Language
Country/Area
No result found
毫米波雷達的超能力：它如何捕捉小水滴和大雨的秘密？
毫米波雷達，亦稱為雲雷達，專門設計用於監測雲層，其操作頻率範圍在24到110 GHz之間。這樣的特殊頻率，使得毫米波雷達的波長約為1毫米到1.11厘米，這比傳統的S波段雷達，如NEXRAD，短約十倍。這項技術的核心目的是研究雲的性質及其演變過程。
這些雷達系統通常在35 GHz的Ka頻段與94 GHz的W頻段運行，這兩個頻段在大氣傳輸中具有最高的效率。
毫米波雷達具有非常高的時間與距離解析度。時間解析度通常可調，範圍從1秒到10秒不等，而距離解析度則取決於雷達的設計與目的。一般而言，雲雷達的最大探測範圍可達14到20公里，且其多普勒速度解析度為幾厘米每秒。
雲雷達大多數為極化系統，這使得它們能夠通過斜線去極化比率（LDR）來測量粒子的不規則性。 雷達通常直接指向天頂，但隨著技術的進步，許多雷達增添了掃描單元，這些單元讓雷達能夠以較高速度在不同角度進行掃描，從而獲取額外資訊，如垂直風廓線及空間體積資訊。
長波長的雷達對小雨滴及降雨的衰減較小，而短波長的雷達則對較小的粒子更敏感，這意味著在不同的天氣條件下，選擇合適的雷達尤為重要。
目前，毫米波雷達在多個領域有廣泛應用，包括探測雲的邊界（如雲底與雲頂），估算雲的微物理特徵（如粒子尺寸和質量含量），這些資料有助於了解雲層如何反射、吸收和轉化經過大氣的輻射能量。雷達也被廣泛用於霧的研究，並且在昆蟲學研究中已有超過40年的使用歷史，尤其是檢測那些在晴朗的溫暖日子中幾乎完全是昆蟲目標的情況。此外，最近還發現毫米波雷達可以用於研究巨型氣溶膠。
雲雷達的作業環境不僅限於地面，也可以是空中或太空中的。空中系統的範例包括安裝在HALO（高空及長程研究飛機）和懷俄明州的KingAir研究飛機上的雷達。而太空中的雲剖面雷達則自2006年起在CloudSAT衛星上運行。計劃於2023年3月推出的Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer（EarthCARE）任務中，將搭載第一個具多普勒能力的太空雲剖面雷達。
利用雷達進行測量：從IQ到光譜
脈衝雷達系統被認為是主動測量儀器，因為它們能夠向大氣中發射電磁波並接收反射回來的信號。雷達由不同的硬體組件組成，每個組件都包含不同的元件。發射器單元中的振盪器生成的電磁波經過波導轉移到天線，再將其輻射到大氣中。
當發射的每個脈衝被含有水氣的空氣體積散射後，雷達天線收集返回的信號，並經過濾、增強及下變頻的處理後進行數字化。
雖然每次返回信號的發射是隨時間改變的，但信號中所反射的電場卻是從大量水氣的混合下得來的。因此，接收的信號是從許多水氣微粒的回波組成，並無法單獨解析這些回波。因此，透過對信號的樣本採集，我們能夠證明在特定的時間延遲中波的距離，來聚焦在回波的多樣性。
另外，在進行雷達的多普勒處理時，透過I/Q信號的計算自動生成從返回訊號中得到的光譜，從而能夠測量出回波的多普勒頻率。這幫助科學家們評估樣本體積內不同粒子的速度範圍。
多普勒光譜的特徵
在雷達的樣本體積中，通常會存在多個散射目標。每個目標都有其特定的頻率偏移，這使得我們能夠通過返回功率的測量進行多普勒光譜的分析。從光譜中可以計算出反射率，透過對光譜的整合，我們可以獲得相關的氣象數據，進而推導天氣的變化。
光譜的第一動量代表著平均多普勒速度，反映了整體樣本體積中的徑向速度，而第二動量則表明多普勒寬度，提供了檢測到的速度範圍的變異程度。
諸多參數中我們應該注意什麼？
多普勒寬度和偏斜度以及尖峰度都是描述多普勒光譜的關鍵參數。研究這些參數有助於揭示雲結構的微物理與動力變化，對於預測天氣的變化至關重要。此外，雷達的極化測量還提供了更深入的觀察能力，使我們能夠更好地理解降水的機理以及氣候變遷帶來的影響。
隨著技術的進步，毫米波雷達的應用範圍越來越廣泛，但在這無止境的探索中，我們是否能夠完全掌握和理解這些技術背後的物理原理呢？
