天气雷达性能对比分析毕业论文.doc

学学 位位 论论 文文 天气雷达性能对比分析天气雷达性能对比分析 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别 加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论 文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和 电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并 提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其 它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论 文的部分或全部内容 作者签名 日 期 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 注 意 事 项 1 设计 论文 的内容包括 1 封面 按教务处制定的标准封面格式制作 2 原创性声明 3 中文摘要 300 字左右 关键词 4 外文摘要 关键词 5 目次页 附件不统一编入 6 论文主体部分 引言 或绪论 正文 结论 7 参考文献 8 致谢 9 附录 对论文支持必要时 2 论文字数要求 理工类设计 论文 正文字数不少于 1 万字 不包括图纸 程序清单等 文科类论文正文字数不少于 1 2 万字 3 附件包括 任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 4 文字 图表要求 1 文字通顺 语言流畅 书写字迹工整 打印字体及大小符合要求 无错别字 不准 请他人代写 2 工程设计类题目的图纸 要求部分用尺规绘制 部分用计算机绘制 所有图纸应符 合国家技术标准规范 图表整洁 布局合理 文字注释必须使用工程字书写 不准用 徒手画 3 毕业论文须用 A4 单面打印 论文 50 页以上的双面打印 4 图表应绘制于无格子的页面上 5 软件工程类课题应有程序清单 并提供电子文档 5 装订顺序 1 设计 论文 2 附件 按照任务书 开题报告 外文译文 译文原文 复印件 次序装订 3 其它 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价 指导教师评价 一 撰写 设计 过程 1 学生在论文 设计 过程中的治学态度 工作精神 优 良 中 及格 不及格 2 学生掌握专业知识 技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3 学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4 研究方法的科学性 技术线路的可行性 设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5 完成毕业论文 设计 期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 三 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩 建议成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 在所选等级前的 内画 指导教师 指导教师 签名 单位 单位 盖章 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价 评阅教师评价 一 论文 设计 质量一 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 水平二 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩 建议成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 在所选等级前的 内画 评阅教师 评阅教师 签名 单位 单位 盖章 年年 月月 日日 教研室 或答辩小组 及教学系意见教研室 或答辩小组 及教学系意见 教研室 或答辩小组 评价 教研室 或答辩小组 评价 一 答辩过程一 答辩过程 1 毕业论文 设计 的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2 对答辩问题的反应 理解 表达情况 优 良 中 及格 不及格 3 