日本气象雷达发展特点及技术现状分析

练学辉，彭 芃

(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室，南京 210003；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

日本气象雷达发展特点及技术现状分析

练学辉1，彭 芃2

(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室，南京 210003；2.中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京 211153)

介绍了日本气象雷达的发展历史和特点,讨论了日本气象雷达的技术发展,包括固态气象雷达、相控阵气象雷达和双极化相控阵气象雷达等,其中相控阵气象雷达具有功能多、机动性强、反应时间短、数据率高、抗干扰能力强、可靠性高等特点,是日本气象雷达的重要发展方向。

气象雷达;相控阵;双极化;技术发展

0 引 言

气象雷达在与雨量相关的气象测量以及降低损害和减少人员伤亡方面起着非常重要的作用。异常气候导致的暴风雨、龙卷风和狂风等自然灾害天气现象将对人类活动造成严重的直接和间接破坏和影响。日本是岛国,属于海洋性气候,受太平洋季风和洋流的影响较大,气候变化十分复杂,天气非常恶劣。因此,日本更加迫切地需要关注和持续推进气象雷达的发展。随着电气技术和信号处理技术的发展,其气象雷达技术得到迅速发展和持续改进。现代气象雷达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、湍流和鸟类等危险目标进行有效探测和预警。本文介绍日本气象雷达的技术发展历史和特点,重点讨论日本固态气象雷达(SSWR)、相控阵气象雷达(PAWR)和双极化相控阵气象雷达(DP-PAWR)等典型主要新型气象雷达的特点与技术。

1 技术发展历史和特点

日本气象雷达技术发展历史的重要阶段主要从上世纪50年代起,其主要阶段和特点如下:

(1) 第1阶段(大约在20世纪50年代)

该阶段气象雷达的功能是只能告知某区域是否下雨，其技术体制为采用磁控管发射的模拟雷达。磁控管是雷达的核心部件,也是一个容易损坏或老化的部件,具有体积小、质量轻、成本低、工作电压低,以及电源简单、不相参、适应负载变化能力强等特点,主要用于雷达、通讯、电子对抗等方面。

(2) 第2阶段(大约在20世纪70年代)

该阶段气象雷达的功能是通过测量降雨区域和降雨率实现降雨量估计,但通过测量估计的降雨率的可靠性低,而且这种雷达不提供风的信息。

(3) 第3阶段(大约在20世纪90年代)

该阶段的技术发展分为两个不同的方向,即多普勒雷达和双极化雷达。此外,这一时期发射机技术的主流开始从磁控管转换为速调管。速调管是一种靠周期性地调制电子注的速度来实现放大或振荡功能的微波电子管,具有结构简单、工作可靠、体积小、质量轻、电压低、相参、抗辐射能力强等特点。

(4) 第4阶段(2000～2010年)

该阶段在集成多普勒雷达和双极化雷达设计技术的同时开发了相控阵气象雷达,主要用于观测对流云,包括短时间内形成的积雨云。

(5) 第5阶段(目前)

目前正在开发的是双极化相控阵(多普勒)气象雷达(DP-PAWR),用于得到高空时分辨率双极化信息,将是日本下一代气象雷达。

2 日本典型气象雷达及其技术现状

日本的典型气象雷达主要有SSWR、PAWR、DP-PAWR等,其中SSWR配备的半导体发射机采用双极化能力,性能稳定,适用于精确降雨观测。与速调管或磁控管相比,这种半导体发射机更精确、更稳健,全寿命周期成本更低,停机时间更少,占有频谱更少。日本的雷达网络已经安装了多部SSWR雷达,目前正在扩展海上应用。PAWR是一种先进的气象雷达,适用于观测对流云高空时的分辨率。这种雷达能在1 min内进行全立体扫描,而传统抛物线天线雷达的扫描时间要超过5 min。一些PAWR已经在日本安装并服役,而开发的DP-PAWR是最先进的双极化气象雷达,用于对气象进行快速、可靠观测,弥补目前单极化PAWR的缺点。

2.1 固态气象雷达(SSWR)

与电子管雷达系统相比,SSWR雷达原先采用的固态发射机发射功率低,而且这种固态发射机只用于更小型化的系统。20世纪90年代末,采用GaAs和GaN FET增加了每个微波半导体的功率输出。甚至在采用高功率微波半导体作为功率放大器元器件后,峰值功率还是不够高,不能用于气象观测。为了解决这个问题,采用了脉冲压缩技术。然而,使用长的发射波形和脉冲压缩造成了距离副瓣增加的问题。日本东芝公司(Toshiba)克服了这些困难,SSWR因其脉冲形成能力受用户欢迎。这种脉冲形成能力可以对实际使用带宽进行精确控制。目前,基于固态发射机的气象雷达得到了广泛应用。

