氣象衛(wèi)星與雷達探測

氣象雷達與衛(wèi)星探測信息與控制學院2023/2/3主要內容氣象雷達主要內容衛(wèi)星探測2023/2/3氣象雷達（1）雷達發(fā)展概況（2）雷達工作的基本原理（3）雷達工作的基本頻率（4）雷達的用途及其分類（5）氣象雷達基本原理與概念（6）多普勒天氣雷達氣象雷達2023/2/31雷達發(fā)展史起步階段

（1）1903-1904，克里斯琴·赫爾斯邁耶研制出原始的船用防撞雷達并獲得專利權。

（2）1935年，雷達之父沃森·瓦特出版《采用無線電方法探測飛機》，當年研制出探測距離達到80公里的米波防控雷達。（3）二戰(zhàn)期間雷達大放異彩。逐步由軍用→民用，雷達在氣象中的應用從天氣雷達開始。沃森·瓦特2023/2/31雷達發(fā)展史發(fā)展階段（1）二戰(zhàn)后，雷達技術獲得了巨大的發(fā)展，主要原因歸于兩個非常重要的器件發(fā)明：T/R（收/發(fā)）開關和磁控管。（2）收發(fā)開關使雷達的探測成功地從雙（多）基變成單基雷達。也就是從發(fā)分別用一個天線，到共用一個天線。大大簡化了雷達系統(tǒng)。（3）磁控管的出現使雷達的探測功率大大提高，從而大大提高了雷達的探測能力。2023/2/31雷達發(fā)展史成熟階段

20世紀60年代以來，航空、航天技術、飛機、導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等對雷達提出了高精度、遠距離、高分辨率及多目標測量等要求。（1）技術上：脈沖壓縮技術、單脈沖雷達、相控陣雷達、目標識別、目標成像、SAR、脈沖多普勒雷達。（2）結構工藝上：微波高功率放大管，如速調管。（3）雷達的工作波長：從短波擴展至毫米波、紅外線和紫外線領域。在這個時期，微波全息雷達、毫米波雷達、激光雷達和超視距雷達相繼出現。2023/2/32雷達工作基本原理雷達：無線電探測和測距，即用無線電方法發(fā)現目標并測定他們在空間的位置。2023/2/33雷達工作的基本頻率2023/2/33雷達工作的基本頻率2023/2/34雷達的用途及分類軍用預警雷達（發(fā)現洲際導彈，盡早地發(fā)出預警警報）搜索和警戒雷達（發(fā)現飛機）引導指揮雷達（殲擊機的引導和指揮作戰(zhàn)）火控雷達（控制火炮或導彈對空中目標進行瞄準）戰(zhàn)場監(jiān)視雷達（坦克或軍車）機載雷達俄制艦載型的“美洲獅”火控雷達F-35機載雷達2023/2/34雷達的用途及分類民用氣象雷達航空管制雷達等2023/2/34-1氣象雷達分類按工作原理分類常規(guī)天氣雷達；多普勒雷達雙波長雷達雙偏振雷達雙（多）基地雷達按用途分類，測風、測雨、測云等按體制分類，脈沖、調頻、多普勒等2023/2/34-1氣象雷達分類常規(guī)天氣雷達其探測對象主要是降水和含水量較大的云體。這類雷達大多工作在波長為3－10cm之間的微波波段。它主要由發(fā)射機、接收機、顯示器和天線系統(tǒng)組成。有的雷達還配備有數據處理系統(tǒng)，以實現彩色回波圖象顯示，回波外推預報，和回波資料遠距離傳送等功能。天氣雷達對雨區(qū)的有效探測半徑為300—400km。由于探測范圍廣，不受時間限制，并能提供一定精度的定量數據等優(yōu)點，已成為臨近天氣預報的主要工具。2023/2/34-1氣象雷達分類多普勒天氣雷達2023/2/34-1氣象雷達分類雙波長雷達同時在兩個不同波長上發(fā)射和接收電磁波的雷達2023/2/34-1氣象雷達分類雙偏振雷達我國首臺多普勒偏振天氣雷達既能發(fā)射和接收水平偏振波又能發(fā)射和接收垂直偏振波的雷達。2023/2/34-1氣象雷達分類雙地基雷達美國海基X波段雷達在進行依靠自身動力航行一般的雷達是單基地的，即發(fā)射機和接收機安裝在一起，且通常共用一個天線。而雙基地或多基地雷達是將發(fā)射機和接收機分別安裝在相距很遠的兩個或多個站址上。它能有效地捕捉雷達反射波，借助高速計算機標繪出隱形戰(zhàn)機飛過時留下的航跡，并預測之后的航向。2023/2/34-2氣象雷達的發(fā)展20世紀40年代萌芽階段，主要觀測回波的形狀、移動速度、描述回波的形成發(fā)展。20世紀50-60年代定量分析階段，這一階段也是常規(guī)雷達的發(fā)展時期，主要用來分析回波的降水強度和雷達反射率之間的定量關系。20世紀70-80年代雷達的數字化發(fā)展時期，將數字技術和計算機技術大量的應用氣象雷達。20世紀80年代后新一代天氣雷達的發(fā)展時期，多普勒雷達、雙波長雷達、偏振雷達、風廓線雷達等一大批新型雷達被用于氣象探測。2023/2/34-3我國天氣雷達發(fā)展我國天氣雷達發(fā)展大致經歷了從模擬天氣雷達、數字化天氣雷達到多普勒天氣雷達的三個發(fā)展階段。未來：雙極化、相控陣、多地基雷達。2023/2/34-4我國新一代天氣雷達布點2023/2/35氣象雷達基本原理和概念2023/2/35氣象雷達基本原理和概念氣象雷達工作原理

