雷達概觀

雷達是二戰前的一項偉大發明。雷達（Radar）是英文

RAdio Detection And Ranging的縮寫，意思是“無線電探測與測距”。雷達的發明最早是為戰爭服務的，它在二戰時被幾個主要參戰國用於探測敵方的飛機。

早在1895年，俄羅斯物理學家、俄帝國海軍學校的物理教員亞歷山大波波夫（АлександрСтепановичПопов）發明了一種使用相干管的遠程通信裝置，當1897年他利用這套裝置在波羅的海進行兩艘軍艦之間的通信實驗時，發現附近的第三艘船對通信信號造成了干擾。波波夫把這種現象記錄下來，並在他的報告中寫道“這種現象可能被用於探測物體”，遺憾的是他沒有繼續探究下去。

在二次世界大戰前，雷達研究在幾個發達工業國的大力秘密投入之下已經取得了快速發展，但這一階段的雷達大多是龐大而且粗糙的，儘管其中一些已經可以探測到天上的轟炸機，但嚴格地說它們都不是現代意義上的雷達。

戰爭促進了雷達的研究工作，在二戰期間，英、美、德和蘇聯等國投入巨資發展雷達技術，以期獲得更高的分辨率、在更遠的距離發現入侵敵機，為己方飛機出動和地面高炮的準備贏得寶貴時間。但這一時期的雷達操作員們還會時常為頭頂突然出現的敵機煩惱，因為敵人的飛機會躲在雲層裡飛行，利用雲做掩護髮動突然襲擊，而雷達常常無法穿透雲層，顯示器上滿是雲中水氣、雨滴和冰晶的反射雜波。儘管科學家們經過努力，利用發射相干信號過濾雜波，但在惡劣天氣情況下效果並不理想。

雷達發展到今天已經高度多樣化，它不僅用於包括防空系統、彈道檢測、反導彈系統、導彈目標定位系統等軍事用途，還在空中和地面交通控制、測高和飛行控制系統、飛機防撞系統、定位地標和其他船舶的海洋雷達、海洋監視系統、外層空間監視和交會系統、雷達天文學、氣象降水監測，以及用於地質觀測的地面穿透雷達等民用和科學研究領域獲得了長足發展。

其中氣象雷達就是將二戰時期雷達操作手們頭痛的雷達雜波利用起來，監測天氣，造福世人。

雷達工作原理

從雷達的英文全稱“RAdio Detection And Ranging”我們可以看出，它實際上是一套無線電波收發系統。雷達擁有無線電信號發生裝置，發射和接收天線，信號接收和分析裝置等組成。

雷達通過其信號發生裝置產生一組特定頻率的無線電信號，然後通過發射天線將這組信號的電磁波發射出去，當電磁波遇到相對應物體阻擋時會發生散射，散射電磁波中的一小部分會被反射回來被雷達的接收天線接收，雷達接收機將接收到的信號頻率、方位、時間與發射電磁波進行對比，通過角度和時間差的計算就可以得出反射信號目標的位置和距離。

有人將雷達比作一個大號的電筒，這有一定道理：它們兩個都向外發射電磁波（可見光也是電磁波），並通過反射的電磁波探測前方目標和障礙物；發射的電磁波會擴散，我們接收到同樣面積目標的反射回來的電磁波強度會隨距離增加發生衰減；發射的電磁波越強、波束集中，看到的目標越清晰，同時看到的範圍就越窄。與手電筒不同的是，雷達發射的是人眼不可見的電磁波，並且它是脈衝信號，不是連續的光波。

氣象雷達

氣象雷達常常被裝在一個球形的罩子裡，這是我們經常看到氣象臺都頂著一顆大大圓球的原因。這是因為氣象臺的氣象雷達需要長時間連續工作，它是一套高價值的精密電子設備，需要妥善保護，雨雪風霜和強烈的陽光會縮短它的壽命。

圓球通常由玻璃鋼製成，它對雷達發射的電磁波透明，也不會阻擋雷達天線接收電磁波。所以你不必擔心這個罩子會對雷達探測精度造成什麼不良影響。

氣象雷達通常是多普勒雷達，它以微秒級的速度發送微波輻射脈衝。電磁波的波長通常在1~10cm之間，大約是我們感興趣的水滴或冰粒子直徑的10倍（雨滴直徑通常在1~4mm之間），因為大氣中瑞利散射發生在對應的頻率範圍。這意味著每個脈衝的部分能量會從這些小粒子反彈回來，回到雷達站的方向。

氣象雷達探測距離遠，為了獲得更強的反射信號，它的功率通常都比較大，一臺多普勒氣象雷達的平均發射功率通常達到450千瓦，相比之下，典型的家用微波爐將產生大約1千瓦的能量。然而，每個脈衝僅持續約0.00000157秒（1.57x10⁻⁶秒），其間有0.00099843秒（998.43x10⁻⁶秒）的“收聽時間”。換句話說，雷達每小時僅 “開啟”7秒，剩餘的59分53秒都用於監聽返回的信號。

雷達接收到的信號需要通過計算機進行復雜計算才能轉化為我們能看得懂的數字圖像。較短的波長對較小的粒子有用，但信號衰減得更快。因此，10釐米(S波段)雷達是首選，但比5釐米C波段系統更昂貴。3釐米X波段雷達僅用於近程單位，1釐米Ka波段天氣雷達僅用於毛毛雨、霧等小顆粒現象的研究。由於每一波段的信號對應的顆粒大小不同，所以氣象雷達通常會利用不同波段信號間隔掃描同一片天空，以得到儘量準確的氣象信息。

氣象學家們常用Ka波段雷達探測各種不產生降水的雲，用X、C和S波段雷達探測降水，其中S波段最適用於探測暴雨和冰雹。

我們知道乾燥的空氣中沒有水滴，它對大多數氣象雷達波幾乎是透明的，但風也是氣象的一個重要因素，飛機的飛行需要知道風向和風速情況，以防遭遇危險的風切變。氣象雷達是如何探測風的呢？

最早的時候，科學家們通過向空中施放氣球，然後利用雷達追蹤氣球下方懸掛的反射器或應答機來計算風向和風速。這種方法比較原始，並且在飛行航線附近頻繁施放氣球本身就是飛行安全隱患。因此科學家們利用激光多普勒技術研發出新的激光測風雷達，解決了機場附近航線的測風問題。

總結

雷達是一種無線電探測設備，它利用電磁波遇到障礙物會被散射的原理，通過發射和接收電磁波、計算時間間隔和方位角度來確定目標的位置與距離。

雷達最初用於軍事用途，雲層的反射信號是一種干擾，但在二戰結束後，科學家們利用這種干擾波來探測雲層以及預測天氣，並據此發明了氣象雷達。

氣象雷達利用不同波長和頻率的電磁波信號來探測不同的天氣現象，並將接收到的信號通過複雜的計算轉化為直觀的天氣圖像，造福人類。

氣象雷達的探測距離有限，它與氣象衛星的遙測信息互為補充，如果要想得到更大範圍的氣象雷達雲圖，需要將各個地區氣象站同一時刻的雷達圖像進行拼貼。