学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 质量二 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 三 论文 设计 水平三 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩 评定成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 教研室主任 或答辩小组组长 教研室主任 或答辩小组组长 签名 年年 月月 日日 教学系意见 教学系意见 系主任 系主任 签名 年年 月月 日日 天气雷达性能对比分析天气雷达性能对比分析 摘要摘要 在探测大气的各种实践中 天气雷达以其高时空分辨率 及时准确的主动 遥感探测能力成为中小尺度灾害性天气监测和短时天气预报中极为有效的工具 为了较为准确的掌握我国各种天气雷达的探测方法 技术性能和产品运用情况 本论文通过 先分后合 的方法先对常规天气雷达 711 天气雷达 多普勒雷 达 CINRAD SA 和双偏振雷达 WSR 98D XD 工作原理 组成和技术性能进行 说明 并在此基础上再采用 两两对比 的方法进行性能对比分析 从而达到 了解并掌握我国目前正在使用的各种天气雷达 为今后的天气雷达维修与维护 提供一定的理论基础 关键字关键字 雷达性能对比 常规 多普勒 双偏振 Comparative Analysis of Weather Radar Performance Abstract In the period of detecting the ether the weather radar with its high temporal and spatial resolution the timely and accurate remote sensing becomes an effective tool to monitor small and medium scale disasters and forecast short term weather In order to master various detective methods of weather radar technical performance and product use more accurately the paper aims to understand and master all kinds of weather radar we are using in our country and provide the theoretical basis for weather radar s repair and maintenance in the future through introducing the conventional weather radar 711 Weather Radar Doppler radar CINRAD SA and dual polarization radar WSR 98D XD principle composition and technical performance by First separate then merger and comparing their performance by Contrast the two two Keyword performance comparison conventional Doppler dual polarization 目目 录录 论文总页数 25 页 1 引言 1 2 711 雷达概述 1 2 1 711 测雨雷达的基本工作原理 1 2 1 1 目标距离的测定 1 2 1 2 目标方位的测定 2 2 1 3 目标高度的测定 2 2 2 711 雷达的组成及工作过程概述 2 2 3 711 雷达的主要性能 3 3 新一代多普勒天气雷达介绍 5 3 1 新一代天气雷达简介 5 3 2 CINRAD SA 天气雷达系统工作原理 6 3 2 1 雷达数据采集 RDA 6 3 2 2 产品生成 RPG 7 3 2 3 产品显示 PUP 7 3 3 多普勒雷达的优越性 7 4 双偏振雷达 WSR 98D XD 概述 8 4 1 工作原理 8 4 2 WSR 98D XD 天气雷达的特点 9 4 3 主要技术指标 如表 3 1 所示 10 5 天气雷达对降水的测量方法 10 5 1 探测原理 10 5 2 雷达气象方程 11 5 3 WSR 98D XD 雷达探测能力估算相关因子 11 6 