双偏振气象雷达关键技术

李少远 阮楚雯 邓利科

摘 要偏振雷达是一种新型的天气雷达，该设备极大地促进了降水物理学科和雷达气象的发展，提升了人类应用天气灾害的能力。本文对当前偏振雷达的发展现状进行了全面的总结与分析，对相关的关键技术进行了介绍，报告如下。

【关键词】关键技术 双偏振气象雷达 技术分析

电磁波具有偏振特性、强度特性两方面的特征。其偏振状态的表示通常为垂直于传播方向的电场矢量在平面内的变化轨迹。椭圆轨迹为椭圆偏振波、圆形波轨迹为为圆偏振波，线形轨迹为线偏振波。偏振雷达的应用原理在于电磁波散射，在不计传输介质的情况下，特定偏振电磁波在球形散射体的作用下仍然只形成单一偏振电磁波，不存在退偏振效应。非球形粒子所产生的主分量能够与后向散射电磁波相对冲，形成差异性的正交分量，能够对偏离球形状态给予准确的反映，该过程也就是退偏振效应。水成物粒子在云内并不是规范的球体，在空间分布上水成物粒子的轴具有一定的优势取向，通过该特性可以进一步研究偏振技术，偏振气象雷达由此产生。

1 圆偏振雷达技术

根据旋向的不同，圆偏振波可以分别左旋、右旋两种偏振波，能够实现左旋、右旋偏振波均同时发射与接收的雷达即双圆偏振雷达。圆偏振波在理论在能够分解为两个相位相差90°、角频率相同、大小相等的线偏振波。圆偏振雷达的接收到发射也基于圆偏振波的这一原理。通常情况下，圆偏振波有两个独立正交通道，发射波可以在功分器的作用下被分成大小相等的两路信号，通过两个通道分别进行传送。在相移器的作用下能够将其中一个通道进行相位延迟处理，经过合成以后形成圆偏振波。在相位关大于0°、小于90°的情况下会形成椭圆偏振波。在通道信号无相位差的情况下形成线偏振波。线偏振与圆偏振均在两种极端情况下的偏振波。

一般情况下，圆偏振雷达能够同时发射左旋、右旋两种偏振波，这也是圆偏振雷达的基本特性之一。雷达普遍由两个接收机、一个相移器和一个发射机所组成，对于接收机的灵敏度与稳定性有着比较高的要求。在对一种圆偏振波进行发射性，两个通道同对目标后向散射回波进行接收与探测，根据回波信号相位与幅度两方面的变化情况，能够对左旋、右旋圆分量进行计算，其中一个通道能够对相反于发射回波旋向的主圆回波进行接收，另一个通道能够对相同于发射波旋向的正交回波进行接收，二者之间的比值即目标圆退偏振比，能够对其变形程度给予准确的反映。圆退偏振比如受探测目标密度与变形大小的影响，不空空间取向的影响，该特性也是圆偏振雷达与线偏振雷达之间最主要的区别。

2 双线偏振雷达技术

双线偏振雷达是所有偏振雷达中发展速度最快的一种技术，在技术应用方面的门槛相对较低，将偏振功能设置于常规雷达上相对比较容易，这也是该技术得到广泛应用的主要原因。

双线偏振雷达具有垂直与水平两个通道，能够交替、同时对垂直和水平两种线偏振波进行接收与发射。其应用制式主要有两种，其中一种是在运行状态下能够对算起与水平两种信号进行同时的接收到发射，水平与垂直两种回波信号之比即差反射率，该数值能够将球形与探测目标的偏离程度进行反映，同时也能够体现出垂直与水平两种方向的优势取向。在单纯发射水平线偏振波的情况下，能够对回波的正交分量与水平线偏振进行分别的接收，回波水平线偏振分量与正交分量之间的比值的对数即LDR，为了提高LDR的准确性还需要提升接收机灵敏度并且通道之间具有比较大的隔离度。PDR所反映的指标分别为探测目标的成分、倾斜角分布以及形状。双线偏振雷达，具有两个接收机与发射机，造价相对昂贵，能够实现双通道之间比较高的隔离度，具有较优越的偏振性能，相关性好，能够对ρHV，φdp、Zdr等数值进行准确的测定。另外一种制式设置有一个接收机与发射机，在运行状态下能够以脉冲触发时间交替对垂直与水平两种线偏振波进行接收与发射。然而在LDR、φdp、LDR等方面的相关性稍差，具有频率较高的急性脉冲。双线偏振雷达造价低，内部结构相对简单，能够以常规雷达为基础进行简单的改装。此制式十分适宜应用于双线偏振技术开始发展的阶段。国内偏振雷达的改造也以这种技术为主，相比于普通雷达来说，增加了LDR与Zdr两种信息。在雨介质环境下，LDR与Zdr两项数值会出现衰减，需要进行纠正，同时也对该技术的应用范围造成了一定的限制。也有一类由两个接收机与一个发射机所组成的偏振雷达，能够实现垂直与水平两种直线偏振波的交替发射，而正交分量与回波的接收需要由两台接收机同时进行。

3 椭圆偏振雷达技术

椭圆偏振雷达技术在应用特性上介于线偏振与圆偏振之间。其技术实现方式与探测原理类似于圆偏振雷达，应用场景比较局限。该雷达技术一方面能够计算出椭圆退偏振比，同时也能够计算出线、圆退偏振比LDR与CDR信息，由于具有比较高的灵敏度，能够对-30dBz的信号进行探测，主要应用于处于初始发展状态下的弱降水云。进而达到7.5～150m区域内的空间距离，在较小范围内对云的变化情况进行观测。椭圆偏振雷达也具有双通道，通道之间可达到-30dB的隔离度水平，只要粒子接近球形，就能够没出其退偏振效应。

椭圆偏振雷达还内置了一个phase retarding plate，对其进行旋转操作就能够对两通道信号相位差进行调整，结合两路信号，最终形成椭圆偏振波。根据不同的相位差，所得到的椭圆偏振波也各不相同。在90°相位差的状态下，即得到圆偏振波；在该数值为0时则得到线偏振波。该特性也决定了椭圆偏振雷达能够同时得到LDR与CDR两项数值。

4 结束语

偏振雷达由于在大气电研究、降水物理与云物理等方面具有巨大的应用潜力与优势的性能，成为气象领域十分关注的一项重要技术。因此，相关部门一定要进一步加大研发力度，提高气象雷达技术应用水平。

参考文献

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作者简介

李少远（1989-），男，广东省清远市人。助理工程师，学士，主要从事天气预警预报服务工作。

作者单位

连州市气象局 广东省清远市 513400