第３高 原 气 象０卷 第４期Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．４
，２０１１年８月０１１Ａｕｕｓｔ２ｇＰＬＡＴＥＡＵ ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹ］（）：张志强，刘黎平．相控阵技术在天气雷达中的初步应用［Ｊ．高原气象，２０１１，３０４１１０２－１１０７
相控阵技术在天气雷达中的初步应用
１
张志强１－３， 刘黎平
（１．中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室，北京 １０００８１；２中国科学院研究生院，北京 １０００４９；
）３．国家气象信息中心，北京 １０００８１
摘 要：由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室与中国电子科技集团南京第１４研究所联合研制的Ｓ波段相控阵天气雷达采用宽波束发射多波束接收，从而很大程度上缩短了雷达扫描周期，但是由于相控阵天气雷达其波束宽度与增益不是定值，而是随着仰角发生变化，同时相控阵天气雷达采用了脉冲压缩技术，因此需要对Ｐｒｏｂｅｒｔ－Ｊｏｎｅｓ提出的经典雷达气象方程中的波束宽度和增益参量进行订正，才能运用到对相控阵天气雷达反射率因子的估算中。本文通过对相控阵天气雷达波束宽度与增益特性的分析，在经典雷达气象方程的基础上给出了有关相控阵天气雷达的雷达反射率计算方法，分区域给出了详细的反射率因子估算参数，并在此基础上进行反射率的估算，为相控阵天气雷达的定标与定量测量提供理论基础。
关键词：相控阵气象雷达；雷达增益；波束宽度；雷达气象方程（）文章编号：１００００５３４２０１１０４１１０２０６Ｐ４０６－－－ 中图分类号：
文献标识码：Ａ
１ 引言
我国目前已经布网的新一代天气雷达大大提高］１－７
，但是由于了对灾害性天气的监测和预警能力［
新一代天气雷达受机械扫描体制的限制，造成扫描时间过长、采样层数过少等时空分辨率较低的缺陷。采用相控阵技术的天气雷达可以提高探测数据
８］
的时间分辨率，利用相控阵技术的天气雷达［可以
方程已经被广泛地运用在反射率算法中，这些算法用来从气象雷达采样信号中计算回波反射率。新一代天气雷达是采用机械扫描方式，而相控阵天气雷达采用的是相位扫描方式。对于相位扫描雷达来说其波束宽度和增益是随着仰角变化的，同时为了提高性能，相控阵天气雷达采用了脉冲压缩技术。这些内在的联系都影响着雷达的有效辐射功率、雷达可分辨单元的大小、雷达的平均返回功率以及反射率的估算。所以针对相控阵天气雷达对经典雷达气象方程的某些参数进行订正是很有必要的，由此可得到针对相控阵天气雷达的雷达气象方程参数。本文针对Ｓ波段相控阵天气雷达参数和扫描特性，将经典雷达气象方程应用到相控阵天气雷达中，得到相控阵雷达对云目标探测的雷达气象方程参数，为今后对该雷达的定标和定量测量提供必要的准备和理论依据。
使天气雷达的扫描时间从６ｍｉｎ减少至几十秒钟，也可以对多个区域同时观测，从而大大地提高了对龙卷风、暴雨等灾害性天气的预警能力，并且缩短了预报时间。２００６年，美国开始计划研制具有多功能的相控阵天气雷达（ＭｕｔｉｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎＰｈａｓｅｄ ｐ
［］１
，ＭＰ，其主要任务是进行强ＲａｄａｒＡＲ）９－１Ａｒｒａｙ
天气的监测、空中交通管制和服务于国家安全等。
我国目前有关相控阵天气雷达的研究尚处于起步阶段，由中国气象科学研究院与中国电子科技集团南京第１４研究所联合研制的Ｓ波段相控阵天气雷达正在进行出厂前的测试工作，如何实现相控阵雷达的定量测量，已成为当前首要解决的问题。由
［２］
在１Ｐｒｏｂｅｒｔ－Ｊｏｎｅｓ１９６２年提出的经典雷达气象
２ Ｓ波段相控阵天气雷达简介
由中国气象科学研究院研制的Ｓ波段相控阵天
气雷达天线采用波导窄边裂缝天线形式，以实现水平方向超低副瓣及在垂直方向形成相控阵多波束。
；改回日期：２０１００４１９２０１００６０１ 收稿日期：－－－－
（）气象）项目“相控阵天气雷达系统关键技术研究”资助ＧＹＨＹ（ＱＸ）２００７６２ 基金项目：公益性行业（－－
，男，北京人，博士生，主要从事天气雷达相关算法研究以及相关气象数据处理．１９８２－） 作者简介：张志强（
：ａｉｌｚｈｉｉａｎ８２＠ｃａｍｓ．ｃｍａ．ｏｖ．ｃｎ Ｅ－ｍｑｇｇ
４期张志强等：相控阵技术在天气雷达中的初步应用 １１０３
由３２根窄边开缝的波导行馈组成，每根波导上开８２个窄边缝，全阵共有３２×８２＝２６２４个裂缝单元。
／馈线系统由移相器、ＴＲ组件和功分器等组成，收发共用３２个组件。天线具体参数见表１。
表１ Ｓ波段相控阵参数
Ｔａｂｌｅ１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈａｓｅｄａｒｒａｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒ ｐｙ
２．７～３．０ＧＨｚ 工作频率：
极化形式：水平极化
由３２根窄边开缝的波导行馈组成，每根波导上开８２个窄边缝，全阵共有３２×８２＝２６２４个裂缝单元
１．５７°±０．１５° 波束宽度：水平：
垂直：接收３．１２°±０．３°×４发射：８°±０．４°
，仰角方向同时４波束接收，覆盖空仰角扫描范围：０°５°～３
域为８°
）垂直波束宽度８Ｇ≥３４．４ｄＢ（° 天线增益：宽波束发射：
）接收：垂直波束宽度３．Ｇ≥３８．３ｄＢ（１２°
最大副瓣电平：水平收／发ＳＬＬ≤－３５ｄＢ
垂直接收 ＳＬＬ≤－２５ｄＢ
为脉冲宽度。
相对于常规天气雷达，相控阵天气雷达的波束
形状是随仰角而发生变化的，但其方向图仍近似满足高斯分布；又由于相控阵雷达天线采用幅度加权的方法，将副瓣电平控制在－２０ｄＢ以下，可以不用考虑副瓣的影响。因此Ｐｒｏｂｅｒｔ－Ｊｏｎｅｓ推导经典雷达气象方程时的假设对相控阵雷达仍然适用。经典雷达气象方程对相控阵天气雷达来说仍然适用。但是由于相控阵天气雷达的波束宽度和增益随着仰角发生变化，同时又由于脉压技术的运用，其脉压得益也是需要考虑的，因此需要对雷达气象方程中的波束宽度和增益量进行修正，才能运用到相