氣象雷達通過方向性很強的天線向空間發(fā)射脈沖無線電波，它在傳播過程中和大氣發(fā)生各種相互作用。如大氣中水汽凝結物（云、霧和降水）對雷達發(fā)射波的散射和吸收；非球形粒子對圓極化波散射產生的退極化作用，無線電波的空氣折射率不均勻結構和閃電放電形成的電離介質對入射波的散射，穩(wěn)定層結大氣對入射波的部分反射；以及散射體積內散射目標的運動對入射波產生的多普勒效應等。

2023/2/35氣象雷達基本原理和概念氣象雷達回波不僅可以確定探測目標的空間位置、形狀、尺度、移動和發(fā)展變化等宏觀特性，還可以根據回波信號的振幅、相位、頻率和偏振度等確定目標物的各種物理特性，例如云中含水量、降水強度、風場、鉛直氣流速度、大氣湍流、降水粒子譜、云和降水粒子相態(tài)以及閃電等。此外，還可利用對流層大氣溫度和濕度隨高度的變化而引起的折射率隨高度變化的規(guī)律，由探測得到的對流層中溫度和濕度的鉛直分布求出折射率的鉛直梯度，并通過分析無線電波傳播的條件，預報雷達的探測距離，也可根據雷達探測距離的異?，F象（如超折射現象）推斷大氣溫度和濕度的層結。2023/2/36多普勒天氣雷達工作原理多普勒天氣雷達的工作原理即以多普勒效應為基礎，具體表現為：當降水粒子相對雷達發(fā)射波束相對運動時，可以測定接收信號與發(fā)射信號的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。運用這種原理，可以測定散射體相對于雷達的速度，在一定條件下反演出大氣風場、氣流垂直速度的分布以及湍流情況等。這對研究降水的形成，分析中小尺度天氣系統(tǒng)，警戒強對流天氣等具有重要意義。2023/2/36多普勒天氣雷達主要組成部分（1）觸發(fā)信號發(fā)生器：觸發(fā)信號發(fā)生器(控制鐘)是整個雷達的控制系統(tǒng)，它周期性地產生一個脈沖式的觸發(fā)信號，觸發(fā)脈沖輸送到調制解調器和顯示器，指揮它們開始工作。每秒種產生的觸發(fā)脈沖數目，稱為脈沖重復頻率，以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency)表示。兩個相鄰脈沖之間的時間間隔，稱為脈沖重復周期，用Ｔ表示，它等于脈沖重復頻率的倒數。實際工作中，可用公式計算脈沖重復周期的數值。2023/2/36多普勒天氣雷達主要組成部分（2）調制解調器（3）發(fā)射機：在調制脈沖的作用下，發(fā)射機產生短促又強大的特高頻振蕩，經天線向空間發(fā)射出去，即探測脈沖。發(fā)射機的主要技術參數有波長（或振蕩頻率F）和脈沖發(fā)射功率。波長：天氣雷達通常使用的波長是厘米波，劃分為K、X、C和S四個波段，K波段的雷達是用來探測非降水的云，X、C和S波段用于探測降水。脈沖發(fā)射功率：是指天線實際發(fā)射的峰值功率，如果忽略了波導管和天線的損耗，則脈沖發(fā)射功率將近似地等于發(fā)射機輸出峰值功率。2023/2/36多普勒天氣雷達主要組成部分（4）天線轉換開關、波導管（5）天線（6）接收機和顯示器2023/2/36多普勒天氣雷達北京南郊S波段天氣雷達塔全貌

南郊S波段多普勒天氣雷達產品圖（回波強度）2023/2/3衛(wèi)星探測氣象衛(wèi)星實質上是一個高懸在太空的高級自動氣象站，是空間、遙感、計算機、通信和控制等高技術相結合的產物?？蛇B續(xù)、快速、大面積地探測全球的大氣變化情況。衛(wèi)星探測2023/2/31總體概況空基全球觀測系統(tǒng)2023/2/31總體概況2023/2/31總體概況2023/2/31總體概況2023/2/32氣象衛(wèi)星分類由于軌道的不同，可分為兩大類，即：太陽同步極地軌道氣象衛(wèi)星和地球同步氣象衛(wèi)星。前者由于衛(wèi)星是逆地球自轉方向與太陽同步，稱太陽同步軌道氣象衛(wèi)星；后者是與地球保持同步運行，相對地球是不動的，稱作靜止軌道氣象衛(wèi)星，又稱地球同步軌道氣象衛(wèi)星。在氣象預測過程中非常重要的衛(wèi)星