Toshiba公司于2007年开发和安装了首部SSWR。安装在日本气象厅——气象研究所(MRI)的SSWR是首部在日本使用的C波段SSWR系统。该雷达采用双极化固态发射机对降雨进行高精度观测。2010年在日本国土基础设施运输和旅游部(MLIT)管理下安装的SSWR是首部在日本使用的操控型SSWR。另外,与传统雷达相比,该雷达的尺寸和全周期成本已经大幅降低。到2014年7月为止,Toshiba公司已经生产和安装了20多套SSWR。

2.2 C波段SSWR雷达[1]

MRI的C波段SSWR雷达如图2所示。与传统气象雷达相比,其发射机的尺寸大约减少了一半(基于Toshiba公司的产品)。该雷达的主要技术规格见表1。C波段SSWR雷达配备小型高性能数字信号处理器，能进行大范围、高精度观测,发射功率低。

图2 位于Tsukuba的C波段SSWR雷达

除了C波段SSWR雷达,Toshiba公司还生产类似的产品交付给MLIT和日本海洋科学技术中心(JAMSTEC)。Toshiba公司标准C波段SSWR如图3所示,其技术规格见表2。发射机架减少为一个发射机架,而且发射机能升级为高功率发射机(采用两个功率放大器),雷达系统未发生重大变化。

表1 C波段SSWR雷达技术规格

图3 MLIT采用的标准C波段SSWR雷达模型

表2 标准C波段SSWR技术规格

2.3 X波段SSWR雷达[2]

安装在MLIT的首部采用X波段固态发射机的气象雷达如图4所示,其技术规格见表3。钢塔顶部的天线罩内主要元器件结构紧凑,质量轻。因此,通过最小化波导长度,无线电波的衰减大幅降低,这样雷达就能进行小功率观测。与传统气象雷达相比,该雷达的尺寸减少了大约四分之一(基于Toshiba公司的产品),其功耗也减少了大约十分之一(基于Toshiba的产品)。该雷达用于MLIT XRAIN X波段雷达网络。

图4 安装在MLIT的X波段SSWR雷达

表3 安装在MLIT的X波段SSWR技术规格

2.4 相控阵气象雷达(PAWR)[3]

恶劣的天气现象如暴风雨、狂风和龙卷风等主要是由积雨云的快速积累造成的。这种积雨云能累积超过到10 km。通常,积雨云的生命周期是10～30 min。然而,传统的抛物线天线气象雷达系统全立体扫描大约需要5～10 min,用于观测积雨云的三维结构在时空分辨率方面的能力是不够的。为了实现积雨云三维精确观测,要求气象雷达能够在1 min内进行全立体气象观测。

Toshiba最新开发的X波段PAWR(如图5所示)具有在1 min内观测积雨云的能力。PAWR已经安装在日本大阪大学,其128个缝隙阵列天线和采用的数字波束形成(DBF)技术能同时产生多种垂直波束,仰角范围为0°～90°。PAWR天线的方位角采用机械驱动,而仰角则是电子扫描。对仰角来说,采用DBF技术形成的发射波束为扇形波束,接收波束为多波束。天线的倾斜角设置为仰角30°,通过时分无线电波在-30°～+60°范围内进行发射和接收,用于仰角0°～90°的无间隙观测。PAWR的主要特点是在10～30 s内进行各个波束间无间隙密集3D立体扫描。

图5 安装在大阪大学校园的X波段PAWR雷达

PAWR的主要技术规格见表4。该系统有两个观测模式,一个是“快速模式”,可以在10 s内半径为20 km范围进行全立体扫描更新;另一种是“大范围模式”,可以在30 s内观测半径为60 km的范围进行全立体扫描更新。与传统抛物线天线气象雷达相比,“大范围模式”下的PAWR有100个仰角,数量是传统雷达10倍多;扫描时间减少为30 s,而传统雷达扫描需要5 min。PAWR的性能提高了100倍。“快速模式”下典型观测距离如图6所示。PAWR与传统雷达的比较如图7所示。

表4 X波段PAWR雷达技术规格

图6 “快速模式”下典型观测距离

(a)传统气象雷达 (b) 有源相控阵气象雷达

PAWR使用的有源相控阵天线如图8所示,由孔径长度为2 m×2 m的128个缝隙天线组成。该天线有发射和接收单元、DBF单元以及位于天线后部的一些单元。每个收发单元或接收单元的发射或接收能力达到8 ch。该雷达发射能达到24 ch,采用3个收发单元;接收能达到128 ch,采用13个接收单元。

图8 X波段PAWR天线

DBF单元具有处理128 ch同步A/D转换和I/Q探测的能力,而且至少具有60 dB的动态范围。DBF单元能同时处理16个波束,方位波束宽度大约为1°,副瓣小于-23 dB。通过使用24个单元(24个缝隙),仰角波束宽度大约为4°(发射)。通过采用DBF技术,仰角波束宽度大约为1°～1.2°(接收)。

相控阵天线雷达实测结果三维图像如图9所示。一个积雨云回波大约为垂直3 km、水平8 km。PAWR可以每隔30 s或更少时间内观测到气象的变化。

2.5 双极化相控阵气象雷达(DP-PAWR)[4]