１１］
。控阵天气雷达反射率的估算中［
３．１ 相控阵雷达增益
对于相控阵天气雷达天线波束，由于采用相位
控制扫描，天线增益不再是固定不变，而是随着扫描角发生变化。取天线法向上的增益为Ｇ０，则任
１３］
：意方向上的天线增益Ｇ［
夹角，０° 工作状态时，阵面竖起与水平方向成８
为了提高扫描速度，发射时采用１个８宽波束，接°收时采用４个３．窄波束接收。在水平方向采用１２°机械扫描，这与Ｓ波段多普勒天气雷达一样；在垂直方向，采用相位控制扫描。相控阵天气雷达的这种扫描方式大大缩短了扫描时间，但是因为其扫描方式的不同，故在垂直方向上波束宽度不再是固定不变，而是随着仰角发生变化，增益也随着仰角而发生变化。同时，其收发波束的不同也造成收发增益的不同。因此需要在经典雷达气象方程的基础上，根据相控阵天气雷达的特征参数，得到适合相控阵天气雷达的反射率估算表达式。
０
Ｇ＝Ｇ０ｃｏｓθ，
λ
天线的发射增益为Ｇｔ，接收增益为Ｇｒ，则：
）
０
２
（）２
）
Ｇ＝Ｇｃｏｓθ，
）λ
２
０
Ｇｃｏｓθｔ＝Ｇｔ０ｔ，
λ
ｒ
ｒ０
ｒ
２
（）３（）４
式中：ＧＧｔ０为天线法向方向发射增益；ｒ０为天线法向方向接收增益；θｔ为发射波束与天线法向方向夹角；θｒ为接收波束与天线法向方向夹角。
当波束指向垂直于天线阵面时，天线增益最
大，随着波束指向角偏离阵面法线的角度越大，天线增益越小，到了±４时，增益减少了１．５°５１ｄＢ；到了±６时，增益减小了近３ｄ０°Ｂ。天线增益的降低会使雷达天线在整个观察范围内的发射信号功率分配极不均匀，因此需要对天线增益进行修正。３．２ 天线波束宽度
包括相控阵雷达在内的任何雷达增益有一个基本的表达式，即：
Ｄ＝，
ΩＢ
其中：ΩＢ为波束的立体角。 由于ΩＢＤ＝４π为一常数，则：
３ 相控阵天气雷达回波强度测量
ｒｏｂｅｒｔ－Ｊｏｎｅｓ 对于离散体目标Ｐ
典的雷达气象方程：
［１２］
提出的经
４
１０２４ｌｎ２２ ｒ
，Ｚ＝２３２ ２
）（）ＰｔｃＫ×｜｜λＧ（θτπββφ
（）１（）５
其中：ＰＰＧ为天线发ｒ为接收功率；ｔ为发射功率；射增益；Ｒ为目标距离雷达的距离；λ为天线波长；为垂ＬＬθａ为雷达系统损耗；ａ为大气传播损耗；β
２
直波束宽度；φ为水平波束宽度；｜Ｋ｜＝β
２２，８－１
；ｍ为复折射指数；ｃ＝３×１０ｍ·ｓτ２
ｍ＋２
θｕ０ｖ０φ０
θｕφｖ＝ｃｏｓθ
，
２
（）６
式中：θθｕ、ｖ分别为水平和垂直的波瓣宽度；ｕ０、φ
１１０４
高 原 气 象 ３０卷
波束垂直方向与天线法线方向的夹角。３．５ 相控阵天气雷达探测强度补偿
宽波束，° 由于相控阵天气雷达在发射时采用８
其同一个宽波束内能流密度相差是很大的，如果波束宽度内增益都按同一个值来估算反射率，必然造成反射率估算的误差。而且其接收时是采用４个窄波束进行接收，３．１２°４个接收波束的特性也是不同的。上面推导的相控阵雷达气象方程只考虑了不同宽波束间的增益与波束宽度的变化情况，并没有考虑同一个宽波束中收发增益的变化情况，下面分情况讨论。把宽波束分成４个区域，如图１ａ所示，接收情况如图１ｂ所示
。
θｖ０分别为天线法线方向水平和垂直的波瓣宽度；φ
为发射波束与天线法向的夹角。３．３ 脉冲压缩
对于相控阵天气雷达，增加脉冲宽度可以增大作用距离，但是脉冲宽度的增加会使距离分辨率变差，影响测距精度。一个有效的方法就是采用脉冲
１４］
。脉冲压缩的工作原理是：采用宽脉压缩技术［
冲发射，以提高发射机的平均功率，保证雷达的最大作用距离。接收时利用脉冲压缩技术，获得窄脉冲，从而提高距离分辨率。因而脉冲压缩技术是解决作用距离与距离分辨率之间矛盾的一种有效办法。
脉压技术采用相干累计技术，当采用宽脉冲发
射，脉冲宽度增加了Ｎ倍，返回信号的功率增加了
Ｎ２倍，等效于发射功率增加了Ｎ２倍，它相当于把一个扩大了Ｎ倍的宽脉冲分成Ｎ个小块连续发射，其取样体并没有随着脉冲宽度的增大而增大，仍和原窄脉冲的取样体积相同，因此其分辨率也没有发生减小。在此引入脉压得益ＧＰ来衡量由于采用脉冲压缩技术所带来的雷达性能的改善。脉冲宽度ω取脉冲压缩后的脉冲宽度时，脉压得益ＧＰ＝
图１ 天线波束示意图
（）发射波束，（）接收波束ａｂ
Ｆｉ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｂｅａｍｏｆａｎｔｅｎｎａ． ｇｇ
（））ａｔｒａｎｓｍｉｔｂｅａｍ，（ｂｒｅｃｅｉｖｉｎｂｅａｍ ｇ
Ｎ２，相当于脉冲宽度减小了Ｎ倍，发射功率增加
了Ｎ２倍，则雷达性能提高了Ｎ倍。３．４ 相控阵雷达的雷达气象方程
相控阵天气雷达的雷达气象方程是在上述讨论的基础上得到的，考虑到相控阵天气雷达在收发增益上的不同以及水平上采用机械扫描，垂直方向上采用相位控制扫描，分别考虑脉压得益、波束宽度与收发增益的变化以及收发端的系统损耗，将式（）、（）、（）），整理得：带入式（３４６１
４
０
Ｚ＝２（）３２
λτπ｜Ｋ｜０ｃ
下面先考虑天线的波束情况，阵面竖起与水平，对于发射夹角，其扫描范围为０方向成８０°°５°～３宽波束中心有５个发射角：２，１０，１８，２６，３４，４个，，，发射角与天线法向方向所成夹角为－８°０°８°，，每个发射角又分为４个区域，因此把相控１６°２４°以２为区间分为１阵天气雷达扫描范围０°５°°８个～３，分别对其进行发射增益Ｇ区域（图２）ｔ、接收增益补偿，具体见式（）（）
Ｇ８～１０。ｒ和波束宽度
θｕｖφ
］ｃｏｓｒ
θｕ０ｖ０φ）
ＬＰｒａ２
，（）７４Ｒｆｆ０
·
ＬＬｓｓｔｒ
ＧｐＧｔｃｏｓＧｒｃｏｓθθｐｔ０ｔ０ｒ
］］
８－１
；式中：ｃ＝３×１０ｍ·ｓτ为脉压后的脉冲宽度；
Ｂ波束宽θｕ０、ｖ０分别为接收波束水平和垂直的３ｄφ
度；ＰＧＰ为脉压得益；Ｐｔ为发射功率；ｒ为接收机
输出功率；θｒ为接收波束方向与天线法线的夹角；
Ｇθｔ为发射波束方向与天线法线的夹角；ｔ０为天线法向方向发射增益；ＧＲｒ０为天线法向方向接收增益；为目标距离雷达的距离；ＬＬｓｔ、ｓｒ分别为雷达发射 和接收的系统损耗；Ｌａ为大气传播损耗。
