅里叶变化法、自适应滤波法、频谱模式分析法等。

（二）激光雷达风切变探测

测风激光雷达系统是从20世纪70年代开始发展起来的,最初的测风激光雷达系统一般采用连续CO2激光器和相干检测方法.90年代后,非相干检测固体激光测风系统得到了迅速发展.目前,国际具有代表性的风切变激光雷达探测系统为美国Lockheed Martine公司为美国国防部、NASA和FAA等政府部门研制的相干多普勒激光雷达Wind Tracer 系统

（三）气象雷达湍流探测

对气象雷达而言,湍流是指微粒速度偏差较大的气象目标[15],这里的速度偏差可理解为速度的范围或频谱,频谱越宽,湍流越大.一直以来,湍流对于飞机尤其是民航飞机的安全造成极大威胁.本节将主要对民航飞机经常遭遇的大气湍流和飞机尾流探测方法作一介绍。

（1）大气湍流探测

大气湍流[4]由大气快速不规则运动引起,属于气象学概念,通常表现为气流运动急速多变,方向变化不定。

早期气象雷达并不能直接测量大气湍流,通常用间接判别的方法,将大气湍流和降雨量、无规律的回波形状和急剧升降的雨梯度联系起来判断是否存在,但实际中湍流并不一定会伴随上述特征出现,尚存很多缺陷。

20世纪80年代,多普勒技术广泛应用于气象雷达.多普勒湍流检测是一种从频域提取湍流目标信息的相参检测技术。该技术基于多普勒原理,当雷达波束照射到湍流区域时,湍流目标形成雷达回波, 由于湍流急速多变的运动特性,所形成的是一个偏离雷达发射频率且频谱宽度较宽的多普勒频移,与一般降雨区回波存在明显差别, 从而根据这一特性来探测并且直接显示出湍流区域,大大保障飞行安全。

通常根据湍流区域是否含有降雨雨滴,可把大气湍流分为湿性湍流和晴空湍流.目前,只有湿性湍流能被多普勒气象雷达有效探测, 而晴空湍流很难用肉眼和普通气象雷达探测,激光多普勒雷达技术是目前主要的探测手段。近几十年来,国内外学者对晴空湍流的诊断预报法进行了大量研究,综合利用雷达、卫星资料,结合先进的数值模式产品和湍流数值模拟研究将是晴空湍流探测预测方法的主要发展趋势。（2）飞机尾流探测

飞机尾流是湍流的一种形式,它是指飞行器经过后引起的空气不规则运动,会导致跟进的后机出现机身抖动、下沉、飞行状态改变甚至发动机停车等现象,严重危及飞行安全.目前为避免飞机尾流影响, 民航

空中交通管理规定了安全尾流间隔标准以确保飞行安全,但民航事业的快速发展迫切需求尾流安全间隔能进一步缩小来有效增加机场跑道容量。

目前监测和预警飞机尾流的主要研究方法为,在测量尾流特性数据基础上,分析尾流的形成机理和消散特性,通过拟合的尾流消散和遭遇模型来有效预测尾流.地基或机载脉冲激光雷达是适于尾流特性测量的主要探测设备,其中Wind Tracer已在纽约、伦敦、法国Charles deGaulle 和德国Frankfurt国际机场得到广泛应用,尾流探测效果显著.此外,利用尾流声学性质,应用声传感手段也是一种有效测量方法,如Lock heed Martine公司开发SOCRATES系统。

（3）气象雷达鸟情探测

鸟击是指航空器起降或飞行过程中与鸟类、蝙蝠等飞行物相撞的事件.自航空器问世以来,鸟击事件就对飞行安全存在严重威胁.ICAO将鸟击灾害定义A类航空灾难,鸟击危害已上升为我国民航的重大安全隐患。

利用雷达识别鸟类目标,建立鸟击预警模型,有针对性地驱散和避开鸟群,是降低鸟击危害的有效途径。由于鸟类的直径在几厘米到几十厘米,为获得鸟类目标较稳定的RCS量值,探鸟雷达的工作波段通常选择为鸟类尺寸相当的SKa波段,因此应用气象雷达进行鸟类活动探测有着一定的理论可行性。

早在20世纪60年代到70年代,科研人员就积极尝试应用气象雷达进行鸟类活动观测。经过几十年的发展,目前国外已基本形成相对成熟

的气象雷达探鸟系统,其中具有代表性的是美国鸟击危害咨询系统(AHAS)。

该系统基于151部新型多普勒气象雷达WSR-88D组成的气象雷达网, 实现对美国48个州的候鸟迁徙情况进行有效监测和预报.其最高输出功率750kW,工作频率2.7-3.0GHz(S段),采用口径9m的抛物面天线,波束宽度0.96,脉冲宽度从1.57us到4.5-5.0us可调,覆盖范围达124海里,可探测到大气中鸟类、蝙蝠和昆虫等生物目标。系统每10分钟更新一次全美鸟情信息,并通过互联网发布,为鸟击防范和鸟类学研究发挥重要作用。

气象雷达适于探测较广区域(10-60km)的鸟情分布,但由于其造价高、信息更新速度慢、不易操作等原因,并不适合机场区域鸟情探测.目前已经开发出的典型“机场雷达探鸟系统”有DeTect公司的Merlin和Sicom Systems公司的Accipiter。北京航空航天大学与中国民用航空总局航空安全技术中心合作,在国内率先搭建了“机场雷达探鸟实验系统”,对机场区域内的鸟情探测技术进行了深入研究。利用该实验系统进行了广泛的理论和实验研究,验证了雷达探鸟的可行性,积累了大量探鸟雷达图像并形成了供研究的样本库。飞鸟目标检测与跟踪算法是该系统的核心,包括背景差分、杂波抑制、量测信息提取、目标跟踪和数据叠加五个步骤,将鸟情信息从复杂的雷达图像中提取出来,生成便于观测的融合图像。“机场雷达探鸟系统”研究将为我国全国范围内新一代气象雷达探鸟网的组建奠定了理论和工程基础。

因此,加强气象雷达技术研究,使其可以进行空天地一体化的联网

综合探测,实现对地面或建筑障碍物、鸟击危害、风切变、湍流等民航安全威胁要素的一体化探测预警,最终实现低空防撞综合处理智能一体化,将成为我国气象雷达在民航安全应用中的重要发展趋势。