大氣綜合探測(cè)第8章氣象雷達(dá)

第8章氣象雷達(dá)2010-4-26內(nèi)容概要一、概述二、氣象雷達(dá)的工作原理、組成和技術(shù)指標(biāo)三、雷達(dá)回波的識(shí)別四、C波段雙基氣象雷達(dá)系統(tǒng)五、毫米波雙極化測(cè)云雷達(dá)六、激光氣象雷達(dá)一、概述探測(cè)器直接置于工作現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)方法的缺點(diǎn)？遙感定義：遙感是一種非接觸的測(cè)量和信息識(shí)別技術(shù)。遙感平臺(tái)：地面；火箭；氣球；飛機(jī)；衛(wèi)星等。遙感的分類：按儀器工作波段劃分：按遙感器的位置劃分：按遙感器的工作方式：現(xiàn)代遙感技術(shù)系統(tǒng)遙感平臺(tái)的架設(shè)遙感器的研制和使用圖像數(shù)據(jù)的處理、識(shí)別和分析應(yīng)用目標(biāo)、背景波譜特性的測(cè)量和研究遙感器的研制和使用可見光遙感器紅外遙感器多波段遙感器微波遙感器可見光遙感器波長(zhǎng)范圍：0.4-0.78微米?？梢姽庠磾z像鏡頭照相機(jī)和可變焦距電視攝像機(jī)等。只能白天使用，測(cè)得是目標(biāo)背景物反射的太陽(yáng)光，記錄的信息或拍攝的圖像是物體反射光強(qiáng)度的空間分布。紅外遙感器波長(zhǎng)范圍：3-14微米。

紅外掃描儀和紅外輻射計(jì)，它們是直接探測(cè)目標(biāo)及背景自身的紅外輻射、獲取目標(biāo)及背景的輻射溫度或熱圖像。多波段遙感器也叫多通道遙感器，波長(zhǎng)范圍：0.32-14微米。

多光譜照相機(jī)和多光譜掃描儀等。是在可見光和紅外遙感器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它們能明顯地分辨多種目標(biāo)及背景的特性。微波遙感器波長(zhǎng)范圍：0.001-1m。分為：測(cè)量微波輻射的散射計(jì)、高度計(jì)、輻射計(jì)等無源系統(tǒng)及微波雷達(dá)有源系統(tǒng)。目前最新的雷達(dá)系統(tǒng)⑴增強(qiáng)性氣象雷達(dá)包括：Nexrad終端多普勒氣象雷達(dá)；風(fēng)廓線雷達(dá)；

TRMM衛(wèi)星氣象雷達(dá)；機(jī)載風(fēng)切變檢測(cè)雷達(dá)；⑵行星探索雷達(dá)用于探測(cè)金星的麥哲倫雷達(dá)；用于探測(cè)體坦，即土星的一個(gè)衛(wèi)星的卡西尼雷達(dá)⑶干涉型合成孔徑雷達(dá)用于場(chǎng)景的三維成像和對(duì)慢速運(yùn)動(dòng)表面目標(biāo)的檢測(cè)。⑷逆合成孔徑雷達(dá)，主要用于艦船的識(shí)別⑸地面穿透雷達(dá)⑹相控陣?yán)走_(dá)：愛國(guó)者、宙斯盾、鋪路爪和B-1B轟炸機(jī)雷達(dá)⑺彈道導(dǎo)彈防御雷達(dá)⑻高頻超視距雷達(dá)⑼戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)⑽用于環(huán)境遙感的雷達(dá)⑾改進(jìn)的空中交通管制雷達(dá)⑿具有復(fù)雜多普勒處理的新型多功能軍用戰(zhàn)斗機(jī)/攻擊機(jī)機(jī)載雷達(dá)IEEE標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)頻率字母頻段名稱IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers)美國(guó)電氣及電子工程師學(xué)會(huì),一個(gè)美國(guó)的工程技術(shù)和電子專家的組織,但它是因大量其他國(guó)家的會(huì)員而出名的。IEEE致力于電氣、電子、計(jì)算機(jī)工程和與科學(xué)有關(guān)的領(lǐng)域的開發(fā)和研究。ITU即國(guó)際電信聯(lián)(InternationalTelegraphUnion