由于相控阵天气雷达在水平上是采用机械扫描，垂直上采用相位控制扫描，因此θθｒ、ｔ分别为
图２ 扫描区间示意图
Ｆｉ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｓｃａｎｉｎｔｅｒｖａｌ ｇｇ
Ｇｃｏｓθｔ＝Ｇｔ０ｔ，
Ｇｃｏｓθｒ＝Ｇｒ０ｒ，（）８
（）９
４期张志强等：相控阵技术在天气雷达中的初步应用 １１０５
ｒ
，＝
θθｕｖｕ０ｖ０φφ
（）１０
的宽波束，而同一个波° 由于发射波束是一个８
束内部增益的变化是很大的，假设在波束内部增益是按高斯递减的。如图１ａ所示，假设波束法向方向增益为Ｇ０，取同每个区域中线方向的增益为该区域的增益，则４个区域的增益分别为０．６８Ｇ０，０．８８Ｇ０，０．８８Ｇ０，０．６８Ｇ０．
，最终１１） 将相控阵天气雷达各参数带入方程（得到相控阵雷达气象方程：
式中：分别为天线发射增益补偿角、天线θθθｔ、ｒ、φ接收增益补偿角、天线波束宽度补偿角，３个角度都为与天线法线方向之间的夹角，由于天线只在垂直方向进行相位控制扫描，因此只考虑波束垂直方向与天线法向的夹角。
考虑到发射、接收以及波束宽度的波束补偿
）角，将式（化简得：７
４
１０２４ｌｎ２０
Ｚ＝Ｒ２（）３２
λτπ｜Ｋ｜０ｃ
２
Ｚｄ３７＋２０ｌｏＲ＋１０ｌｏＰ０ｌｏＬＬｓＬａｇｇｇＢｚ＝１ｒ＋１ｓｔｒ
（／（０ｌｏ０ｌｏＧｐ）－４－１ｇｇｆｆ０）ｏｍ＋Ｃｐ ．
（）１２
式中：Ｒ为距离；Ｐ１０ｌｏＬＬｓＬａ为ｇｒ为接收功率；ｓｔｒ
）
ＬＬ）·１１ ．（／（ｃｏｓＰＧＧＧ］θ）ｆｆ）］
ｓｔｓｒ ｐ
ａ
ｒ
ｔ
ｒ０ｔ０
０
４
］θｕ０ｖ０φ
ｔ
表２ 增益修正项随仰角变化
ａｉｎＴａｂｌｅ２ Ｃｈａｎｅｏｆｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｇｇ
扫描区间／°补偿／ｄＢ 扫描区间／°补偿／ｄＢ
０～２ ０．６０５ １８～
２０ ０．６０５
２～４ ０．５８５ ２０～２２ １．７５５
４～６ １．６９１ ２２～２４ １．７８８
６～８ １．６８１ ２４～２６ ０．７０５
８～１０ ０．５５６ ２６～２８ ０．７４５
１０～１２ ０．５５６ ２８～３０ １．９１５
１２～４ １．６８１ ３０～３２ １．７０５
１４～１６ １．６９１ ３２～３４ ０．９１５
１６～１８０．５８５３４～３６０．９８５
图３ ２００９年７月７日１２：４６相控阵天气雷达观测
（））））未进行波束补偿，（进行波束补偿，（未进行波束补偿，（进行波束补偿，ａ１°ｂ１°ｃ２．５°ｄ２．５°
（））未进行波束补偿，（进行波束补偿ｅ４°ｆ４°
），Ｆｉ．３ Ｒｅａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｈａｓｅｄａｒｒａｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒａｔ１２：４６ｏｎ７Ｊｕｌ２００９．（ａ１°ＰＰＩｂｅｆｏｒｅｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎ ｇｐｙｙｐ
（），（），（），ｂ１°ＰＰＩａｆｔｅｒｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎｃ２．５°ＰＰＩｂｅｆｏｒｅｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎｄ２．５°ＰＰＩａｆｔｅｒｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｐｐ
（），（）ｅ４°ＰＰＩｂｅｆｏｒｅｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎｆ４°ＰＰＩａｆｔｅｒｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｐ
１１０６
高 原 气 象 ３０卷
加雷达的作用距离和保持高分辨率，采用了脉冲压缩技术。因此需要根据相控阵天气雷达的参数特性，以Ｐｒｏｂｅｒｔ－Ｊｏｎｅｓ经典雷达气象方程为基础，得到适合相控阵天气雷达的雷达估算参数，并以此为依据进行相控阵天气雷达的反射率估算。）２４所联合研制的 （ 中国气象科学研究院与１
相控阵天气雷达，发射时采用１个８宽波束发射，°接收时采用４个３．的窄波束进行接收。在发射１２°时宽波束内的增益情况是不同的，接收时４个窄波束的情况也是不同的。
）３ （ 根据相控阵雷达的扫描特性，在之前得出的经典雷达气象方程的基础上，给出了相控阵天气雷达的雷达气象方程简化式，并简单分析了不同区域相控阵天气雷达的探测差异，对相控阵天气雷达一次测试数据进行了补偿。
由于相控阵天气雷达还处于测试阶段，本文只是针对该雷达测量的初步应用，究竟如何衡量相控阵天气雷达探测数据的准确性，以及确定一种衡量相控阵天气雷达性能的方法是今后要解决的问题。参考文献
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）［ｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｔｅｓｔｅｄ（ｈａｓｅｄａｒｒａＣ］．２１ｓｔＩｎ － －ｐｙ
（损耗补偿项；为脉压得益项，它是用来衡１０ｌｏＧｐ）ｇ量脉冲压缩带来的雷达性能的改善。假设雷达的脉，此时的τ压比为１２８，则脉压得益项的值为４２ｄＢｚ／为脉压后的脉冲宽度，其值为宽脉冲宽度的１１２８，。因此实际的脉压得益值应为２１ｄＢｚＣｏｍｐ为增益修正项，是由波束偏离天线法向造成的增益改变以及同一个宽波束内部增益的改变组成。
８个区域，其增益修正项的值 把俯仰上分为１
如表２所示。
从得到的相控阵雷达气象方程知，在整个扫描区间的边缘，随着波束偏离天线法向，造成波束宽度的展宽及增益的减少，扫描强度相对于中心波束是偏弱的。同时，目标物距离雷达越远，造成取样体积的加大，导致扫描值明显偏弱，必然会造成一些小尺度的强对流回波探测的缺失。
３．６ 相控阵天气雷达初步探测结果
