天气雷达是大气监测的重要手段, 目前约有1000部以上的天气雷达布设在世界各地, 用于监测强对流天气和定量估测降水^[1]。大气探测要求测量的空间和时间分辨率很高, 因为高时空分辨率的遥感探测能力可及时并准确地探测到包括龙卷、雷暴、冰雹、下击暴流等灾害性天气发生发展的详细过程^[2]。但是现有天气雷达还不能达到这一要求, 主要问题是探测周期过长, 采用相位扫描体制的相控阵雷达能够在1 min之内完成一次体扫, 可以得到降水精细立体结构^[3]。相控阵天气雷达具有很多优点, 如:多波束功能可缩短雷达的探测周期, 能够得到风暴结构的精细演变过程; 无惯性扫描, 可对目标进行精确定位。将相控阵雷达这些优势应用到气象探测领域是今后天气雷达的发展方向。美国已于2003年开始将用于军事目的的相控阵雷达应用于气象探测试验^[4-8], 已获取的诸多资料表明, 采用相控阵技术的雷达能进一步改善目前使用的WSR-88D雷达系统的探测能力, 特别是提高对龙卷等强烈天气的探测能力^[9-11]。

相控阵雷达的扫描体制不同于常规雷达。相控阵雷达依靠相位差变化来改变波束指向, 而常规雷达依靠机械转动天线来改变波束指向; 相控阵雷达容易形成多个波束, 而常规雷达做不到。为了缩短雷达的探测周期, 相控阵天气雷达的波瓣宽度对气象目标的探测采用发射一个宽波束, 多波束接收。

当天线口径为均匀分布(等幅分布)时, 一维阵列天线方向图表示为^[12]

(1)

式(1)中, a_i是加权系数。

根据上述方向图函数分别建立了在等幅分布和非等幅分布情况下一维相位扫描天线方向图(图 1)。由图 1可以看出, 在等幅分布情况下, 其方向图的副瓣电平很高, 因此必须采用幅度加权的方式以降低副瓣电平, 图 1d, e, f为加权后的天线方向图, 加权采用的是海明加权, 其形式为

图 1

图 1. 一维相位扫描天线方向图的模拟(d=0.5λ, sinθB=0) Fig 1. Simulation of the antenna directional pattern of one-dimension phase scanning(d=0.5λ, sinθB=0)

(2)

式(2)中, N为阵元总数, 且0≤n≤N-1。

波束宽度越窄, 天线的方向性越好, 雷达的作用距离也越远。从图 1可知, 当阵元间距一定时, 随着阵元数密度的增加, 主波束的波瓣宽度变得越来越狭窄, 说明入射波能流密度基本集中分布在以两个半功率点为界的狭窄的波束照射体积中。根据波束宽度的计算公式^[13], 若要形成1°×1°的窄波束, 大约需要102×102个天线单元, 相应地使用移相器越多, 生产成本越高, 因此相控阵天气雷达的波瓣必须采用宽波束, 接收时采用多个窄波束, 采用这种方案能够大大缩短雷达的探测周期。图 1还显示在天线口径均匀分布情况下, 天线的副瓣电平很高, 必须使用幅度加权的方法来降低电平。从加权后的方向图中可看出, 其副瓣电平有所降低, 当阵元数达到20时, 第一副瓣的电平就达到-25 dB左右, 基本能够满足气象目标的探测需求。

多普勒天气雷达的波束宽度在整个扫描过程中基本维持不变, 而相位扫描天线的天气雷达波束宽度会随着扫描指向角的变化而变化(图 2a)(波束宽度的计算见文献[13], 假设原波束宽度为1°)。由图 2a可以看出, 当波束垂直于阵面时, 也就是指向角为0°时波束宽度最小; 当波束指向偏离阵面法线的角度, 也就是波束指向角越大时, 波束宽度越大。当波束指向±60°时, 波束宽度展宽了近一倍; 当波束指向在±45°时, 波束宽度比原先仅展宽了近39%。波束宽度变化会导致雷达角度分辨率与测角精度降低, 并对雷达探测反射率因子有一定影响^[14], 因此将波束相位扫描范围限制在±45°内比较合理。但是在此范围内, 波束宽度仍然会有很大的变化, 最大可展宽到1.41°, 为了尽可能减小由波束展宽效应对雷达探测反射率因子的影响, 需对波束宽度做进一步修正。修正的基本思想是根据扫描角的不同, 将扫描空域划分为若干子空域, 在不同的子空域采用不同的波束宽度。由波束宽度计算式可知, 波束展宽是由展宽因子cosθ引起的, 因此对波束展宽进行修正时, 不能简单地将空域进行均匀划分来修正, 应该随着扫描角的增大细化子空间。理论上讲, 子空间划分得越细, 修正效果越好, 但是这样会对雷达的设计制造和波束编排带来困难。这里仅划分了3个子空间进行修正, 即0°~20°, 20°~35°, 35°~45°。修正后的波束宽度见图 2b, 可以看出这种方法对波束展宽效应起到了一定的抑制作用。

