高频率相控阵多普勒声雷达

---

20世纪80年代以来，声雷达在边界层气象研究、污染天气监测、厂矿的选址和大气环境评价等方面的应用已比较广泛；在天文台选址和无线电传播的研究中也得到应用。

但同时也在探测高度、测量精度和提供更多信息方面，都提出了更高的要求。一般的多普勒声雷达因采用单喇叭和抛物面天线，使得提高发射功率受到限制，从而限制了最大探测高度。

天线的波瓣特性也不很理想。天线系统笨重，用于流动性的观测研究很不方便。又因工作的频率较低，造成表面层和低高度边界层内的资料出现空白。因此，在抛物面天线开始应用后不久，就有人利用较小功率的喇叭构成阵列式无线，以期获得较大的发射功率和较高的探测高度。

声雷达回波信号的多普勒频移△f由下式表示：

式中，D为雨滴直径，θ为散射角，λ为声波波长。对于声雷达的工作频率范围，瑞利条件是满足的。降雨时，声雷达回波由大气散射波和雨滴散射波构成。

其多普勒频移可写成

式中，为平均垂直速度，为平均雨滴落速。普通声雷达因发射频率不够高，难以避开噪声影响并清楚地把两部分频谱区分开来，而对于工作频率为6000Hz的声雷达，则对应降水粒子的落速范围1～5m．s^－1可以得到36～176Hz范围的频谱。

由频谱和速度谱的关系

可以推断雨滴落速分布。按照水滴落速公式

v(D)=1767D^0．67(cm·s^－1)

可以确立速度谱与雨滴谱的关系

s(v)dv=βN(D)D⁶dD (5)

式中β为检定系数，N(D)为雨滴直径在D和D+dD范围内的数密度。由此可计算雨强和含水量等重要的降水参数。

为了实现用声雷达测量降水，除了提高工作频率外还要避免雨滴直接打在天线上，解决办法是将天线转向水平方向发射，再用一倾斜45°角的平板将声波反射到垂直方向。

这样得到的雨滴谱，其数密度大体呈指数分布，许多测量结果一致，求得的降水量和同时进行的雨量计测量结果相比也较相符。

对云的测量尚未见进行。云滴直径很小，其反射率比雨的要小得多。半径为20μ的云滴的散射截面只有4mm雨滴的10^－10。

潘乃先的观测表明，对于低云声雷达只能收到云底处约10～30m厚的回波。目前，声雷达只能对高度较低、含水量较大的云层底部区域进行探测研究，因此还有待于进一步深入。

(北京大学潘乃先、陈诗闻撰)