相控阵技术在大气探测中的应用及面临的挑战

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1、万方数据第23卷第2期2008年2月地球科学进展ADVANCESINEARTHSCIENCEV01．23No．2Feb．，2008文章编号：1001-8166(2008)02-0142-09相控阵技术在大气探测中的应用及面临的挑战+。杨金红1’2，高玉春3⋯，程明虎1，4(1．中国气象科学研究院，北京100081；2．南京信息工程大学，江苏南京210044；3．中国气象局大气探测技术中心，北京100081；4．北京邮电大学，北京100876)摘要：近年国际上相控阵技术在大气探测领域中的应用有了重要进展，成为雷达气象学研究的又一新热点，并可能成为今后天气雷达发展的重要方向

2、。介绍了相控阵技术在气象探测中应用现状和研究进展，以及近年在气象应用中所获得的最新研究成果，展望了相控阵技术的应用前景，进一步讨论了开展相控阵技术研究所面临的技术挑战和未来发展的方向。为我国开展相控阵天气雷达的研制提供参考。关键词：相控阵技术；大气探测；多波束；扫描策略中图分类号：P41文献标识码：A1引言为满足国防建设与经济建设发展的要求，经过近几十年的不断探索，不同用途的雷达逐渐开始采用相控阵技术。多功能相控阵雷达特别是多功能有源相控阵雷达已成了当今雷达发展的主流⋯。相控阵雷达是一门具有高度综合性的科学技术，它的发展在很大程度上依赖于计算机技术、先进的信号处理、电真

3、空、微电子和光电子技术的发展。为了将这项技术推向民用领域，满足社会发展的需求，目前，美国已将相控阵技术应用到气象探测领域，并从2002年开始了雷达观测大气的研究工作，这标志着采用相控阵技术的天气雷达探测进入了一个新的发展阶段。2006年，美国又开始计划部署研制具有多功能的相控阵雷达(MPAR，MutiplefunctionPhasedArrayRadar)，它的主要任务是进行强天气的监测、空中交通管制和服务于国家安全等。限于技术和设备条件，我国将相控阵技术应用到气象探测领域与国际发展水平尚有不少距离。本文将较全面的阐述相控阵技术探测大气的发展现状、应用研究进展和面临的技

4、术难题，为我国开展相控阵技术探测大气研究提供参考。2相控阵技术探测大气的发展和研究现状20世纪60年代，为适应对人造地球卫星及弹道导弹观测的要求，相控阵技术获得rr很大发展，主要是因为相控阵雷达能够满足雷达作用距离、数据率、多目标跟踪和测量精度等要求心】。目前，相控阵技术已广泛应用于几乎所有类型的军用雷达。随着技术的进步和科技的发展，相控阵技术开始应用到风廓线雷达，近年来，在灾害性天气的探测也获得了很大发展。2．1相控阵天气雷达与常规多普勒雷达的比较相控阵天气雷达与常规多普勒雷达主要的不同之处是天线的构成。相控阵天气雷达是一种电子扫描雷达，天线采用平面阵列形式，由大量的

5、辐射单元按一定的规则排列组成，发射时利用信号的相位差形成方向性极强的发射波束，波束的指向是依靠发射信号相位的变化而改变。当信号能量遇到降水物收稿日期：2007—10-23：修回日期：2008-01—17．·基金项目：财政部行业专项“相控阵天气雷达系统关键技术研究”(编号：GYHY(Qx)2007-6-2)；国家自然科学金项日“利用雷达等资料结合临近预撤和水文模式预报流域径流的研究”(编号：40575009)共IHj资助．作者简介：杨金红(1974一)，女，山西稷山人，博L研究生，日前丰要从事相控阵天气雷达研究工作．E-mail：yangjh0407@163．com万方数

6、据第2期杨金红等：相控阵技术在大气探测巾的应用及面临的挑战143质时，其中向后散射的能量被雷达天线辐射阵元接收，经低噪声高放放大和波束形成网络后进人通道接收机，然后再经过信号处理和数据处理形成气象二次产品。在扫描时，由于采用了电子扫描其波束可快捷、灵活的转向，因此相控阵天气雷达的扫描方式采用多波束转换扫描方式。而目前多普勒天气雷达是机械扫描雷达，天线由旋转抛物面和辐射源(馈源)组成，发射时利用放置在抛物面焦点处的辐射源发射出的电磁波，经抛物面反射形成定向的发射波束射向空间，波束的转向是依靠机械转动天线来完成。当有降水回波信号时，接收天线将接收到的信号送入接收机，然后经放

7、大等处理后送往显示器。波束的扫描采用固定连续扫描方式。2．2相控阵天气雷达的发展和研究现状2002年，美国开始了将相控阵技术应用到大气探测领域的研究，由美国强风暴实验室(NSSL)、雷达运行中心(ROC)、俄克拉荷马大学(OU)和美国海军等9家单位合作对退役的宙斯盾(SPY—1)相控阵雷达进行了气象探测改造(SPY一1天线有4个阵面，其中一个阵面用于天气探测)，用于对冰雹、龙卷等强天气的探测，新改装的相控阵天气雷达安装在俄克拉荷马州的诺曼(Norman)市，并与常规多普勒天气雷达(KTLX雷达，美国、№务使用的一部雷达)同时进行了外场观测