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多功能相控阵雷达对天气监测系统技术介绍

来源：花匠小妙招时间：2024-10-11 06:05

多功能相控阵雷达（MPAR）项目的建立是为了展示使用单个相控阵天气雷达同时执行飞机跟踪、风廓线和天气监测的潜力。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的国家天气雷达试验台（NWRT）是1970年代建造的美国海军相控阵雷达（PAR），现在在俄克拉荷马州诺曼市进行了积极的测试和评估。

气象雷达的未来在于相控阵技术，具有先进的多功能能力和性能。多功能相控阵雷达扫描大气的速度比现有雷达快五倍以上，对许多雷达用户来说具有巨大的前景。

雷达数据对于恶劣天气预报和警告、气象研究、登陆飓风应急管理、飞机跟踪、无人机系统监视和地面运输至关重要。

相控阵雷达的工作方式与传统气象雷达不同，没有活动部件。大气的完整扫描可以在30秒内完成，而不是目前的4到5分钟。它的扁平天线包含超过 15,000 个单独的元件，这些元件以电子方式而不是机械方式引导波束。此功能使雷达能够非常快速地重新扫描区域，并针对不同情况调整扫描策略。

除了快速扫描大气层外，相控阵雷达还可以显著节省成本。

首先，相控阵的成本正在迅速下降，这要归功于手机、蓝牙、无线等消费电子产品。相控阵雷达的组件与相控阵雷达的组件相同，因此构成雷达的组件变得越来越便宜。另一个节省成本的是，如果你能用一个雷达系统取代该国现有的五百多个用于天气和空中交通监视的雷达，你就可以消除对大约两百个雷达的需求，这样可以节省雷达数量和统一维护的节省可以非常可观。我们估计，在系统的生命周期内，大约有30亿到50亿美元。

虽然相控阵雷达技术已经在海军舰艇上使用30年，以支持战术行动，但其他用户现在才意识到它在天气、航空监视和国土防御方面的好处。

相控阵雷达（PAR）项目的建立是为了展示使用单个相控阵天气雷达同时执行飞机跟踪、风剖面和天气监测的潜力。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的国家天气雷达试验台（NWRT）是1970年代建造的美国海军SPY-1A相控阵雷达，在俄克拉荷马州诺曼进行了测试和评估。

目前的天气雷达机械地旋转和倾斜雷达天线，以对大气的不同部分进行采样。相控阵雷达具有独特的平板天线，可保持静止。该面板由固定天线元件的网格组成，每个天线元件都可以发送和接收信号。因此，雷达波束可以通过电子方式控制，使用户能够控制雷达扫描的方式、时间和地点。这意味着可以控制雷达将其波束引导到检测到风暴的地方。对风暴的集中观测可以加快更新速度，因为雷达不会浪费时间扫描晴空区域。

PAR可以在不到一分钟的时间内扫描天空，揭示关键天气指纹，表明恶劣天气的可能性。每分钟进行一次雷达扫描将使恶劣天气更容易确认，使警告更加准确并减少误报。预报员还可以观察风暴的变化，以了解风暴何时增强或减弱。NSSL的科学家们已经通过PAR数据对雷暴有了更多的了解。

NSSL 的 PAR 研究人员正在努力：

开发和实施信号处理技术，以提高气象雷达气象产品的质量、覆盖范围和准确性，

开发和展示天气观测的自适应扫描和快速更新功能，从而延长恶劣天气预警的提前期，

演示多功能扫描策略的动态调度，

开发雷达控制器接口，

开发恶劣天气检测算法和显示，以利用PAR提供的独特数据，

评估快速扫描的 NWRT PAR 数据，以深入了解恶劣天气的发展以及增加龙卷风警告提前期的潜力。（相控阵雷达创新传感实验），

制定双极化PAR的规格并评估各种设计问题，

测试和评估任何双极化PAR原型，

开发和实施信号处理技术，以提高气象雷达气象产品的质量、覆盖范围和准确性，

开发和展示天气观测的自适应扫描和快速更新功能，从而延长恶劣天气预警的提前期，

演示多功能扫描策略的动态调度，以及

开发雷达控制器接口。

加强天气监测

自适应传感将导致持续改进恶劣天气预警系统，以跟踪龙卷风、强阵风、冰雹和导致山洪暴发和泥石流的局部暴雨。

影响飞行安全和空域容量的更精确的危险天气信息将为国内航空和地面运输系统提供经济效益。

更好的天气数据将用于初始化数值预报模型的运行。

更详细的大气观测将改善空气质量临近预报和预报、气候变率监测和预报以及野火监测和预测。

能够看到精细的风场将导致更好的大气传输和化学/生物/放射性危害轨迹的扩散建模。

海军舰艇最初使用AEGIS相控阵雷达（称为SPY-1）技术来保护海军战斗群免受导弹威胁。研究人员认为，同样的技术在增加龙卷风警报的准备时间方面具有巨大的潜力。

2000年，美国海军同意向NSSL借用相控阵天线，并提供10,000,000美元的资金帮助建造国家天气雷达试验台（NWRT）。NWRT是一个专注于使用相控阵和升级的WSR-88D雷达技术为恶劣和危险天气开发更快、更准确的预警、分析和预报技术的设施。美国国家气象局提供了发射器，NOAA、OU、洛克希德·马丁公司和俄克拉荷马州高等教育委员会的额外资金购买了环境处理器。此外，美国联邦航空局还为研究、项目管理和初始升级提供了初始资金，NWS也捐赠了设备。NWRT于2003年9月开始运作，并于2004年5月收集了第一批数据。

相控阵雷达能够在天线保持静止的情况下，以电子方式从左到右和上下控制雷达波束。ATD 有一个平面或平面天线，由 76 个面板和 4,864 个辐射元件组成。

此外，ATD还采用了NSSL开发的双极化技术，该技术最近被添加到全国各地的WSR-88D雷达（也称为NEXRAD）中。ATD在相控阵技术的基础上增加了双偏振技术，将两者的优势结合在一起。新雷达将具有双极化显示降水大小和形状的能力，以及相控阵的更快更新速度。

该雷达将用于气象研究，并帮助研究人员评估平面相控阵雷达的极化性能。

事实证明，更快的更新可以缩短预警时间，并提高NOAA国家气象局预报员的测试平台研究的准确性。ATD将帮助研究人员回答有关平面相控阵雷达双极化性能的问题，并解决校准的关键问题。这些答案，以及对效用和数据质量的研究，可能最终决定相控阵雷达是否能够提供满足国家气象局需求的天气数据。

NWRT/ATD 具有执行极化评估的独特功能。将安装一个校准塔，使研究人员能够接收来自雷达的信号并将信号传输到雷达。ATD 将旋转，使研究人员能够收集所有电子转向角的校准测量值。ATD也可以垂直指向，这将允许测试额外的校准评估技术。

相控阵雷达创新传感实验（PARISE）是多功能相控阵雷达（MPAR）计划的关键部分，其目的是开发和测试位于俄克拉荷马州诺曼国家天气雷达试验台的快速扫描相控阵雷达（PAR）的天气应用。从该雷达收集的数据使科学家能够将快速扫描数据（每分钟拍摄一次）对风暴演变的描述与传统的WSR-88D数据（每5分钟拍摄一次）进行比较。这些比较正在提高对强风暴的科学理解。

为了探索快速扫描数据对国家气象局运营的潜在好处，我们测试了更新时间对NWS预报员预警决策过程的影响，以及由此产生的实时预警提前期。这些比较证明了快速扫描 PAR 相对于 WSR-88D 的优势，这些优势将转化为对社会的更好服务。

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