关键词：空管监视 圆柱阵 双极化 多功能相控阵雷达（MPAR） 极化 槽偶极子 气象雷达
1、概念起源
20世纪90年代初，国家气象局（NWS）与国防部（DoD）和联邦航空管理局（FAA）合作，部署了WSR-880雷达，这是一种具有多普勒能力的机械旋转常规雷达（MRCR），以满足美国主要气象监视需求。大约在同一时间，美国联邦航空局部署了终端多普勒天气雷达(TDWR)，为易受微爆和风切变影响的美国大型机场提供专门的危险探测。这些雷达系统具有多普勒能力和先进的自动化技术，在气象雷达作战传感方面有了显著的改进。然而，研究表明，利用这些新系统，MRCR在风暴感知中的应用正接近优化，未来需要其他技术，特别是相控阵系统，来显著提高天气感知能力。大约在国家研究委员会报告发布的时候，美国海军同意向美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的国家强风暴提AN/SPY-1A天线实验室(NSSL)。这种无源阵列天线被重新配置用于天气感知，并被称为国家天气雷达试验台(NWRT)。它是相控阵雷达收集天气数据的探路仪。
相控阵雷达的灵活性打开了NOAA和FAA共享后续气象雷达的可能性，而不是再次部署不同的系统。相控阵是一种经证实的探测点目标的技术，这一事实进一步说明，提供气象监测的同一雷达可以支持终端飞机的侦察任务。目前的气象雷达通常需要5分钟左右才能完成体积扫描，相控阵雷达与之不同，它可以满足空管监视所需的快速更新速率(以秒为单位)，同时以更悠闲的速度执行天气监视。这一概念使得美国联邦航空局有兴趣用一个雷达平台取代他们的短程终端空中监视和气象雷达能力。将同样的概念应用于更远距离的需求，更大的相控阵雷达可以从相同的平台提供主要气象监视和航路监视。这些概念构成了多功能相控阵雷达(MPAR)的基础。
2、MPAR重点领域
虽然MPAR的概念提出了各种技术和计划方面的挑战，但MPAR工作组确定了三个需要特别关注的焦点问题：可负担性，多功能性和双极化。
A.可负担性
传统观点认为，只有美国国防部的预算才能承受相控阵技术的成本，而数字似乎证明了这一点。MPAR概念的某些方面固有支持降低成本。将部署的雷达数量将构成一笔非常大的采购(超过1100个大型相控阵天线)，从而产生显著的规模经济。与此同时，部署的雷达将大大少于单个舰队的一对一替换。非经常性工程将在各机构之间进行，培训、后勤和其他维持需要也将如此。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆尽管有这些优势，但前期成本可能令人望而生畏，因此，重点放在积极应用无线行业开发的技术，改进制造工艺，以减少通常与组装相控阵天线相关的触摸工作，并纳入商业上可用的组件。
B.多功能性
雷达具有多种功能的想法并不新鲜，然而，多功能雷达的功能涉及与点目标相关的各种任务，如空管或导弹监视跟踪和目标。一些空管监视雷达能够探测天气目标，但这些雷达的天气感知不是主要任务，所收集的天气数据也不具备一般气象雷达所要求的质量。在MPAR的背景下，多功能性要求开发一个系统，可以同时执行气象和空中监视功能并作为主要任务。此外，多功能性意味着MPAR必须在这些任务所需的时间内执行这两个主要任务。除了满足时间线之外，目标是利用相控阵技术的灵活性，使系统能够将资源集中在感兴趣的最大目标上，无论是气象目标还是空管目标，以提高获得的数据的价值。
C.双极化
双偏振是对传统气象雷达的一种较新的补充;WSR-88D机群升级到双偏振在2013年完成。然而，双偏振在相控阵中的应用具有突破性意义。当MPAR工作组开始考虑MPAR概念时，还没有有源双偏阵相控阵雷达。双偏振需要非常严格的校准，这在具有多个发射机和接收机的有源阵列上是很难实现的，而且它在以常规雷达没有固有的斜角扫描时，引入了由光束畸变引起的交叉隔离挑战。双偏振能力是一种气象要求，但它最终可能有利于空管的特性描述、小目标的检测和跟踪以及杂波抑制。
3双极化天线的发展
气象雷达双偏振的目的是在水平偏振和垂直偏振回波中提供与观测值分离的回波。雨滴的形状随其大小而变化，因此水平和垂直尺寸通常不相同，它们的比例随雨滴的大小而变化。由于Mei散射范围中的反射率与目标直径的6次方成比例，因此可以通过比较水平和垂直反射率返回值来获得关于风暴中雨滴的特征尺寸的信息。该信息提供了从雷达数据中得出的更准确的降雨率估算值。
水平和垂直返回值之间的差异称为差分反射率。气象学家还测量相关系数和特定的微分相位。这些极化变量提供有关雷达观测的比重计（液体与冷冻）类型的信息，并有助于区分气象和非气象回波。
在相控阵雷达上实施双极化的挑战之一是保持两个极化的返回之间的分离，称为交叉极化隔离。理想情况下，从每个极化接收和记录的能量完全由在该极化中传播的能量构成。在实践中，气象目标的散射过程在极化之间传播一些能量。此外，在雷达的电子器件中发生了极化的一些能量泄漏。这些影响对于所有体系结构都是通用的，并且存在于NWS WSR-88D中。然而，相控阵雷达会产生额外的影响。当发射光束偏离轴（即，不垂直于天线的水平或垂直轴）时，两个偏振光束不正交，水平（垂直）偏振不与地球表面平行（垂直）。这允许来自每个偏振光束的一些能量在另一个光束中返回。可以通过校准和通过算法补偿来消除这种影响，但代价是降低灵敏度。NSSL赞助了对两种替代架构的研究，以加强交叉极化隔离。
5结论
很大程度上由于FAA / NOAA的合作，MPAR计划在将相控阵雷达技术引入民用领域方面取得了重大进展。同时，它采用先进的双极化技术，并在降低有源电子控制阵列（AESA）技术成本方面取得了长足进步。无论MPAR作为多机构飞机和天气监视能力是否成为现实，这项努力已经为最终应用AESA雷达以满足新的和不同的需求做出了重要贡献。
论文作者:崔扬
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/29
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