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掌控风云相控阵天气雷达崭露头角

发布时间:2019-12-25 15:56来源: 未知
随着相控阵技术的日趋成熟,采用相控阵技术的天气雷达可以更好地探测和跟踪快速变化的中小尺度天气系统,提高对灾害性天气的预警能力,服务于气象防灾减灾。
 
  在探测大气变化的各种手段中,天气雷达以其较高的时空分辨率和大范围探测能力,成为短时天气预报的有效工具。相控阵雷达实际是采用“相位阵列天线”的雷达。顾名思义,“相控阵”是指通过精确地控制阵列天线各单元雷达波的初始相位,实现阵列天线合成波束的空间指向的技术。通过改变每个单元的雷达波初始相位,就可以改变天线的波束方向,实现对不同空间目标的测量。而将应用这种天线来探测天气状况的天气雷达,称为相控阵天气雷达。目前,相控阵天气雷达已经成为我国新一代天气雷达的探索性发展方向之一,国家科技部也于2007年设立了公益性行业科研专项——“相控阵天气雷达系统关键技术的研究”。记者就此采访了该项目南京信息工程大学的课题负责人黄兴友教授。 
 
  蜻蜓“复眼”仿生原理
 
  扫描更快
 
  众所周知,蜻蜓的眼睛是由上千个独立的小眼组成的,被称为“复眼”。其中每个小眼都能够完整的成像,这样就使得蜻蜓所看到的范围比人眼大得多。黄兴友在介绍时说,与此类似,相控阵雷达的天线阵面也由许多个收发单元(简称T/R单元)组成,单元的数目与雷达的性能有关,可以从几十个到几千个不等。T/R单元有序地排列在天线阵面上,构成阵列天线。
 
  在技术上,利用电磁波相干的原理,通过计算机控制各个T/R单元的初始相位,就可以改变天线波束的水平方位和俯仰方向,进行空间扫描。黄兴友说:“这就是我们平时所说的电扫描。 ”T/R单元把接收到的雷达回波信号送入主控计算机进行数据处理,进而完成雷达对目标的空间定位和测量。黄兴友强调,与传统天线的机械转动方式不同,相控阵天线采用电控方式实现波束的转动,因此我们又称这种雷达为电子扫描雷达。
 
  与新一代多普勒天气雷达相比,相控阵天气雷达因为采用电子扫描,因此扫描速度更快、空间定位更准确。黄兴友举了个最简单的例子:目前的多普勒雷达完成一个9个仰角的VCP21扫描大约需要6分钟,若采用四个阵面的相控阵天气雷达,只需要不到1分钟,大大提前了预警时间。这样看来,采用相控阵天气雷达有望将灾害性天气的发现时间提前10分钟。更重要的是,相控阵雷达的快速扫描优势可以探测演变迅速的小尺度灾害性天气系统。这些天气的生消过程可能只有几分钟,机械式天线雷达很难捕捉,但相控阵天气雷达可以获得较详细的演变过程数据。举例来说,闪电是毫秒级时间的快速放电过程,一般的相机很难拍到闪电的画面,但采用高速相机或高速摄像机,就很容易看出闪电的过程,更加便于进行深入研究。
 
  黄兴友表示,相控阵天气雷达的强大优势在于其能够监测小尺度变化迅速的天气状况,诸如雷暴、冰雹和龙卷等,可以早发现、早预警、早疏散,以减少灾害天气带来的损失。
 
  相控阵优势将凸显大气探测领域
 
  鉴于相控阵技术在军事领域的不断成熟,转向民用已经成为其新的发展机遇。在大气探测领域,相控阵天气雷达也将发挥非常强大的作用。
 
  黄兴友说,机械式天线由于惯性,难以实现快速往返的扇区扫描。相控阵天线因为采用电扫描,所以很容易实现。利用扇区扫描,可以更快速、更准确地跟踪和捕捉中小尺度天气系统,为天气过程的研究和预报提供更详细的回波资料。
 
  借鉴其在军事领域多目标跟踪的特点,相控阵天气雷达还能对强对流系统中的多个风暴单体进行跟踪,便于研究者进一步了解风暴单体的演变过程,更好地预报风暴的发展动向,尽早做出预警。
 
  同时,相控阵技术的多功能性还将为其开辟更广阔的应用天地。相控阵天气雷达不仅可以用于天气监测,也可以为机场提供导航服务,探测威胁航行的风切变和航线上的灾害天气情况,为飞机飞行提供气象保障服务。
 
  虽然相控阵天线的应用优势非常明显,但加工精度要求高、设备复杂、造价非常昂贵。随着技术的进步,相控阵天线的价格正在逐年下降,我们期望在不久的将来,相控阵天气雷达能够应用到大气探测业务中,造福于民。
 
  设立行业专项
 
  开发应用潜力
 
  黄兴友在接受采访时说,中国气象局已经意识到相控阵技术在大气探测方面的巨大优势和应用潜力,于2007年将其设立为行业专项,该项目总负责人为中国气象科学研究院首席研究员刘黎平。相关研究人员正在多角度地开展我国相控阵天气雷达的技术和应用研究。
 
  他表示,同国外相比,我国的相控阵天气雷达研究晚了约10年,但和国外的差距并不是很大,在近几年的研究中已经取得了初步成果,并在积极地向应用化研究和业务化发展的方向推进。
 
  黄兴友说,相控阵天气雷达将是对现有的新一代多普勒天气雷达探测能力的进一步增强,它的应用将极大地增强预警灾害性天气的能力。
 
  虽然相控阵天气雷达仍处于科研阶段,还没有投入到业务中,但黄兴友表示,如果能够将相控阵雷达的T/R单元批量化生产,进一步降低天线系统的成本,相控阵天气雷达就将会成为大气探测业务平台的一个重要工具。在不久的将来,相控阵天气雷达一定会在中小尺度灾害性天气探测方面发挥其强大的优势,成为预报灾害性天气、防灾减灾的强有力工具