针对上述分析，得到了一次相控阵天气雷达实际观测结果，图３为２００９年７月７日１２：４６相控阵天气雷达在南京试验场的初步观测结果。由于雷达还在测试阶段，得到的只是一个测试数据。此次观测中，采用脉冲压缩，脉压比为１２８，雷达水平转，共取得了３个仰角的有效数动范围为１３５°１５°～３
，，。由于相控阵天气雷达相据，分别为１°２．５°４°位控制扫描的特点，完成３层扫描只用了几十秒，大大缩短了扫描时间。根据波束偏离天线法向方向，，的不同对得到的数据进行补偿，其中图３ａｃｅ分别为采用宽脉冲宽度，未考虑脉压得益以及波束补，，，偿计算１对应的反射率结果；图３°２．５°４°ｂ，ｄｆ
是采用脉压后的窄脉宽，考虑脉压得益、波束宽度，，和增益的变化计算１的反射率结果。可°２．５°４°
以看出，在补偿前，回波值的强度过强，考虑到脉冲压缩对雷达性能的影响，计算其脉压得益项为２１。同时由于此次观测时天线水平放置，根据天ｄＢｚ
线偏离法向的不同，其不同仰角的补偿情况是不同的。经过补偿后，回波值域在一个正常的范围，与当时观测的降水情况一致。此次观测仅仅是一次测试，获得的数据有限，该相控阵天气雷达探测的准确性还需要进一步研究。
４ 小结
）１ （ 对于相控阵天气雷达，由于其采用相位
控制雷达扫描波束，其波束宽度不再像常规雷达一样保持不变，而是随着仰角发生变化的。由于其波束宽度的变化，雷达增益也发生变化。同时为了增
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｃｅｓｓ －）：Ａｍ，ｉｎＳｓｔｅｍ（ＩＩＰＳ．ＳａｎＤｉｅｏｅｒｉｃＭｅｔｅｏｒｏｌｏＳｏｃ２００５． ｇｙｇ ［］Ｄ１０ｏｕｌａｓＥＦ，ＪａｍｅｓＦＫ，ＤｕｓａｎＳＺ，ｅｔａｌ．Ｕｄａｔｅｏｎｔｈｅｎａ －ｇｐ
（）［ｔｉｏｎａｌｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｔｅｓｔｂｅｄｈａｓｅｄａｒｒａＣ］．２３ｒｄＩｎｔｅｒｎａ － －ｐｙｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎ ｇ）：，Ｓｓｔｅｍ（ＩＩＰＳ．ＳａｎＡｎｔｏｎｉｏＡｍｅｒｉｃＭｅｔｅｏｒｏｌｏＳｏｃ２００７：１５ ｙ
４期
－２０．
张志强等：相控阵技术在天气雷达中的初步应用 １１０７
，（）：ＪＲｏＭｅｔｅｏｒＳｏｃ１９６２，８８３４８５－４９５．Ｑｕａｒｔ ｙ
［］Ｋ，１３ｎｏｒｒＪＢ．Ｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｅｕａｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｆｒｅｕｅｎｃ ｑｑｙ
ａｉｌｅａｎｄｈａｓｅｄａｒｒａｒａｄａｒｓ．ＡｅｒｏｓａｃｅａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｓ －ｇｐｙｐｙ ［］，（）：ｔｅｍｓＪ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓ２００７，４３３１２２０－１２２７．
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ＰｒｅｌｉｍｉｎａｒＡｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰｈａｓｅｄＡｒｒａＴｅｃｈｎｏｌｏｉｎＷｅａｔｈｅｒＲａｄａｒ ｙｐｐｙｇｙ
１－３１
ＺＨＡＮＧＺｈｉＩＵＬｉｉａｎｉｎ －ｑ Ｌ －ｐｇ，ｇ
（１．Ｓｔａｔｅ ＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏＳｅｖｅｒｅ Ｗｅａｔｈｅｒ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏＭｅｔｅｏｒｏｌｏｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｉｎ０００８１，Ｃｈｉｎａ； ｙ ｙｆ ｙｆ ｇｊｇ１
２．ＧｒａｄｕａｔｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｏＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｉｎ０００８１，Ｃｈｉｎａ； ｙｆ ｙｆ ｊｇ１
３．Ｎａｔｉｏｎａｌ ＭｅｔｅｏｒｏｌｏｉｃａｌＩｎｏｒｍａｔｉｏｎＣｅｎｔｒｅ，Ｂｅｉｉｎ０００８１，Ｃｈｉｎａ） ｇｆｊｇ１
：ＴｂｓｔｒａｃｔｈｅＳｔａｔｅＫｅＬａｂｏｒａｔｏｒｏｆＳｅｖｅｒｅＷｅａｔｈｅｒｏｆＣＡＭＳａｎｄＮａｎｉｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ Ａ ｙｙｊｇ ｈａｓｅｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｈａｓｄｅｖｅｌｏｅｄｔｈｅｆｉｒｓｔＳｂａｎｄａｒｒａｗｅａｔｈｅｒｏｆＣｈｉｎａ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅｄｕｃｅ － ｐｇｙｐｙ
，ｒａｄａｒｓｃａｎｃｃｌｅｔｈｅＳｂａｎｄｈａｓｅｄａｒｒａｗｅａｔｈｅｒｕｓｅｓａｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｗｉｄｅｒｂｅａｍｉｎｉｔｃｈａｎｄｎａｒｒｏｗｅｒｔｈｅ － ｙｐｙｐ