近年来要求气象雷达具有高精度观测、双极化和相控阵的能力。Toshiba公司已经开发了高精度双极化SSWR和高速PAWR。

图9 相控阵天线雷达实测结果三维图像

目前,Toshiba公司开始进行双极化和相控阵两种功能相结合雷达的开发工作。这项研究是与日本国家信息与通信技术研究所(NICT)和日本大阪大学共同合作完成。NICT研究使用多部雷达的同步技术,而日本大阪大学开发数字波束形成的信号处理方法,Toshiba公司负责系统设计和设备生产。

Toshiba公司尝试通过使用高集成电路提供低成本雷达系统。如图10所示,生产2D相控阵雷达需要128×128个通道,这样系统就需要10 000个通道或更多通道。那样的话,即使采用传统高集成模块也许能降低每个通道的成本,但整个雷达系统可能就变得非常昂贵。因此,为了实现双极化相控阵雷达,每个通道的成本应该大幅降低。

图10 1D相控阵向2D相控阵雷达的转换

与PAWR相比,DP-PAWR面临的技术挑战有:(1)宽波束扫描范围内具有良好交叉极化特点的双极化天线;(2)由于双通道密度原因,与单极化雷达相比,DP-PAWR需要能实现更低成本、更小尺寸、更低功耗的技术。

DP-PAWR的特点之一是可以灵活改变天线孔径面积和形式,且方位方向可以进行电扫。这是PAWR所不具备的。PAWR的最小天线单元的尺寸等于天线孔径的尺寸,但DP-PAWR雷达的最小天线单元比天线孔径的尺寸更小。因为这个特点,DP-PAWR用来改变雷达天线尺寸的成本和时间显著降低。

3 未来研究的展望

目前,相控阵雷达已经得到广泛的应用,相控阵技术也比较成熟了,但在气象上的应用还处于初级阶段。相控阵雷达在气象探测中主要是对体目标的探测,而在军事上应用主要是针对点目标。虽然天气雷达在气象上的应用理论和实际经验比较成熟,各种算法和扫描方式已经广泛应用在现代气象雷达上,相控阵应用于气象领域在理论上有较好的基础,但相控阵雷达在气象上的使用时间较短,积累较少。这就需要构建在大气探测上应用的一维、二维相控阵天气雷达试验系统,研究探测模式、扫描方式、算法,积累探测数据。这主要包括以下几个研究方向:(1)相控阵天气雷达技术条件研究;(2)相控阵天气雷达总体技术研究;(3)相控阵天气雷达探测方法研究。这样的研究,一方面为相控阵天气雷达的开发提供技术规范,另一方面为相控阵天气雷达的应用提供理论基础。

4 结束语

相控阵雷达具有功能多、反应时间短、数据率高、抗干扰能力强、任务可靠性高等特点,远远优越于一般机械扫描雷达,是今后气象雷达的重要发展方向之一。相控阵气象雷达以其高时空分辨率的探测能力,以及高实时性探测和准确的探测数据将成为气象探测雷达领域的一个热点。Toshiba公司将继续与日本国家信息与通信技术研究所(NICT)和日本大阪大学共同合作研究新的能够形成自适应天线方向图的信号处理技术、数据归档以及“大数据”和3D可视化分析。

[1] Mizutani F, Wada M, Muto R, Horikomi J. Development of 9 GHz and Solid-state Multi-parameter Weather Radar[D]. IEICE Technical Report, Sane 2008-85, 2008.11.

[2] Tomoo Ushio, Shigeharu Shimamura, Ting Wu, Hiroshi Kikuchi, Eiichi Yoshikawa. Development and Observation of the Phased Array Radar at X band[J]. IEEE, 2014.

[3] Naoki Anraku, Mizutani F, Wada M, Hironori Handa, Tomoo Ushio, Shinsuke Satoh. Development of Phased-array Weather Radar System for 3D Observation of Cumulonimbus Clouds,2013.

[4] Mizutani F, Wada M, Marui H, Handa H, Ushio T, Satoh S, Iguchi T. Development of Active Phased Array Weather Radar[J]. WMO Tecocimo,2012(10).

Analysis on technical status and development characteristics of Japanese weather radars

LIAN Xue-hui1, PENG Peng2

(1. Military Representatives Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003; 2.No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

The development history and characteristics as well as the technical development of Japanese weather radars are introduced and discussed, including the solid-state weather radar, the phased array weather radar, and the dual polarization phased array weather radar. The phased array weather radar is a significant development direction for Japanese weather radars, featuring various functions, strong maneuverability and anti-jamming capability, short response time, and high data rate and reliability.

weather radar; phased array; dual polarization; technical development

2017-03-08;

2017-03-20

练学辉(1965-)，男，高级工程师，研究方向：雷达总体技术；彭芃(1983-),女,工程师,研究方向:科技情报及翻译。

TN959.4

A

1009-0401(2017)02-0005-05