福建省天气前沿试验与业务应用创新团队 张深寿
都说天气雷达是探测强天气的“千里眼”，但是它到底是怎么让强对流这个妖孽显形的呢？新一代天气雷达的窥视方式有“环顾四周”、“立体切片”、“上下打量”，很像站立高处全年无休孜孜不倦的警戒哨兵，时刻监视自己责任区的妖孽。相控阵技术的加入，还会有“扫把扫描”、“凝视跟踪”等。
1. 波束，电磁波的指向和形状
天气雷达是靠电磁波探测的，为了探测目标，需要把电磁波聚焦成波束，既可增强发射电磁波的功率，又使探测具有方向性而更好地定位目标物。新一代天气雷达聚焦波束的任务就是抛物面天线（俗称大锅盖），像旧式手电筒的聚光杯（图1）。
图1 大锅盖和手电聚光杯
手电筒通过聚光就会形成光束，同样天气雷达通过大锅盖也会聚焦发射形成电磁波波束。光束可以看见，光束照亮前方的范围有大小，这叫光束宽度（图2、图3），因为它是针状光束，所以用角度来描述。同理，电磁波波束宽度也是用角度来描述。
图2 手电的光束
对于雷达，一定强度（半功率）电磁波的夹角就叫做波束宽度（图3），它和波长、天线的直径尺寸有关系。关于波束：
u波长越短越容易被聚焦，即同样的天线尺寸，波长越短它形成的波束宽度越窄
u大锅盖尺寸越大越能聚焦电磁波，即波束宽度越小
图3 电磁波的波束
气象学家希望波束宽度越窄越好，波束宽度越小，像精确的手术刀对妖孽的解剖就越细，更能窥视它的形状特征。但是对于雷达硬件工程师是噩梦般的存在，大尺寸天线设计、波束形态控制、高能量的信号处理、时间的耗费等等直接把他们弄得头痛欲裂。所以基于平衡，现在一般天气雷达的波束宽度为1°，小型化的天气雷达波束宽度可以更宽。相控阵天气雷达的波束形成很灵活，技术更复杂，这里先不作讨论。
2. 径向，雷达扫描的基础，电磁波的路径和方向
天线大小和波长确定后，波束宽度是固定的，通过波束探测一个方向，就叫径向（电磁波路径方向），如果波束宽度是1°，完整扫描一周360°就需要360个径向。新一代天气雷达CINRAD/SA，波束宽度0.98°，完整扫描一周需要探测约366根径向。
径向是天气雷达探测的扫描的基础，把径向搞明白了，扫描就是不同的径向扫描参数的重复动作而已。
2.1空间分辨率，是“马赛克”还是放大镜
对于一个径向探测，影响的参数有脉冲宽度、脉冲重复频率。这点电磁波探测和手电就不一样了，手电的发射（手电）和接收（人）是分开的且互不干扰，所以手电光发射在观察时是连续的，光可以使人连续不断地接收，看清光束照到的地方。而天气雷达发射和接收都是靠同一个大锅盖，为了不互相干扰损坏器件，所以需要发射和接收时间错开。发射短促且高能量的电磁波然后等待一段时间径向上不同位置的目标物形成的回波，就可以分析这个径向上的目标物强弱分布情况。短促且高能量的电磁波就叫脉冲，像脉搏有规律博动，把电磁波传播出去。脉冲的短促持续时间叫脉冲宽度，脉冲宽度同时照射到的目标物会互相影响回到大锅盖，所以一般情况下它就决定了目标物的距离分辨率（现在有脉冲压缩新技术提高分辨率，但这是后话）。
波束宽度、脉冲宽度就决定了雷达的空间分辨率，分辨率越细越好，粗分辨率犹如“马赛克”（图4），高分辨率能清晰“看见”特征。但是清晰是要花费很大代价的，所以需要有个平衡，目前新一代天气雷达CINRAD/SA分辨率是1°×250米，能满足大部分的天气系统的探测需求，如果能达到0.5°×75米，且探测能力足够强，那就能非常精细解剖强对流这个妖孽，如图5。