新一代天气雷达 CINRAD SA 与常规天气雷达 711 的对比分析 12 6 1 新一代天气雷达与常规天气雷达主要技术指标对比分析 12 6 2 新一代天气雷达与常规天气雷达技术体制的主要差异 14 6 2 1 发射 接收体制的差异 14 6 2 2 信号处理的差异 14 6 3 性能特点对比分析 14 6 4 丰富的应用产品 15 7 新一代天气雷达 CINRAD SA 与双偏振雷达 WSR 98D XD 的性能对比 15 7 1 天线 馈线和伺服系统 16 7 1 1 CINRAD SA 16 7 1 2 WSR 98D XD 16 7 2 发射机 17 7 2 1 CINRAD SA 17 7 3 接收机 19 7 3 1 CINRAD SA 19 7 3 2 WSR 98D XD 20 7 4 产品应用 21 结 论 22 参考文献 23 致 谢 24 声 明 25 第 1 页 共 25 页 1 1 引言引言 1 课题背景 测雨雷达 就是利用物体对电磁波的散射作用来对云 雨 雪 雹等进行观测的 当雷达天线发射出去的电磁波在空间传播时 若遇到目 标物时 就有一部分辐射会被反射回来 并被雷达天线接收 这时在显示器上 的荧光屏上就会出现许多明亮不等的区域 即云 雨 雪 雹的回波图像 简 称气象回波 所以 用测雨雷达可以随时提供几百公里范围内云和降水的分布 结构等气象情报 2 国内外研究现状 随着我国经济的快速发展 原有的常规化天气雷达已 难以满足社会发展和经济建设对气象灾害监测预警服务越来越高的要求 突出 体现在雷达获得的探测信息少 技术性能偏低 可靠性和稳定性差 组网能力 弱等方面 部分天气雷达工作近 20 年 已接近或超过其使用寿命 目前我国东 部和中西部地区多为新一代 S 频段和 C 频段多普勒天气雷达 但这种雷达也有 局限性 双偏振雷达在我国起步较晚 至今没有投入正常的业务使用 开展这 方面的应用研究也比较少 不过近几年发展偏振雷达的呼声较高 尤其是科研 和人工影响天气工作的部门 都在筹划和发展各自的偏振雷达 目前就我国的 现代天气雷达的发展规划和发展趋势来讲 双线偏振天气雷达将是今后的主要 探测手段 3 本课题研究的意义 在今后的实际工作中 面对不同的天气雷达 采用 合理的方式方法进行日常维修 天气监测及相关资料的应用分析 因此我们对 这三种不同天气雷达的性能进行对比分析是很有必要的 4 本课题的研究方法 通过 先分后合 的方法先对常规天气雷达 711 天气雷达 多普勒雷达 CINRAD SA 和双偏振雷达 WSR 98D XD 工作原理 组成和技术性能等进行简要介绍 并在此基础上再采用 两两对比 的方法进 行性能对比分析 2 2 711711 雷达概述雷达概述 2 12 1 711711 测雨雷达的基本工作原理测雨雷达的基本工作原理 711 测雨雷达用来测定 200 公里范围内空间的云 雨 雪 雹等的距离 方位和高度 以及云层的厚度 对于 200 300 公里范围内的积雨云层 能测出 距离和方位 目标的斜距 D 方位角 和高度 H 这三个数据都是以雷达所在 的位置为原点来计量的 如图 1 1 所示 图中原点为雷达所在的位置 斜距就 是目标与雷达之间的直线距离 D 方位角就是目标与正北方位之间的夹角 规定以正北方位作为起始方位 在水平面上按顺时针方向划分为 360 度 高度是指目标到地面的垂直距离 H 2 1 12 1 1 目标距离的测定目标距离的测定 第 2 页 共 25 页 雷达的测距原理是以电磁波的反射和电磁波的传播速度为依据的 711 雷 达是一种脉冲制雷达 它向空间发射电磁波 称为发射波 当发射波遇到目标 后 就被反射 形成反射波返回雷达 并被雷达所接收 这就是目标回波 由 于电磁波在空间的传播速度等于光速 c 因此 只要测出电磁波从出发到返回所 经过的时间 t 就能计算出电磁波往返的路程 这个路程的一半就是目标的距 离 D 写成公式就是 D c t 2 积雨云层 DH 图 1 1 目标的位置 2 1 22 1 2 目标方位的测定目标方位的测定 从天线发射出去的电磁波并不是四面八方都有 而是象探照灯的灯光一样 集中在某一个方向上形成波束 当天线旋转时 波束也随着旋转 只有当波束 转到目标所在方位 对准目标时 才有电磁波反射回来 显示器荧光屏上出现 回波 并且最亮时 天线所指方位就是目标的方位 2 1 32 1 3 目标高度的测定目标高度的测定 测高原理是以测定斜距 D 和测定仰角 之间的关系 可由三角公式 H D sin 求出 然而 由于地面的球型弯曲和大气折射的影响 计算目标高 度是 就不能用 H D sin 来简单计算了 而必须加以修正 修正量 H D 17000 