，ｉｎａｚｉｍｕｔｈ，ａｎｄｍｕｌｔｉｒｅｃｅｉｖｅｄｂｅａｍｓｔｏｏｖｅｒｌａｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｂｅａｍ．Ｈｏｗｅｖｅｒｆｏｒｕｓｉｎｔｈｉｓｓｃａｎｎｉｎ ｐｇｇ ，ｂ，ｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｕｌｓｅｃｏｍｒｅｓｓｉｏｎｅａｍ ｗｉｄｔｈａｎｄａｉｎｉｓｃｈａｎｅｄｗｉｔｈｅｌｅｖａｔｉｏｎｏｔｈｅＰｒｏｂｅｒｔＪｏｎｅｓ －ｐｐｇｇｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｅｕａｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｃｏｒｒｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｅａｍ ｗｉｄｔｈａｎｄａｉｎａｒｅａｎａｌｚｅｄ． ｑｇｙ
，ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＰｒｏｂｅｒｔＪｏｎｅｓｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｅｕａｔｉｏｎｉｔｔｈｅｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｅｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｉｓａｒｉｖｅｓｈａｓｅｄ － －ｑｑｇｐｒａｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒａｎｄｔｈｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｏｆｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｉｏｎｓ．Ｉｔａｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｒａｍｅｔｅｒｓｒｏｖｉｄｅｓ ｙｙｇｐｐ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈａｓｅｄａｒｒａｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒ． ｐｙ
：；；ａｉｎＫｅｗｏｒｄｓＰｈａｓｅｄａｒｒａｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒＲａｄａｒＢｅａｍ ｗｉｄｔｈ；Ｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｅｕａｔｉｏｎ ｇｙｑｙ
第３高 原 气 象０卷 第４期Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．４
，２０１１年８月０１１Ａｕｕｓｔ２ｇＰＬＡＴＥＡＵ ＭＥＴＥＯＲＯＬＯＧＹ］（）：张志强，刘黎平．相控阵技术在天气雷达中的初步应用［Ｊ．高原气象，２０１１，３０４１１０２－１１０７
相控阵技术在天气雷达中的初步应用
１
张志强１－３， 刘黎平
（１．中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室，北京 １０００８１；２中国科学院研究生院，北京 １０００４９；
）３．国家气象信息中心，北京 １０００８１
摘 要：由中国气象科学研究院国家灾害天气重点实验室与中国电子科技集团南京第１４研究所联合研制的Ｓ波段相控阵天气雷达采用宽波束发射多波束接收，从而很大程度上缩短了雷达扫描周期，但是由于相控阵天气雷达其波束宽度与增益不是定值，而是随着仰角发生变化，同时相控阵天气雷达采用了脉冲压缩技术，因此需要对Ｐｒｏｂｅｒｔ－Ｊｏｎｅｓ提出的经典雷达气象方程中的波束宽度和增益参量进行订正，才能运用到对相控阵天气雷达反射率因子的估算中。本文通过对相控阵天气雷达波束宽度与增益特性的分析，在经典雷达气象方程的基础上给出了有关相控阵天气雷达的雷达反射率计算方法，分区域给出了详细的反射率因子估算参数，并在此基础上进行反射率的估算，为相控阵天气雷达的定标与定量测量提供理论基础。
关键词：相控阵气象雷达；雷达增益；波束宽度；雷达气象方程（）文章编号：１００００５３４２０１１０４１１０２０６Ｐ４０６－－－ 中图分类号：
文献标识码：Ａ
１ 引言
我国目前已经布网的新一代天气雷达大大提高］１－７
，但是由于了对灾害性天气的监测和预警能力［
新一代天气雷达受机械扫描体制的限制，造成扫描时间过长、采样层数过少等时空分辨率较低的缺陷。采用相控阵技术的天气雷达可以提高探测数据
８］
的时间分辨率，利用相控阵技术的天气雷达［可以
方程已经被广泛地运用在反射率算法中，这些算法用来从气象雷达采样信号中计算回波反射率。新一代天气雷达是采用机械扫描方式，而相控阵天气雷达采用的是相位扫描方式。对于相位扫描雷达来说其波束宽度和增益是随着仰角变化的，同时为了提高性能，相控阵天气雷达采用了脉冲压缩技术。这些内在的联系都影响着雷达的有效辐射功率、雷达可分辨单元的大小、雷达的平均返回功率以及反射率的估算。所以针对相控阵天气雷达对经典雷达气象方程的某些参数进行订正是很有必要的，由此可得到针对相控阵天气雷达的雷达气象方程参数。本文针对Ｓ波段相控阵天气雷达参数和扫描特性，将经典雷达气象方程应用到相控阵天气雷达中，得到相控阵雷达对云目标探测的雷达气象方程参数，为今后对该雷达的定标和定量测量提供必要的准备和理论依据。
使天气雷达的扫描时间从６ｍｉｎ减少至几十秒钟，也可以对多个区域同时观测，从而大大地提高了对龙卷风、暴雨等灾害性天气的预警能力，并且缩短了预报时间。２００６年，美国开始计划研制具有多功能的相控阵天气雷达（ＭｕｔｉｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎＰｈａｓｅｄ ｐ
［］１
，ＭＰ，其主要任务是进行强ＲａｄａｒＡＲ）９－１Ａｒｒａｙ
天气的监测、空中交通管制和服务于国家安全等。
我国目前有关相控阵天气雷达的研究尚处于起步阶段，由中国气象科学研究院与中国电子科技集团南京第１４研究所联合研制的Ｓ波段相控阵天气雷达正在进行出厂前的测试工作，如何实现相控阵雷达的定量测量，已成为当前首要解决的问题。由
［２］
在１Ｐｒｏｂｅｒｔ－Ｊｏｎｅｓ１９６２年提出的经典雷达气象
２ Ｓ波段相控阵天气雷达简介