图4 分辨率的粗细对比
图5 天气雷达分辨率的粗细对比（左 1°×250米，右0.5°×75米）
2.2“多普勒两难”，径向探测时你不能“既要又要”
我们把前后两个脉冲的间隔时间称为脉冲周期，根据规律1秒钟能发生几个脉冲周期称为脉冲重复频率（PRF），它和脉冲周期呈反比的倒数关系。电磁波的传播是需要时间的，脉冲重复频率小（脉冲周期长），电磁波能往返跑的最远距离（最大探测范围）就越大。但是由于多普勒速度是要对比前后脉冲的相位差来计算的，脉冲重复频率大时前后脉冲间隔时间短，更能探测分辨高速运动的目标物。所以，在脉冲重复频率的选择上，产生了“多普勒两难”问题，没有一个单一的脉冲重复频率既要获得远的探测范围、又要获取大的不模糊速度数据。相关参数说明在这里：怎么看天气雷达的有关参数？
2.3花费时间，看清楚东西是要花时间的
理论上只发1个脉冲就可以接收到回波强度，发2个脉冲就可以计算出多普勒速度。相当于“瞥一眼”可以分辨物体在哪里，“撇两眼”可以判断物体移动。
但是要“看清楚”目标物，提高对目标物强度、速度数据的准确程度，需要花时间“定睛看”，就需要发射更多的脉冲（即采样数），获取更多的数据来进行统计，提高信噪比、提高测量精度、减小杂波影响和增强目标检测能力，是影响雷达性能和观测精度的重要参数之一。但它是要花费时间的，脉冲发射次数（采样数）×脉冲周期=一根径向需要花的时间。如图6，左边采样数128的数据质量要明显好于右边，采样数少随机性大。
图6 不同采样数的数据质量区别（左:采样数128，右:采样数16）
3. 垂直空间覆盖，看全乎的才能让妖孽显形
天气系统是立体的，强对流最高能发展超过20公里，所以抓住这个妖孽，需要探测扫描更多的层次。图7是波束宽度1度探测9层的垂直空间覆盖，虽然覆盖了大部分空间，但是存在“远距离低层看不到、中距离看不细、近距离头顶看不见”的问题。图8中14层的覆盖，缓解了“中距离看不细、近距离头顶看不见”的问题。
图7 波束宽度1度探测9层的垂直空间覆盖
图8 波束宽度1度探测14层的垂直空间覆盖
全方位立体扫描是无法给出很细的扫描的，但是如果是固定方位进行“上下打量”盯住看，那么就可以用0.1°、0.2°的细致仰角间隔看仔细打量，这就是RHI。RHI可以非常精细地探测垂直方向的特征，可以跟踪垂直方向的生消变化，如图9。
图9 “上下打量”固定方位的垂直扫描（RHI）
4. 扫描策略
扫描策略是探测一个方位，获取一根径向数据的时候的参数配置，波束宽度是固定的（抛物面天线），它可选的参数有：脉冲宽度（决定距离分辨率）、脉冲重复频率（决定最大探测范围和最大可测多普勒速度）、采样数（决定数据质量）。其中脉冲宽度，一般在一个立体扫描中不变化，以保证探测的一致性。
根据参数不同，有两个探测模态：
(1)连续监测模态CS，使用低脉冲重复频率PRF确定准确的目标位置和强度。
(2)连续多普勒模态CD，使用高脉冲重复频率PRF值以便测量准确的速度和谱宽数据。
根据不同目的，新一代天气雷达扫描策略有：CS/CD、B、CDX：
(1)分离扫描方式CS/CD，雷达在某个仰角分别使用CS和CD模态进行重复扫描。在一个完整的360°CS模态扫描结束后，仍在这个仰角进行完整的360°CD模态扫描。再用特定算法提高CD取得的多普勒数据质量。
(2)交替扫描方式B，这种技术是在某个仰角交替使用高低脉冲重复频率PRF。先发射低重复频率的脉冲，紧接着再发射高重复频率的脉冲，分别获取强度和多普勒速度数据，缓解“多普勒两难”问题，花点时间体现“既要又要”。