以公里为单位 称为 地球曲率补偿高度 或简称 地球补 偿高度 因此 H D sin D 17000 2 22 2 711711 雷达的组成及工作过程概述雷达的组成及工作过程概述 图 1 2 所示 它由发射机 天线波导系统 接受机 距离显示器 平面显 示器 分频器 显示器电源部 天线控制器以及供电系统等部分组成 发射机产生的大功率高频脉冲 经过波导系统送到天线 由天线定向发射 第 3 页 共 25 页 到空间 此外 发射机还分五路输出触发脉冲 一路送到接收机 用来控制接 收机中的自动频率控制器 使该电路与发射机同步工作 另一路送到分频器 还有三路分别送到距离显示器和高度显示器 使各个显示器和发射机同步工作 从目标反射回来的高频回波脉冲 经过波导系统送到接收机 接收机将微 弱的高频回波脉冲进行频率变换和幅度放大以后 输出视频脉冲到距离显示器 并经过距离显示器送到平面显示器 分频器产生距离标志脉冲送到距离显示器和平面显示器 同时 它产生重 复频率为 200 赫的触发脉冲送到高度显示器 使之产生高度扫描电压 平面显 示器输出回波和距离标志的混合信号送到高度显示器 天线控制器控制天线做方位旋转和俯仰往返 波导系统 接收机 平面显示器 天线控制器 发射机 距离显示器 高度显示器 显示器电源部分频器 雷 达 图 1 2 711 测雨雷达简化方块图 2 32 3 711711 雷达的主要性能雷达的主要性能 雷达的性能主要分为工作性能和技术性能两个方面 由表 1 1 所示 1 探测范围 711 雷达对于中等强度的积雨云层能够测距的范围不大于 300 公里 测高的 第 4 页 共 25 页 上限是 20 公里 探测范围就是雷达能够测定目标的距离和高度范围 探测范围 是由很多因素决定的 属于雷达本身的因素有 脉冲功率 脉冲宽度 脉冲重 复周期 天线的性能 接收机的性能等等 属于雷达以外的因素有 地形条件 云层的范围 密度等 此外 还与操纵 观测人员的经验有关系 因此 雷达 的探测范围并不是固定的 情况和条件不同是 探测范围的大小也不同 2 精确度 711 雷达的测距误差为各挡最大距离的 2 方位误差小于 2 度 高度 标志的误差小于 200 米 精确度度是指雷达测定目标的距离 方位 高度所 能达到的准确程度 通常用误差值表示 3 分辨能力 711 测雨雷达的距离分辨能力小于 500 米 方位分辨能力小于 1 5 度 分辨 能力是指雷达能够分清两个互相靠近的目标的能力 距离分辨能力通常是指相 同方位 相同高度的相邻两个目标 在显示器荧光屏上能分清时 两个目标之 间的空间距离 方位分辨能力是指相同距离 相同高度的相邻两个目标 在显 示器荧光屏上能分清时 两个目标之间相隔的方位角 表 1 1 711 的主要技术性能 工作波长 cm 3 19 3 21 发射机 工作频率 MHz 9340 9400 平均功率 30W 测高上限 20km 频率 9370 30MHz 测距范围 1 8MHz 精确度 高度标志误差 米小于 200灵敏度约为 0 25 微微瓦 距离分辨能力 500 米天线分辨能力 方位分辨能力 105dB 波束宽度1 45 度 4 工作频率和工作波长 711 雷达的工作频率为 9340 9400MHz 工作波长为 3 19 3 21 厘米 工作 频率的高低 直接影响到雷达的精确度 分辨能力和探测范围 从提高精确度 和分辨能力出发 工作频率越高越好 但是 由于大气 云 雨 雪等对电磁 波能量的吸收 是随着工作频率的升高而增大的 因此 过高的工作频率就会 减小雷达的探测范围 工作波长是指电磁波在一个振荡周期内在空间所传播的 距离 用符号 表示 波长等于光速 c 和工作频率 f 的比值 即 c f 5 脉冲重复频率和脉冲重复周期 第 5 页 共 25 页 711 雷达的脉冲重复频率为 400Hz 重复周期为 2500 s 脉冲重复频率就 是雷达发射的高频脉冲每秒钟重复出现的次数 用符号 F 表示 脉冲重复频率 的高低 直接影响到雷达探测范围的大小 F 越高 显示器荧光屏上显示的回 波越清晰 远距离的目标越容易被发现 但是 F 过高时 雷达的最大探测距 离又会受到限制 脉冲重复周期是相邻两个高频脉冲之间的间隔时间 用符号 T 表示 脉冲重复周期和脉冲重复频率在数值上互为倒数 3 脉冲宽度 711 雷达的脉冲宽度为 1 s 脉冲宽度是指一个高频脉冲的持续时间 用 符号 表示 的宽窄 主要影响到雷达的最小探测距离和距离分辨能力 脉冲宽度越窄 最小探测距离越小 距离分辨能力越强 4 脉冲功率和平均功率 711 雷达的脉冲功率为 75W 平均功率为 30W 脉冲功率就是在高频脉冲 持续期间发射机输出的功率 也叫峰值功率 用符号 Pm表示 