)盟,是電信界最權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)制訂機(jī)構(gòu),成立于1865年5月17日,1947年10月15日成為聯(lián)合國(guó)的一個(gè)專門機(jī)構(gòu),總部設(shè)在瑞士日內(nèi)瓦。ITU成員由各國(guó)電信主管部門組成。波段名稱標(biāo)稱頻率范圍依據(jù)ITU,在第二欄中分配的專用的雷達(dá)頻率范圍波段名稱標(biāo)稱頻率范圍依據(jù)ITU,在第二欄中分配的專用的雷達(dá)頻率范圍Ku12-18GHz13.4-14.0GHzHF3-30MHz15.7-17.7GHzVHF30-300MHz138-144MHzK18-27GHz24.05-24.25GHz216-225MHzKa27-40GHz33.4-36GHzUHF300-1000MHz420-450MHzV40-75GHz59-64GHz850-942MHzW75-110GHz76-81GHzL1-2GHz1215-1400MHz92-100GHzS2-4GHz2300-2500MHzmm110-300GHz126-142GHz2700-3700MHz144-149GHzC4-8GHz5250-5925MHz231-235GHzX8-12GHz8500-10680MHz238-248GHz“IEEEStandardLetterDesignationsforRadar-FrequencyBand,”IEEEStd521-1984氣象雷達(dá)波長(zhǎng)和可探測(cè)的天氣目標(biāo)

波長(zhǎng)／cm頻率/MHz波段可探測(cè)的目標(biāo)0.8635000Ka云和云滴310000X小雨和雪5.55600C中雨和雪103000S大雨和強(qiáng)風(fēng)暴201500L天氣監(jiān)視.74.

新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)

WeatherRadarNetwork

現(xiàn)有:217

部雷達(dá)

組網(wǎng)雷達(dá)S波段--15

部

C波段--42

部局地警戒雷達(dá)X波段--160多部

.73.二、氣象雷達(dá)的工作原理、組成和技術(shù)指標(biāo)氣象雷達(dá)工作原理

雷達(dá)定向發(fā)射的電磁波在大氣中近似以光束傳播，當(dāng)它碰到目標(biāo)物時(shí)，就有一部分電磁波能量被散射返回，回來的信號(hào)（回波）被雷達(dá)接收機(jī)接收，并用顯示器顯示出來，從而根據(jù)發(fā)射波束的指向確定目標(biāo)物的方向。根據(jù)目標(biāo)物的后向散射截面確定的回波強(qiáng)度及回波的相位變化（多普勒頻移）推斷目標(biāo)物（如云、雨、氣溶膠及折射率起伏大的區(qū)域等）的特性。單個(gè)氣象目標(biāo)對(duì)雷達(dá)波的散射和衰減幾個(gè)概念：⑴散射截面

⑵吸收截面⑶消光截面能流密度（能量/時(shí)間*面積）雷達(dá)回波方程天線增益是指:在輸入功率相等的條件下,實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。組成和技術(shù)指標(biāo)定時(shí)器高穩(wěn)定信號(hào)源發(fā)射機(jī)天線系統(tǒng)接收機(jī)天線控制與信號(hào)的采集顯示器定時(shí)器定時(shí)器主要用來產(chǎn)生同步觸發(fā)信號(hào)。它每隔一定的時(shí)間間隔T穩(wěn)定地發(fā)出一個(gè)同步脈沖信號(hào)送到各有關(guān)部分，用以控制發(fā)射機(jī)開始工作的時(shí)刻，同時(shí)控制顯示器時(shí)間基線掃描發(fā)生器開始掃描等，使雷達(dá)全機(jī)協(xié)調(diào)一致地工作。高穩(wěn)定信號(hào)源用一個(gè)高穩(wěn)定的固態(tài)信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)電磁波，然后采用頻率合成技術(shù)，分別形成發(fā)射機(jī)的射頻信號(hào)、輸出混頻器的本振信號(hào)及供給相位檢波器的參考信號(hào)。由于這三路信號(hào)來自同一個(gè)信號(hào)，且非常穩(wěn)定，即相位和頻率隨時(shí)間幾乎不變化，結(jié)果是這三路信號(hào)的相位關(guān)系始終保持穩(wěn)定不變，從而保證雷達(dá)能將回波信號(hào)中由粒子運(yùn)動(dòng)引起的相位變化檢測(cè)出來。發(fā)射機(jī)發(fā)射機(jī)將高穩(wěn)定信號(hào)源送來的弱射頻信號(hào)放大，在調(diào)制器的控制下每隔一定時(shí)間間隔T產(chǎn)生一次短促的強(qiáng)功率射頻震蕩送往天線，向外發(fā)射。天線系統(tǒng)天線通常由饋源（天線輻射體）和反射體兩部分組成。天氣雷達(dá)常用圓形拋物面反射體，而饋源使用波導(dǎo)管擴(kuò)展而成的喇叭口，喇叭口位于拋物面反射體的焦點(diǎn)上。來自發(fā)射機(jī)的射頻脈沖有喇叭口輻射出來，射向拋物面反射體。經(jīng)后者反射，將準(zhǔn)球面波變成一束狹窄的，能量強(qiáng)大而集中的平面電磁波，沿著反射體的軸線向空中傳播。接收機(jī)接收機(jī)重要的指標(biāo)是靈敏度能檢測(cè)的最小回波功率，就是剛能從噪聲電壓中分辨出回波信號(hào)的功率，一般在10-2-10-4W之間。通用單位是dBm，即從天線輸入1mW的標(biāo)準(zhǔn)功率信號(hào)衰減到剛好不能接收時(shí)，輸入功率定位。