由中国气象科学研究院研制的Ｓ波段相控阵天
气雷达天线采用波导窄边裂缝天线形式，以实现水平方向超低副瓣及在垂直方向形成相控阵多波束。
；改回日期：２０１００４１９２０１００６０１ 收稿日期：－－－－
（）气象）项目“相控阵天气雷达系统关键技术研究”资助ＧＹＨＹ（ＱＸ）２００７６２ 基金项目：公益性行业（－－
，男，北京人，博士生，主要从事天气雷达相关算法研究以及相关气象数据处理．１９８２－） 作者简介：张志强（
：ａｉｌｚｈｉｉａｎ８２＠ｃａｍｓ．ｃｍａ．ｏｖ．ｃｎ Ｅ－ｍｑｇｇ
４期张志强等：相控阵技术在天气雷达中的初步应用 １１０３
由３２根窄边开缝的波导行馈组成，每根波导上开８２个窄边缝，全阵共有３２×８２＝２６２４个裂缝单元。
／馈线系统由移相器、ＴＲ组件和功分器等组成，收发共用３２个组件。天线具体参数见表１。
表１ Ｓ波段相控阵参数
Ｔａｂｌｅ１ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈａｓｅｄａｒｒａｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒ ｐｙ
２．７～３．０ＧＨｚ 工作频率：
极化形式：水平极化
由３２根窄边开缝的波导行馈组成，每根波导上开８２个窄边缝，全阵共有３２×８２＝２６２４个裂缝单元
１．５７°±０．１５° 波束宽度：水平：
垂直：接收３．１２°±０．３°×４发射：８°±０．４°
，仰角方向同时４波束接收，覆盖空仰角扫描范围：０°５°～３
域为８°
）垂直波束宽度８Ｇ≥３４．４ｄＢ（° 天线增益：宽波束发射：
）接收：垂直波束宽度３．Ｇ≥３８．３ｄＢ（１２°
最大副瓣电平：水平收／发ＳＬＬ≤－３５ｄＢ
垂直接收 ＳＬＬ≤－２５ｄＢ
为脉冲宽度。
相对于常规天气雷达，相控阵天气雷达的波束
形状是随仰角而发生变化的，但其方向图仍近似满足高斯分布；又由于相控阵雷达天线采用幅度加权的方法，将副瓣电平控制在－２０ｄＢ以下，可以不用考虑副瓣的影响。因此Ｐｒｏｂｅｒｔ－Ｊｏｎｅｓ推导经典雷达气象方程时的假设对相控阵雷达仍然适用。经典雷达气象方程对相控阵天气雷达来说仍然适用。但是由于相控阵天气雷达的波束宽度和增益随着仰角发生变化，同时又由于脉压技术的运用，其脉压得益也是需要考虑的，因此需要对雷达气象方程中的波束宽度和增益量进行修正，才能运用到相
１１］
。控阵天气雷达反射率的估算中［
３．１ 相控阵雷达增益
对于相控阵天气雷达天线波束，由于采用相位
控制扫描，天线增益不再是固定不变，而是随着扫描角发生变化。取天线法向上的增益为Ｇ０，则任
１３］
：意方向上的天线增益Ｇ［
夹角，０° 工作状态时，阵面竖起与水平方向成８
为了提高扫描速度，发射时采用１个８宽波束，接°收时采用４个３．窄波束接收。在水平方向采用１２°机械扫描，这与Ｓ波段多普勒天气雷达一样；在垂直方向，采用相位控制扫描。相控阵天气雷达的这种扫描方式大大缩短了扫描时间，但是因为其扫描方式的不同，故在垂直方向上波束宽度不再是固定不变，而是随着仰角发生变化，增益也随着仰角而发生变化。同时，其收发波束的不同也造成收发增益的不同。因此需要在经典雷达气象方程的基础上，根据相控阵天气雷达的特征参数，得到适合相控阵天气雷达的反射率估算表达式。
０
Ｇ＝Ｇ０ｃｏｓθ，
λ
天线的发射增益为Ｇｔ，接收增益为Ｇｒ，则：
）
０
２
（）２
）
Ｇ＝Ｇｃｏｓθ，
）λ
２
０
Ｇｃｏｓθｔ＝Ｇｔ０ｔ，
λ
ｒ
ｒ０
ｒ
２
（）３（）４
式中：ＧＧｔ０为天线法向方向发射增益；ｒ０为天线法向方向接收增益；θｔ为发射波束与天线法向方向夹角；θｒ为接收波束与天线法向方向夹角。
当波束指向垂直于天线阵面时，天线增益最
大，随着波束指向角偏离阵面法线的角度越大，天线增益越小，到了±４时，增益减少了１．５°５１ｄＢ；到了±６时，增益减小了近３ｄ０°Ｂ。天线增益的降低会使雷达天线在整个观察范围内的发射信号功率分配极不均匀，因此需要对天线增益进行修正。３．２ 天线波束宽度
包括相控阵雷达在内的任何雷达增益有一个基本的表达式，即：
Ｄ＝，
ΩＢ
其中：ΩＢ为波束的立体角。 由于ΩＢＤ＝４π为一常数，则：
３ 相控阵天气雷达回波强度测量
ｒｏｂｅｒｔ－Ｊｏｎｅｓ 对于离散体目标Ｐ
典的雷达气象方程：
［１２］
提出的经
４
１０２４ｌｎ２２ ｒ
，Ｚ＝２３２ ２
）（）ＰｔｃＫ×｜｜λＧ（θτπββφ
（）１（）５
其中：ＰＰＧ为天线发ｒ为接收功率；ｔ为发射功率；射增益；Ｒ为目标距离雷达的距离；λ为天线波长；为垂ＬＬθａ为雷达系统损耗；ａ为大气传播损耗；β
２
直波束宽度；φ为水平波束宽度；｜Ｋ｜＝β
２２，８－１
；ｍ为复折射指数；ｃ＝３×１０ｍ·ｓτ２
ｍ＋２
θｕ０ｖ０φ０
θｕφｖ＝ｃｏｓθ
，
２
（）６
式中：θθｕ、ｖ分别为水平和垂直的波瓣宽度；ｕ０、φ
１１０４
高 原 气 象 ３０卷
波束垂直方向与天线法线方向的夹角。３．５ 相控阵天气雷达探测强度补偿
宽波束，° 由于相控阵天气雷达在发射时采用８
其同一个宽波束内能流密度相差是很大的，如果波束宽度内增益都按同一个值来估算反射率，必然造成反射率估算的误差。而且其接收时是采用４个窄波束进行接收，３．１２°４个接收波束的特性也是不同的。上面推导的相控阵雷达气象方程只考虑了不同宽波束间的增益与波束宽度的变化情况，并没有考虑同一个宽波束中收发增益的变化情况，下面分情况讨论。把宽波束分成４个区域，如图１ａ所示，接收情况如图１ｂ所示
。
θｖ０分别为天线法线方向水平和垂直的波瓣宽度；φ
为发射波束与天线法向的夹角。３．３ 脉冲压缩
对于相控阵天气雷达，增加脉冲宽度可以增大作用距离，但是脉冲宽度的增加会使距离分辨率变差，影响测距精度。一个有效的方法就是采用脉冲
１４］
。脉冲压缩的工作原理是：采用宽脉压缩技术［
冲发射，以提高发射机的平均功率，保证雷达的最大作用距离。接收时利用脉冲压缩技术，获得窄脉冲，从而提高距离分辨率。因而脉冲压缩技术是解决作用距离与距离分辨率之间矛盾的一种有效办法。
脉压技术采用相干累计技术，当采用宽脉冲发
射，脉冲宽度增加了Ｎ倍，返回信号的功率增加了