图 2

图 2. 波束宽度随扫描指向角的变化曲线(a)修正前,(b)修正后 Fig 2. Graph of beam width versus scanning direction angle(a)the original,(b)the corrected

对于非等幅口径分布的天线, 增益的计算公式为, 其中B_h, B_v分别为水平和垂直方向上的波束宽度。假设垂直方向上的波束宽度为1°不变, 将波束宽度代入计算式, 则天线增益随扫描指向角的变化情况如图 3a所示, 当波束指向垂直于天线阵面时, 天线增益最大, 随着波束扫描指向角偏离阵面法线角度越大, 其增益越小; 扫描指向角为±45°时增益减少1.51 dB; 扫描指向角为±60°时, 增益减小近3 dB。天线增益的降低会使雷达天线在整个观察空域里的发射信号功率分配极不均匀。因此也需对天线增益进行修正, 修正方法同上, 也将扫描空域划分为3个子空间, 其修正结果见图 3b, 可见此方法也能够对天线增益损失进行一定的补偿。

图 3

图 3. 天线增益随扫描指向角的变化曲线(a)修正前,(b)修正后 Fig 3. Curve of the antenna gain vs the angle of scanning direction(a)the original,(b)the corrected

以S波段线阵天线为例, 阵元数假设为144个, 间距设为0.5λ(λ=10 cm)。

将线阵天线中间48个辐射单元做为发射, 全部辐射单元做为接收。根据波束宽度的计算公式, 作为发射的中间48个辐射单元可形成2.125°的波束宽度, 经幅度加权后形成的发射宽波束方向图(图 4)。相控阵天气雷达采用宽波束后, 比采用窄波束发射在同一扫描时间内波束照射的空域范围要大, 这样可扩大对气象目标的监测范围^[15]; 其缺点是在接收回波信号时, 若采用与发射波束宽度大致相等的接收波束, 不仅雷达的分辨率会降低, 而且发射天线主瓣半功率宽度以外的雷达辐射信号的能量没有被充分利用, 再有宽波束在扫描过程中, 波束展宽效应更明显, 为了有效利用雷达的能量并提高雷达的分辨率, 需对接收到的回波信号采用多个窄波束接收技术, 以覆盖整个发射波束照射空域。

图 4

图 4. 形成的发射宽波束方向图 Fig 4. Transmitted wide beam direction pattern

根据前面形成的约2.125°宽波束, 在接收时采用3个窄波束接收可覆盖整个发射波束, 其形成原理如图 5所示, 线阵天线上每个辐射单元都作为接收, 它们所接收到的信号经功分器分成3路, 然后再进行配相和幅度加权, 形成3个0.708°接收波束, 最后3个接收波束分别进入各自的接收通道进行处理最终形成气象二次产品。假设形成的第k个波束的方向图表示为, 则3个接收波束的方向图如图 6所示。采用多个窄波束接收后, 天线能够同时接收来自不同仰角方向的回波信号, 比采用单个窄波束接收大大提高雷达接收的数据率, 缩短雷达的探测周期, 同时它还能够充分利用雷达发射波束半功率点宽度至发射波束主瓣陡降区覆盖空域的照射能量, 扩大检测空域。缺点是容易受相邻波束污染, 给数据的质量控制带来新的问题。

图 5

图 5. 多个接收波束形成原理示意图(T :发射, R:接收) Fig 5. Principle illustration of multiple beam reception(T : transmit; R: receive)

图 6

图 6. 接收波束方向图 Fig 6. Received beam direction pattern

本文对相位扫描天线的方向图和波束特性进行分析, 对相控阵天气雷达定标中由于相位扫描天线产生的波束展宽效应和增益减小问题做了探讨和修正, 并模拟设计了一个相位扫描天气雷达天线方案, 得到以下主要结论:

1) 使用海明加权的方法能够降低副瓣电平, 第一副瓣电平可达到-25 dB, 能基本满足天气探测的需求。

2) 在波束扫描过程中, 波束宽度和天线增益会随着扫描指向角变化而变化, 波束扫描指向角越大, 波束展宽效应越明显, 天线增益减少也越多。采用非均匀划分子空间的方法对波束宽度进行修正可抑制波束的展宽效应并弥补由波束展宽带来的增益损失。

3) 文中设计的天线方案宽波束发射多波束接收不仅能够缩短雷达的探测周期, 还能充分利用雷达发射波束半功率点宽度至发射波束主瓣陡降区覆盖空域的照射能量, 扩大检测空域; 其缺点是宽波束展宽效应越明显, 探测误差越大, 同时多波束接收也会受相邻波束的干扰。