脉冲功率的大小 主要影响雷达的探测范围 在一定条件下 脉冲功率越大 雷达的探测范围也 越大 平均功率是指脉冲功率在一个重复周期内的平均值 用符号 Pc表示 5 波瓣宽度 前已提及 天线辐射的电磁波能量如同探照灯的灯光一样 集中在某一个 方向上形成波束 它的形状就象花瓣一样 于是人们叫他波瓣 这种图叫波瓣 图 波瓣图上两个半功率点方向之间的夹角 就是波瓣宽度 它是用来衡量天 线定向发射性能好坏的一个指标 越小 天线的定向性能越好 711 雷达在 垂直方向上的波瓣宽度为 1 45 度 在水平方向上的波瓣宽度为 1 5 度 3 3 新一代多普勒天气雷达介绍新一代多普勒天气雷达介绍 3 13 1 新一代天气雷达简介新一代天气雷达简介 新一代天气雷达间歇性地向空中发射电磁波 称为脉冲式电磁波 它以近 于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播 在传播的路径上 若遇到了气 象目标物 脉冲电磁波被气象目标物散射 其中散射返回雷达的电磁波 称为 回波信号 也称为后向散射 在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等的特征 在雷达探测中 气象目标的空间位置是用雷达天线至目标物的直线距离 亦称斜距 雷达天线的仰角和方位角来表示 斜距 可根据电磁波在大气中 的传播速度 和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔来确定 电磁波在大气中 传播速度是略小于它在真空中的传播速度 但对斜距精度影响不大 故近似用 C 来表示 CINRAD 有高的可靠性 支持 24 小时连续运转 20 年产品寿命周期 第 6 页 共 25 页 CINRAD 的软件更为丰富 在引进 NEXRAD 的各种软件的基础上 还容金了我过 近年来的科研成果 CINRAD 增强了探测强雷暴的能力 能较早地探测到威胁航 行的气流和发生灾害性洪水的可能 并为水资源的管理决策提供有价值的信息 CINRAD SA 天气雷达的主要性能指标见表 2 1 表 2 1 CINRAD SA 天气雷达主要性能指标 威力覆盖范围 460km 发射机 强度类型全相干放大链 定量探测范围 230km 频率 2700 3000MHz 准确度 1dB 峰值功率750kW 最小 S N 10dB 精度 1dB 脉冲宽度1 57 s 4 71 s 平均径向速度 PRF318 1304Hz 不模糊速度 8dB 时 精度 0 5m sNF 3 0dB 谱宽短时 1S 频率稳定度 45dB 最小探测范围 当 S N 0dB 目标 位于 50km 时 7 5dBz 波束宽度 0 99 度 杂波滤波器忧于 50dB第一旁瓣电平 27dB 3 23 2 CINRAD SACINRAD SA 天气雷达系统工作原理天气雷达系统工作原理 多普勒效应是澳大利亚物理学家 J Doppler1842 年首先从运动着的发声源 中发现的现象 多普勒天气雷达的工作原理即以多普勒效益为基础 具体表现 为 当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时 可以测定接收信号与发射信号 的高频频率之间存在的差异 从而得出所需的信息 运用这种原理 可以测定 散射体相对于雷达的速度 在一定条件下反演出大气风场 气流垂直速度的分 布以及湍流情况等 天气雷达间歇性地向空中发射电磁波 称为脉冲式电磁波 它以近于直 线的路径和接近光波的速度在大气中传播 在传播的路径上 若遇到了气象目 标物 脉冲电磁波被气象目标物散射 其中散射返回雷达的电磁波 称为回波 信号 也称为后向散射 在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等的特征 CINRAD SA 雷达系统框图见图 2 1 整个雷达系统包括三大组成部分 雷达 数据采集 RDA 产品生成 RPG 和产品显示 PUP 3 2 13 2 1 雷达数据采集雷达数据采集 RDARDA 这部分由天线 馈线系统 发射机 接收机 信号处理机和雷达监控主机 第 7 页 共 25 页 组成 完成微波的产生 功率放大 发射 空域扫描 回波接收 放大 正交 解调 模数变换 数据采集 杂波滤除 信息提取 平滑滤波等功能 雷达工 作前的系统标定 雷达工作过程中的参数检测 以及工作方式 工作状态的设 定等 也在这里完成 图 2 1 CINRAD SA 雷达系统框图 3 2 23 2 2 产品生成产品生成 RPGRPG RPG 主要负责接收来自 RDA 的基本数据 通过一系列的气象算法 形成多 种图形 图象 