Ｎ２倍，等效于发射功率增加了Ｎ２倍，它相当于把一个扩大了Ｎ倍的宽脉冲分成Ｎ个小块连续发射，其取样体并没有随着脉冲宽度的增大而增大，仍和原窄脉冲的取样体积相同，因此其分辨率也没有发生减小。在此引入脉压得益ＧＰ来衡量由于采用脉冲压缩技术所带来的雷达性能的改善。脉冲宽度ω取脉冲压缩后的脉冲宽度时，脉压得益ＧＰ＝
图１ 天线波束示意图
（）发射波束，（）接收波束ａｂ
Ｆｉ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｂｅａｍｏｆａｎｔｅｎｎａ． ｇｇ
（））ａｔｒａｎｓｍｉｔｂｅａｍ，（ｂｒｅｃｅｉｖｉｎｂｅａｍ ｇ
Ｎ２，相当于脉冲宽度减小了Ｎ倍，发射功率增加
了Ｎ２倍，则雷达性能提高了Ｎ倍。３．４ 相控阵雷达的雷达气象方程
相控阵天气雷达的雷达气象方程是在上述讨论的基础上得到的，考虑到相控阵天气雷达在收发增益上的不同以及水平上采用机械扫描，垂直方向上采用相位控制扫描，分别考虑脉压得益、波束宽度与收发增益的变化以及收发端的系统损耗，将式（）、（）、（）），整理得：带入式（３４６１
４
０
Ｚ＝２（）３２
λτπ｜Ｋ｜０ｃ
下面先考虑天线的波束情况，阵面竖起与水平，对于发射夹角，其扫描范围为０方向成８０°°５°～３宽波束中心有５个发射角：２，１０，１８，２６，３４，４个，，，发射角与天线法向方向所成夹角为－８°０°８°，，每个发射角又分为４个区域，因此把相控１６°２４°以２为区间分为１阵天气雷达扫描范围０°５°°８个～３，分别对其进行发射增益Ｇ区域（图２）ｔ、接收增益补偿，具体见式（）（）
Ｇ８～１０。ｒ和波束宽度
θｕｖφ
］ｃｏｓｒ
θｕ０ｖ０φ）
ＬＰｒａ２
，（）７４Ｒｆｆ０
·
ＬＬｓｓｔｒ
ＧｐＧｔｃｏｓＧｒｃｏｓθθｐｔ０ｔ０ｒ
］］
８－１
；式中：ｃ＝３×１０ｍ·ｓτ为脉压后的脉冲宽度；
Ｂ波束宽θｕ０、ｖ０分别为接收波束水平和垂直的３ｄφ
度；ＰＧＰ为脉压得益；Ｐｔ为发射功率；ｒ为接收机
输出功率；θｒ为接收波束方向与天线法线的夹角；
Ｇθｔ为发射波束方向与天线法线的夹角；ｔ０为天线法向方向发射增益；ＧＲｒ０为天线法向方向接收增益；为目标距离雷达的距离；ＬＬｓｔ、ｓｒ分别为雷达发射 和接收的系统损耗；Ｌａ为大气传播损耗。
由于相控阵天气雷达在水平上是采用机械扫描，垂直上采用相位控制扫描，因此θθｒ、ｔ分别为
图２ 扫描区间示意图
Ｆｉ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｒａｍｏｆｓｃａｎｉｎｔｅｒｖａｌ ｇｇ
Ｇｃｏｓθｔ＝Ｇｔ０ｔ，
Ｇｃｏｓθｒ＝Ｇｒ０ｒ，（）８
（）９
４期张志强等：相控阵技术在天气雷达中的初步应用 １１０５
ｒ
，＝
θθｕｖｕ０ｖ０φφ
（）１０
的宽波束，而同一个波° 由于发射波束是一个８
束内部增益的变化是很大的，假设在波束内部增益是按高斯递减的。如图１ａ所示，假设波束法向方向增益为Ｇ０，取同每个区域中线方向的增益为该区域的增益，则４个区域的增益分别为０．６８Ｇ０，０．８８Ｇ０，０．８８Ｇ０，０．６８Ｇ０．
，最终１１） 将相控阵天气雷达各参数带入方程（得到相控阵雷达气象方程：
式中：分别为天线发射增益补偿角、天线θθθｔ、ｒ、φ接收增益补偿角、天线波束宽度补偿角，３个角度都为与天线法线方向之间的夹角，由于天线只在垂直方向进行相位控制扫描，因此只考虑波束垂直方向与天线法向的夹角。
考虑到发射、接收以及波束宽度的波束补偿
）角，将式（化简得：７
４
１０２４ｌｎ２０
Ｚ＝Ｒ２（）３２
λτπ｜Ｋ｜０ｃ
２
Ｚｄ３７＋２０ｌｏＲ＋１０ｌｏＰ０ｌｏＬＬｓＬａｇｇｇＢｚ＝１ｒ＋１ｓｔｒ
（／（０ｌｏ０ｌｏＧｐ）－４－１ｇｇｆｆ０）ｏｍ＋Ｃｐ ．
（）１２
式中：Ｒ为距离；Ｐ１０ｌｏＬＬｓＬａ为ｇｒ为接收功率；ｓｔｒ
）
ＬＬ）·１１ ．（／（ｃｏｓＰＧＧＧ］θ）ｆｆ）］
ｓｔｓｒ ｐ
ａ
ｒ
ｔ
ｒ０ｔ０
０
４
］θｕ０ｖ０φ
ｔ
表２ 增益修正项随仰角变化
ａｉｎＴａｂｌｅ２ Ｃｈａｎｅｏｆｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｅｌｅｖａｔｉｏｎ ｇｇ
扫描区间／°补偿／ｄＢ 扫描区间／°补偿／ｄＢ
０～２ ０．６０５ １８～
２０ ０．６０５
２～４ ０．５８５ ２０～２２ １．７５５
４～６ １．６９１ ２２～２４ １．７８８
６～８ １．６８１ ２４～２６ ０．７０５
８～１０ ０．５５６ ２６～２８ ０．７４５
１０～１２ ０．５５６ ２８～３０ １．９１５
１２～４ １．６８１ ３０～３２ １．７０５
１４～１６ １．６９１ ３２～３４ ０．９１５
１６～１８０．５８５３４～３６０．９８５
图３ ２００９年７月７日１２：４６相控阵天气雷达观测
（））））未进行波束补偿，（进行波束补偿，（未进行波束补偿，（进行波束补偿，ａ１°ｂ１°ｃ２．５°ｄ２．５°
（））未进行波束补偿，（进行波束补偿ｅ４°ｆ４°
），Ｆｉ．３ Ｒｅａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｈａｓｅｄａｒｒａｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒａｔ１２：４６ｏｎ７Ｊｕｌ２００９．（ａ１°ＰＰＩｂｅｆｏｒｅｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎ ｇｐｙｙｐ
（），（），（），ｂ１°ＰＰＩａｆｔｅｒｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎｃ２．５°ＰＰＩｂｅｆｏｒｅｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎｄ２．５°ＰＰＩａｆｔｅｒｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｐｐ
（），（）ｅ４°ＰＰＩｂｅｆｏｒｅｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎｆ４°ＰＰＩａｆｔｅｒｃｏｍｅｎｓａｔｉｏｎ ｐｐ