天線控制與角信號(hào)的采集雷達(dá)確定目標(biāo)的位置是通過測(cè)定從發(fā)出信號(hào)至收到目標(biāo)回波的時(shí)間算出目標(biāo)的距離，再加上天線波束軸線所處的方位角和仰角，就可以準(zhǔn)確地定出目標(biāo)的空間位置。顯示器-p401距離顯示器平面位置顯示器(PPI)高度顯示器等高平面位置顯示器三、雷達(dá)回波的識(shí)別雷達(dá)回波按照目標(biāo)物的性質(zhì)，大致可以分為兩類：⑴非氣象回波①地物回波；②超折射地物回波；③海浪回波。⑵氣象回波

A.降水回波①層狀云降水回波——片狀回波；②對(duì)流云陣性降水——塊狀回波；③混合性降水——絮狀回波.B.非降水回波①云和霧的回波；②晴空大氣回波。與安徽四創(chuàng)電子股份有限公司的學(xué)術(shù)交流四、C波段雙基氣象雷達(dá)系統(tǒng)1.系統(tǒng)概述2.試驗(yàn)過程簡(jiǎn)述3.數(shù)據(jù)分析主要內(nèi)容雙多普勒天氣雷達(dá)組網(wǎng)觀測(cè)風(fēng)場(chǎng)反演精度高探測(cè)范圍大空間分辨率高價(jià)格昂貴、精確同步困難兩部雷達(dá)的性能差異帶來誤差雙基多普勒天氣雷達(dá)特點(diǎn)觀測(cè)的同時(shí)性好時(shí)、頻同步精度高價(jià)格便宜、易維護(hù)空間分辨率稍低探測(cè)范圍小易受旁瓣污染

雙基多普勒天氣雷達(dá)尤其適用于對(duì)重點(diǎn)地區(qū)的氣象保障、業(yè)務(wù)探測(cè)和大氣科學(xué)研究，是氣象雷達(dá)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。1、C波段雙基氣象雷達(dá)系統(tǒng)——概述

系統(tǒng)體制采用短期空間相干、點(diǎn)跡數(shù)據(jù)融合體制關(guān)鍵技術(shù)空間同步頻率同步時(shí)間同步數(shù)據(jù)融合及風(fēng)場(chǎng)反演氣象目標(biāo)工作頻率C波段探測(cè)能力距離和≥