字母数字气象产品 3 2 33 2 3 产品显示产品显示 PUPPUP 天线 天线罩 大口径 低付瓣 全天候 接收机 相干稳定频率源 线性通道 对数通道 干扰检测 测试信号源 发射机 全相干 大功率 频谱控制 信号处理机 强度信号处理 多普勒信号处理 杂波滤除 雷达监控 雷达控制 伺服控制 数据传输 参数标定 故障诊断 存 档 A 卫星通道 产品生成 气象产品生成 系统控制 E1 T1 宽带传输 存档 B 单元控制台 系统管理 状态显示 控制指令 主用工作站 RHI PPI 控制 图象 图形显示 文本信息显示 人机交换 辅用户工作站 图象 图形显示 文本信息显示 人机交换 本地 远程 局域网 广域网 第 8 页 共 25 页 通过各种通信手段 将生成的各种气象应用产品传送分发至不同需要的用 户端 并直观的显示出来 主要功能是接收 RPG 生成的产品和雷达状态信息 以图象 图形方式提供给预报分析人员 3 33 3 多普勒雷达的优越性多普勒雷达的优越性 1 常规天气雷达只能得到天气系统的雷达回波分布和强度信息 而多普 勒天气雷达除此之外还能通过产生的多普勒速度场获得风场和谱宽信息 这将 显著的增强多普勒雷达监测预报的能力 2 常规天气雷达对热带气旋 台风 的监测 主要是根据雷达反射率因 子所描绘的 台风眼 几何中心位置的变化来跟踪热带气旋的移动 不能准确 的确定台风强度及变化 台风眼 附近的风害位置和暴风带等有关台风的重要 特征 而多普勒雷达探测资料可以更好地提供反映热带气旋结构特征的信息 明显地改善热带气旋 台风 登陆位置和强度预报的准确性 3 大气的垂直运动能力反映云和降水的生成以及对流发展的不稳定性 这对雷暴 冰雹等风雹灾害的短时预报极为重要 目前依赖于常规资料难以准 确地进行中尺度天气分析 但大量的实验研究证明多普勒雷达对风和降水具有 高分辨率的四维探测能力 可获得探测范围内垂直速度和散度的局地分布 这 些对准确预报雷暴生成时间 地点是很重要的信息 有助于预报人员改进风暴 灾害预报 4 多普勒天气雷达有能力提供详细的中小尺度天气的观测资料 特别是 通过获得的晴空和大范围降水区内的风场资料等信息 对改善地形影响降水的 短时预报 监测预报与锋面相关的天气变化 预报雷暴的发展和移动等有重要 作用 并可明显提高短期和短时天气预报能力 4 4 双偏振雷达 双偏振雷达 WSR 98D XDWSR 98D XD 概述 概述 所谓双线偏振雷达 就是雷达有水平和垂直两个偏振通道 可以同时或交 替发射和接收水平和垂直两种线偏振波 WSR 98D XD 型脉冲多普勒雷达是 X 波 段 双极化 同时发射接收 水平极化 全相参脉冲多普勒雷达 主要用于发 现 跟踪和监测 300 公里范围内的雷雨 冰雹 龙卷风等局地强对流天气和降 水现象 定量测量 150Km 范围内的降水强度 降水云系的垂直分布 移向移速 谱宽等多普勒参数和双极化参数 为天气预报保障 人工影响天气和大气科学 研究提供实时气象信息 WSR 98D XD 型雷达在监测局地性灾害性 危险性天气 实施人工影响天气作业 部队作战气象保障和飞行气象保障中具有 S 波段和 C 波段天气雷达所无法替代的独特作用 下面简单介绍 WSR 98D XD 的工作原理 特点及性能指标 4 14 1 工作原理工作原理 第 9 页 共 25 页 WSR 98D XD 型双极化多普勒天气雷达是利用降水水滴对电磁波的后向散射 特性 发现 跟踪降水云系的发生 演变 测定它的空间分布 强度 移向移 速 利用多普勒原理和双极化探测方法 测定降水水滴的径向速度 速度谱宽 相态 识别降水性质 降水强度 功能框图如图 3 1 所示 双极化馈源 天线 方位旋转关节 数字中频 信号处理器 频率综合器 三极化开关 波导开关 发射机 俯仰旋转关 节 俯仰旋转关节 环行器 接收机 产品生成 显示 接收机 环行器 高频激励信号 频率综合器 高频起始信号 信号处理器 图 3 1 WSR 98D XD 功能框图 4 24 2 WSR 98D XDWSR 98D XD 天气雷达的特点天气雷达的特点 1 很强的局地性强对流天气目标发现能力 对灾害性 危险性天气预警察 时间长 2 很强的 BIT 技术和自动标定校正技术 硬件 软件相结合的全机工作状 态监控 故障隔离定位 自动告警 故障保护 安全连锁技术 故障隔离定位 时间短 雷达可靠性高 维修好 多普勒参数定量测量精度高 第 10 页 共 25 页 3 移植了 CINRAD SA 多普勒天气雷达的 已经实践验证的雷达产品生成 显示软件 输出产品丰富 精确度高 实用性强 4 先进的同时发射接收双极化探测功能和水平 垂直极化双通道平衡设计 双极化 单极化转换功能 5 