(3)不考虑距离折叠的连续多普勒方式CDX，这是一种在较高仰角只使用高的脉冲重复频率PRF获取反射率因子和速度数据的技术。因为高仰角，可以不用考虑最大探测距离的问题。
5. 扫描模式权衡三角，不能“既要又要还要”
扫描策略制定后，需要组合进行立体扫描，选定仰角层次，每个仰角按一定的扫描策略扫描。但是天气雷达扫描时，时间、空间、数据精度是互相制约拉扯的，不能“既要又要还要”。雷达探测资源是固定的，不同扫描模式就会有不同的三角平衡（图10）。所以需要设定科学合理的“立体扫描模式VCP”，时间合理又能精准捕捉大部分的强对流，新一代天气雷达目前普遍一直使用是VCP21，近年来开始试验切换VCP11，扫描配置如图11。由于仰角层次多，VCP11就能更好地刻画中近距离（＜150公里）的强对流，但是为了不花费更多时间，提高了天线转速，减少了采样数就稍微降低了数据质量。
图10 雷达扫描（观测）模式设计权衡三角
图11 雷达扫描模式VCP11、VCP21的区别
图12 雷达扫描模式VCP11、VCP21探测强对流时
探测时间是可以计算的，一个脉冲的时间是脉冲周期时间，一个方位停留的时间就是 ×采样数（即发射脉冲数），一个平面探测就是径向数×方位驻留时间，立体扫描就是所有仰角花费时间的总和，由于抛物面天线还需要调整仰角的机械调整时间，所以还要加上机械调整的时间。图13，以VCP21、VCP11为例探测花费时间的计算，天气雷达最常用的是VCP21扫描模式，近年试验切换VCP11，都是6分钟，所以我国大型抛物面天气雷达图的时间分辨率是6分钟。
图13 雷达扫描模式VCP11、VCP21探测花费时间的计算
6. 小结
抛物面（大锅盖）天线只能形成单波束，而且需要机械控制锅盖的方向才能改变波束传播指向，耗时效率低。相控阵技术的加入，有了波束捷变的能力，可以在空中形成任意指向的波束，而且一次可发多波束像扫把一样横扫一片（图14）。它把扫描模式带到了更有效率更有针对性的高度，但是也带到了更复杂的地步，这里就不详细说明了。
图14 相控阵天气雷达和新一代天气雷达扫描模式对比
新一代天气雷达以固定模式“立体切片”为主，可以“上下打量”但一般在特殊实验雷达才能允许做，而“环顾四周”只是立体的一个切片。
环顾四周是以固定的仰角，360°方向探测一个完整的平面。
上下打量是以固定的方位角上下进行垂直方向探测形成一个垂直切面。
立体切片，即立体扫描，是多个环顾四周的组合。立体扫描是我国天气雷达的主要扫描方式。
① 波束是电磁波的传播方向和形状，它探测一个径向可以配置脉冲宽度、脉冲重复频率、发射脉冲数（采样数）。不同配置可以获取不同的数据质量和精度。
② 立体扫描，时间、空间覆盖率、数据精度是互相制约拉扯的，不能“既要又要还要”，需要设计不同扫描策略组成扫描模式来平衡三者之间关系。
③ 我国新一代天气雷达一般使用的是VCP21，近年在试验VCP11等模式，根据计算 探测完整一个立体扫描需要花费约6分钟。
④ 根据试验和科学评估，可以设计更多的立体扫描模式进行针对性扫描，但是由于拼图和数据通用性考虑，也不宜设计太多。
⑤ 未来相控阵的技术，由于波束可以不受天线的机械转动制约及多波束同时探测技术，可以提高探测效率，将彻底改变现有扫描模式，但是其复杂程度也非常高还有许多技术问题需要突破。