80km（反射率因子為20dBz）從站探測(cè)范圍水平監(jiān)測(cè)范圍：≥50°

垂直監(jiān)測(cè)范圍：≥4°主、從站同步誤差：≤300ns基本產(chǎn)品三維水平風(fēng)場(chǎng)整機(jī)功耗≤3kw電源要求單相220V±10%，50Hz±5%總體性能指標(biāo)主站天線主站室內(nèi)電子設(shè)備接收站室內(nèi)電子設(shè)備波導(dǎo)裂縫天線GPS天線光纖主站終端及數(shù)據(jù)融合處理站寬帶網(wǎng)無源接收站主站風(fēng)場(chǎng)反演二次產(chǎn)品效果圖風(fēng)場(chǎng)反演產(chǎn)品1、C波段雙基氣象雷達(dá)系統(tǒng)——?dú)庀螽a(chǎn)品2、試驗(yàn)過程——站址選擇兩從站位于主站雷達(dá)兩側(cè)，距離主站雷達(dá)20～30km，兩從站與主站構(gòu)成的夾角應(yīng)在120°左右。這樣可以在有效探測(cè)范圍內(nèi)增加三站的公共覆蓋區(qū)域。2）從站架設(shè)點(diǎn)應(yīng)在縣城或鄉(xiāng)鎮(zhèn)，能夠保證提供正常市電。能夠提供寬帶或ADSL上網(wǎng)。最好選擇在縣氣象局內(nèi)，便于系統(tǒng)維護(hù)和檢查。主站：馬鞍山、從站：和縣、當(dāng)涂和縣氣象局從站實(shí)景圖當(dāng)涂縣氣象局從站實(shí)景圖系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸流程工作過程：主站擔(dān)負(fù)正常的氣象監(jiān)測(cè)任務(wù)，可以采用國(guó)家氣象局規(guī)定的任意體掃模式工作。在一個(gè)體掃周期完成后，主從站可在幾十秒內(nèi)自動(dòng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳到中心處理站，工作人員根據(jù)需要在中心處理站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)反演并分析。中心處理站從站2主站從站1……回波數(shù)據(jù)回波數(shù)據(jù)狀態(tài)回饋控制指令回波數(shù)據(jù)狀態(tài)回饋2、試驗(yàn)過程——系統(tǒng)工作流程風(fēng)場(chǎng)放大圖見下方風(fēng)場(chǎng)反演產(chǎn)品2006年5月22日馬鞍山地區(qū)水平風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果3數(shù)據(jù)分析——風(fēng)場(chǎng)反演準(zhǔn)確性分析１風(fēng)場(chǎng)放大圖見下方風(fēng)場(chǎng)反演產(chǎn)品2006年5月12日馬鞍山地區(qū)水平風(fēng)場(chǎng)反演結(jié)果數(shù)據(jù)分析——風(fēng)場(chǎng)反演準(zhǔn)確性分析２五、毫米波雙極化測(cè)云雷達(dá)1概述2毫米波測(cè)云雷達(dá)的氣象產(chǎn)品毫米波雷達(dá)特點(diǎn)天線小、增益高、波束窄，角分辨率高云霧等細(xì)微粒子對(duì)毫米波散射特性明顯，有利于研究其微物理過程系統(tǒng)體積小，重量輕，使用和維護(hù)成本低概述對(duì)于云目標(biāo)，目前以人工觀測(cè)為主，僅能觀測(cè)云量、云狀和云高，時(shí)效差，準(zhǔn)確度低毫米波測(cè)云雷達(dá)可用于非降水云和弱降水云探測(cè)，可提供云底高、云厚和云的分布，高、中、低云識(shí)別，冰相、水相、混合相云的識(shí)別，云粒子半徑反演等測(cè)云適用于機(jī)場(chǎng)、港口、氣象、人工影響天氣、大氣物理研究等部門毫米波測(cè)云雷達(dá)在國(guó)外近十年前已有應(yīng)用，如8mm（Ka波段）、3mm（W波段）測(cè)云雷達(dá)。概述2004年1～10月，毫米波雷達(dá)技術(shù)調(diào)研、資料搜集；2004年11月，正式立項(xiàng)，開展常規(guī)毫米波測(cè)云雷達(dá)研制；2006年10月，完成毫米波測(cè)云雷達(dá)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，在此期間收集到大量回波數(shù)據(jù)；2007年1～8月，在××試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)雷達(dá)進(jìn)行外場(chǎng)試驗(yàn)；

主要技術(shù)特點(diǎn)

單極化發(fā)射發(fā)射45°斜線極化毫米波雙極化接收同時(shí)接收45°和135°斜線極化波

（或發(fā)射水平極化波，同時(shí)接收水平和垂直極化波）

多參數(shù)測(cè)量同時(shí)提供云目標(biāo)等效反射率因子和線性退極化比結(jié)構(gòu)靈活固定站或車載式、拖車式結(jié)構(gòu)

工作頻率Ka波段探測(cè)范圍150m～40km探測(cè)能力強(qiáng)度–50～＋30dBz退極化比-5～-30dB掃描范圍方位0～360°

俯仰0～+90°輸出基本信息云反射率因子、線性退極化比基本產(chǎn)品PPI、RHI、CAPPI、THI(時(shí)間高度）二次產(chǎn)品云底高、云厚和云的分布，高、中、低云識(shí)別，冰相、水相、混合相云的識(shí)別，云粒子半徑反演可靠性與維修性MTBF≥400h，MTTR≤0.5h

