高频率相控阵多普勒声雷达
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第522页（3388字）
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，f0为发射频率；V为散射体的径向速度；C为声速。显见，发射频率愈高则单位径向速度产生的频率愈大，对速度测量的分辨率也愈高，从而可能达到较高的测风精度。提高发射声波频率可使天线尺寸减小，波束方向性改善。
发射频率提高后，可以将发射脉冲宽度τ减小，从而空间分辨距离τC／2可以缩短，最低测高可大大降低。
采用6000Hz的频率，最低测高可降到10m以下，距离门可达5m。这是就声雷达工作原理本身而言提高工作频率带来的好处。
但另一方面，声波在大气中的衰减也随频率增高而迅速增大。其中分子吸收衰减与频率平方成正比，逾量衰减(湍流衰减)也近似与频率平方成正比。
因此一般认为频率也不能选得太高，最后只能折衷。
近年来商品声雷达的频率就取在1500～2000Hz范围内。
但事情并非到此为止。边界层气象的研究希望有新型的声雷达能弥补普通雷达的60m以下的资料空白区，而复杂地形条件下的中小尺度气象研究工作更希望有轻便的设备。
实际应用中发现，影响声雷达探测高度的常常不是回波信号太弱，而是由于环境噪声使接收到的信号的信噪比太低。自然的和人为的噪声频谱主要集中在音频范围的低端。
提高发射频率可以避开噪声能量集中的谱区，从而大大提高信噪比。这就部分补偿了因提高频率而增加的传输衰减损失。
相控阵天线，是一种将许多喇叭按一定间距排列成方阵(或其它几何形状)，直接向外发射声波的天线装置。这些喇叭发出的声波在远场合成为一束功率较大、方向性较好的声波。
对于波束的指向可以实现电控制和电扫描。当工作在高频率时，由于采用多个喇叭大大提高了发射功率，在相当程度上补偿了因提高频率而造成的传输衰减损失。
表1列出了几种在边界层气象研究中被用到的高频声雷达的性能。除一般用途外在下列方面表现出它的特殊功能。
表1 高频率声雷达性能
*非相控阵声雷达
复杂地形的大气研究 复杂地形分布着一些峡谷或河道及山脊，主峡谷的气流与各支流存在着相互作用，各支流又是主峡谷气流的质量来源。地面污染源排放的污染物，在这种复杂地形下的扩散，决定于复杂地形上空的流场和湍流特征以及温度结构。高频声雷达能提供这方面的资料。以阿贡国立实验室的工作为例，他们仅用两人就把声雷达安置到了峡谷中心线的沟里。
声雷达波束仅3度宽，避免了近处起伏地形对声波的反射。该声雷达每10s就能得到一条风廓线。
配合系留气球观测，他们发现，在稳定的下泄流条件下，地表有20～80m厚的逆温层，温度梯度达每100m增加6℃，再上面是近乎等温层直至谷脊(高出声雷达500m))。在他们观测期间，这种温度结构没有太大变化，但是风速、风向在最低的200m层内变化很大。
一般说来，可以预计下泄流条件下风是顺坡往下吹的。但是声雷达观测结果是：在整个观测期间，在最低的100m层内下坡风所占比例小于50%，而另有30%时间有着上坡方向的风分量。导致这一结果的原因主要是峡谷头上各支气流相互作用的结果，有两条溪沟近乎成直角地汇合，造成了风向的大起伏。
风速廓线的变化从100m处有一极大值，可变为整个200m以下都很静稳。而200m以上则是峡谷的下泄流风向或大型天气的风向。声雷达资料发现峡谷中存在一个弱而浅的贴地表的下坡风，但不时地因它的上层气流的起伏而遭到周期性的破坏。
表面层和低高度边界层结构 对于一些高度在60m以下的浅层锋面结构、内边界层和重力波等现象，普通声雷达是无法观测的。高频声雷达已经观测到一些过去未曾见到的边界层现象以及这一层的风廓线和垂直速度分布。
混合层发展的初期阶段，盖帽逆温以上的空气因卷夹作用和其下的空气相混合，这种运动的尺度在时间和空间上都较小，只有高频声雷达才能观测到。
掌握卷夹作用的规律，有助于了解在逆温层顶附近积累的污染物在日出后如何向地面扩散。
热通量测量 对于充分混合层有下列近似关系：
式中，σw为垂直速度标准差，Z为高度，α≈1．4，θ′v为虚位温起伏量，w′为垂直速度起伏量，θ为位温。由此可以由声雷达测得的垂直速度标准差廓线求出热通量廓线，将热通量廓线的线性段向下外延至Z=0处可得到地面热通量。
边界层气象模式研究需要通量的实测数据。直接测量的通量值只代表一个点，而模式的验证和改进需要面上的通量数据，显然，靠增设地面测量点是不现实的。
用卫星遥感资料可以推得热通量，但这一方法尚需证实。同样需要较大尺度范围的通量实测值才能与遥感值相比较。声雷达测的通量约可代表1km2以上面积，若声雷达相隔15～20km(视地表特征合理分布)则是一个验证卫星通量估计或数字气象模式的较好手段。已经做过的声雷达通量和卫星估计的通量对比表明在统计上是相当一致的。
降水物理 降水粒子会对声波产生散射。Little曾探讨过声雷达探测降水凝聚物的可能性，并给出瑞利条件下单个球形粒子的声散截面σ(θ)和声雷达反射率η的表达式：
η=0．69π5λ－4v－1∑D6 (4)
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)=1767D0．67(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)