１１０６
高 原 气 象 ３０卷
加雷达的作用距离和保持高分辨率，采用了脉冲压缩技术。因此需要根据相控阵天气雷达的参数特性，以Ｐｒｏｂｅｒｔ－Ｊｏｎｅｓ经典雷达气象方程为基础，得到适合相控阵天气雷达的雷达估算参数，并以此为依据进行相控阵天气雷达的反射率估算。）２４所联合研制的 （ 中国气象科学研究院与１
相控阵天气雷达，发射时采用１个８宽波束发射，°接收时采用４个３．的窄波束进行接收。在发射１２°时宽波束内的增益情况是不同的，接收时４个窄波束的情况也是不同的。
）３ （ 根据相控阵雷达的扫描特性，在之前得出的经典雷达气象方程的基础上，给出了相控阵天气雷达的雷达气象方程简化式，并简单分析了不同区域相控阵天气雷达的探测差异，对相控阵天气雷达一次测试数据进行了补偿。
由于相控阵天气雷达还处于测试阶段，本文只是针对该雷达测量的初步应用，究竟如何衡量相控阵天气雷达探测数据的准确性，以及确定一种衡量相控阵天气雷达性能的方法是今后要解决的问题。参考文献
［］１ 俞小鼎，王迎春，陈明轩，等．新一代天气雷达与强对流天气
］（）：预警［Ｊ．高原气象，２００５，２４３７５３－７６１．
［］２ＯＩＱＣ技术在雷达反演ＶＡＤ廓线资料退模 朱立娟，龚建东．
］（）：糊中的应用研究［Ｊ．高原气象，２００６，２５５８６２－８６９．［］３Ｘ波段双偏振多普勒天气雷达 马学谦，董万胜，楚荣忠，等．
］）：降雨估算试验［Ｊ．高原气象，２００８，２７（２３８２－３９１．［］４ 杨毅，邱崇践，龚建东，等．同化多普勒雷达风资料的两种方
］（）：法比较［Ｊ．高原气象，２００７，２６３２４７－２５６．
［］５ 杨毅，邱崇践．利用多普勒雷达资料分析一次强降水的中尺
］（）：度流场［Ｊ．高原气象，２００６，２５５９２５－９３１．
［］６２００８年８月１～２日滁州大暴雨双多普勒雷达三维风 周海光．
］（）：场反演的初步结果［Ｊ．高原气象，２００９，２８６１４２２－１４３３．［］７ 段云霞，邵爱梅，杨毅．利用双多普勒雷达资料对一次台风流
］（）：场结构分析［Ｊ．高原气象，２０１０，２９１１８７－１９６．［］８ｅｓｌｉｅＲＬ．ＴｈｅＵ．Ｓ．ｎａｔｉｏｎａｌｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｔｅｓｔｂｅｄ（ｈａｓｅｄ Ｌ ｐ
）：，Ｐｏｔｅｎｔｉａｌｉｍａｃｔｏｎａｖｉａｔｉｏｎ［Ｃ］．Ｐｒｅｒｉｎｔｓ３１ｓｔＩｎａｒｒａ －ｐｐｙｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＲａｄａｒＭｅｔｅｏｒｏｌｏ．ＡｍｅｒｉｃＭｅｔｅｏ －ｇｙ，ｒｏｌｏＳｏｃ２００３：２５－２６．
［］９ｏｕｌａｓＥＦ，ＪａｍｅｓＦＫ，ＤｕｓａｎＳＺ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｒｅｓｓｒｅｏｒｔｏｎ Ｄ ｇｇｐ
）［ｔｈｅｎａｔｉｏｎａｌｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｔｅｓｔｅｄ（ｈａｓｅｄａｒｒａＣ］．２１ｓｔＩｎ － －ｐｙ
（损耗补偿项；为脉压得益项，它是用来衡１０ｌｏＧｐ）ｇ量脉冲压缩带来的雷达性能的改善。假设雷达的脉，此时的τ压比为１２８，则脉压得益项的值为４２ｄＢｚ／为脉压后的脉冲宽度，其值为宽脉冲宽度的１１２８，。因此实际的脉压得益值应为２１ｄＢｚＣｏｍｐ为增益修正项，是由波束偏离天线法向造成的增益改变以及同一个宽波束内部增益的改变组成。
８个区域，其增益修正项的值 把俯仰上分为１
如表２所示。
从得到的相控阵雷达气象方程知，在整个扫描区间的边缘，随着波束偏离天线法向，造成波束宽度的展宽及增益的减少，扫描强度相对于中心波束是偏弱的。同时，目标物距离雷达越远，造成取样体积的加大，导致扫描值明显偏弱，必然会造成一些小尺度的强对流回波探测的缺失。
３．６ 相控阵天气雷达初步探测结果
针对上述分析，得到了一次相控阵天气雷达实际观测结果，图３为２００９年７月７日１２：４６相控阵天气雷达在南京试验场的初步观测结果。由于雷达还在测试阶段，得到的只是一个测试数据。此次观测中，采用脉冲压缩，脉压比为１２８，雷达水平转，共取得了３个仰角的有效数动范围为１３５°１５°～３
，，。由于相控阵天气雷达相据，分别为１°２．５°４°位控制扫描的特点，完成３层扫描只用了几十秒，大大缩短了扫描时间。根据波束偏离天线法向方向，，的不同对得到的数据进行补偿，其中图３ａｃｅ分别为采用宽脉冲宽度，未考虑脉压得益以及波束补，，，偿计算１对应的反射率结果；图３°２．５°４°ｂ，ｄｆ
是采用脉压后的窄脉宽，考虑脉压得益、波束宽度，，和增益的变化计算１的反射率结果。可°２．５°４°
以看出，在补偿前，回波值的强度过强，考虑到脉冲压缩对雷达性能的影响，计算其脉压得益项为２１。同时由于此次观测时天线水平放置，根据天ｄＢｚ
线偏离法向的不同，其不同仰角的补偿情况是不同的。经过补偿后，回波值域在一个正常的范围，与当时观测的降水情况一致。此次观测仅仅是一次测试，获得的数据有限，该相控阵天气雷达探测的准确性还需要进一步研究。
４ 小结
）１ （ 对于相控阵天气雷达，由于其采用相位
控制雷达扫描波束，其波束宽度不再像常规雷达一样保持不变，而是随着仰角发生变化的。由于其波束宽度的变化，雷达增益也发生变化。同时为了增
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＩｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＰｒｏｃｅｓｓ －）：Ａｍ，ｉｎＳｓｔｅｍ（ＩＩＰＳ．ＳａｎＤｉｅｏｅｒｉｃＭｅｔｅｏｒｏｌｏＳｏｃ２００５． ｇｙｇ ［］Ｄ１０ｏｕｌａｓＥＦ，ＪａｍｅｓＦＫ，ＤｕｓａｎＳＺ，ｅｔａｌ．Ｕｄａｔｅｏｎｔｈｅｎａ －ｇｐ
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１－３１
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