主要性能技術(shù)指標(biāo)天線型式1.5m前饋式圓口徑拋物面天線天線增益≥50dB波束寬度0.4°極化方式45°斜線極化發(fā)射、45°和135°極化雙路同時(shí)接收（或水平極化發(fā)射、水平和垂直極化雙路同時(shí)接收）天線掃描PPI、RHI、體掃和固定位置指向發(fā)射管Ka波段同軸磁控管發(fā)射功率≥20kw（峰值）脈沖寬度0.5us重復(fù)頻率1600Hz

主要性能技術(shù)指標(biāo)概述噪聲系數(shù)≤4.5dB中頻頻率60MHz動(dòng)態(tài)范圍≥80dB距離庫(kù)長(zhǎng)75m處理方式DVIP脈沖積累數(shù)16/32/64/128/256/512/1024/2048終端處理高性能微機(jī)（含19吋純平顯示器）1臺(tái)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)控制，回波顯示、存儲(chǔ)等功能整機(jī)功耗≤3kw電源要求單相220V±10%，50Hz±5%

主要性能技術(shù)指標(biāo)概述天線正交極化接收（低噪聲放大、混頻）饋源正交模耦合器環(huán)行器發(fā)射機(jī)同極化接收（低噪聲放大、混頻）中頻對(duì)數(shù)放大中頻對(duì)數(shù)放大信號(hào)處理DVIP強(qiáng)度估值DVIP線性退極化比估值反射率因子Z線性退極化LDR終端處理與顯示云探測(cè)結(jié)構(gòu)原理圖

轉(zhuǎn)臺(tái)匯流環(huán)對(duì)數(shù)視頻信號(hào)觸發(fā)信號(hào)控制指令狀態(tài)/故障回饋角度信號(hào)天線饋線元件收發(fā)分機(jī)信號(hào)處理伺服分機(jī)配電分機(jī)雷達(dá)機(jī)柜終端微機(jī)微機(jī)顯示器網(wǎng)線監(jiān)控分機(jī)天線、轉(zhuǎn)臺(tái)

設(shè)備組成和布局天線、轉(zhuǎn)臺(tái)

天線口徑1.5m；發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位于天線背后，隨天線同步轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)有方位和俯仰電機(jī)、減速器、旋轉(zhuǎn)變壓器、匯流環(huán)

天線發(fā)射機(jī)接收機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)匯流環(huán)

設(shè)備組成和布局雷達(dá)機(jī)柜

監(jiān)控分機(jī)（工控機(jī)，自帶液晶顯示屏）信號(hào)處理器（單塊處理板＋低壓電源模塊）伺服分機(jī)包括2塊R/D板、1塊伺服控制板、方位/俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、低壓電源模塊等配電分機(jī)用于市電轉(zhuǎn)接和分配，面板上裝有開關(guān)、保險(xiǎn)絲座和指示燈等監(jiān)控分機(jī)信號(hào)處理伺服分機(jī)配電分機(jī)

設(shè)備組成和布局終端微機(jī)

由高性能微機(jī)和19英寸液晶顯示器組成，位于終端顯示臺(tái)上。終端微機(jī)和雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口。

設(shè)備組成和布局R6型測(cè)云雷達(dá)的氣象產(chǎn)品

右圖為RHI掃描的回波，可以直觀地看到空中有三層云，并測(cè)出每層云的高度和厚度，其中最高層約13Km。云目標(biāo)反射率因子同極化強(qiáng)度正交極化強(qiáng)度線性退極化比云目標(biāo)反射率因子同極化強(qiáng)度正交極化強(qiáng)度線性退極化比R6型測(cè)云雷達(dá)的氣象產(chǎn)品

右圖為THI（時(shí)間高度顯示-天線為固定指向）掃描的回波，可以直觀地看到在空中同一高度云的形成和消失。

零度層亮帶是層狀云降水的一個(gè)重要特征，它反映了在層狀云降水中存在明顯的冰水轉(zhuǎn)換區(qū)，對(duì)其位置的識(shí)別對(duì)于提高雷達(dá)識(shí)別降水粒子的形態(tài)（雨、雪、冰雹等）的能力、定量估測(cè)降水的精度以