注重电磁兼容性设计 如 整机 分机 机柜以及各种信号的接地 屏 蔽 滤波 隔离等 提高雷达电磁兼容能力和可靠性 6 体积小 重量轻 易于改装 适合于实施机动性现场气象保障 大气科 学试验和军事行动气象保障任务 7 性价比高 费用低 对操作人员和后勤支持要求不高 4 34 3 主要技术指标 如表主要技术指标 如表 3 13 1 所示 所示 表 3 1 WSR 98D XD 雷达的主要技术性能 工作频率 9420 20MHz 距离 100m 探测能力 5 21dBZ 方位角0 2 度 强度最大探测距离 300Km 俯仰角0 2 度 最大定量探测距离 150Km 高度200m 距离 100km 多普勒最大厕距 150Km 测量精度 300m 100 200km 高度探测范围 0 20Km 脉冲功率 75KW 强度 10dB 75dB 脉冲宽度 s0 33 0 83 2 5 速度 30m s 重复频率 300 1055Hz 探测范围 速度谱宽 0 16m s 发射机 动目标改善因子 45dB 噪声系数中频带宽动态范围灵敏度接收机 2 5dB60MHz1 5MHz 90dB 110dBm 5 5 天气雷达对降水的测量方法天气雷达对降水的测量方法 5 15 1 探测原理探测原理 雷达发射的电磁波照射到天气目标时 一部分电磁波能量被天气目标中的 水滴 冰晶等吸收 另一部分被散射 被散射的电磁波中一部分按入射波方向 被雷达接收 这一部分散射称为反射 为表征天气目标的反射能力 通常用目 标发射面积 表示 定义为一个理想的 各向同性的反射面积 它反射到雷达 的功率密度与实际目标一致 对于球型水滴 当水滴直径 D 远小于雷达工作波长 时 即 1 则 单个水滴的雷达截面积为 i 5 4 m2 1 m2 2 2 Di6 5 4 K 2 Di6 1 式中 m 为水的复折射指数 雷达探测的降水目标为水滴群 其有效雷达截面积为与波瓣宽度和脉冲宽 度所组成的体积中所有水滴的 i的和 5 4 K 2 Di6 2 第 11 页 共 25 页 通常用 雷达反射因子 Z 表示 Di6 它与降水水滴尺寸谱的分布有关 即 5 4 K 2Z 3 式中 K 2和物理性质 雷达波长 环境温度等有关 对水和冰晶 K 2与 波长和温度的关系很小 对水晶 K 2 0 93 对冰晶 K 2 0 197 4 反射因子 Z 与降水强度的关系为 Z AIB 其中 A B 为经验常数 其取值与降水类型有关 A 的取值范围为 100 400 B 的取值范围为 1 0 2 0 对于一般降雨Z 200I1 6 其中 Z 的单位为 mm6 m3 I的单位为 mm h 由于雷达接收的回波功率取决于降水目标的反射因 子 Z 值 因此天气雷达可通过测量接收的回波功率 Pr 计算出降水目标的反射 因子 Z 值 按 4 式计算出降水强度 I 值 此外 可根据天气雷达显示的降水 回波图像 识别降水目标的性质和空间分布 方位 距离 高度等 跟踪 判 断降水目标的移向移速和发展演变趋势 5 25 2 雷达气象方程雷达气象方程 天气雷达探测的降水目标是体目标 雷达波瓣所照射的降水目标的反射面 积和雷达探测距离的平方成正比 降水回波功率与雷达参数 降水性质 强度 距离等的关系用雷达气象方程表示 Pr 3 1024 2 m2 1 m2 2 2 PtG2 Y K Z 2r2 5 式中 Pr 雷达接收的雷达回波平均功率 W Pt 雷达发射脉冲功率 W G 雷达天线有效增益 天线波束宽度 发射脉冲宽度 s C 电磁波传播速度 m s 降水区在雷达分辨率体积中的充实系数 K 电磁波传播的衰减因子 M 水的复折射指数 R 目标距离 m Z 降水目标反射率因子 说明 a 上述方程已计入天线波束扫描损失 b 馈线衰减已计入 G Pt Pr 中 c 天线雷达用圆锥形波束 因此 d 对 X 波段雷达取 K 1 e 在 r 300kr 范围内 取 1 第 12 页 共 25 页 所以 5 式可以简化为 Pr 3 1024 2 m2 1 m2 2 2 K2PtG2 C 2Z 2r2 3 1024 2 K 2 PtG2 C 2Z 2r2 6 5 35 3 WSR 98D XDWSR 98D XD 雷达探测能力估算相关因子雷达探测能力估算相关因子 根据 WSR 98D XD 雷达参数 用 6 式可估算本雷达的探测能力 即能探 测的 Zmin 值 Zmin 1024 2 3 1 G 2 Pmin 2 r2 Pt C 7 计算得 WSR 98D XD 雷达的 Zmin 8 73dBZ 300km 中等强度雷雨 平均降水强度为 5mm h 即 Z 4 5 103 mm6 m3 36 532dBZ 考虑到 300km 处雷雨对雷达分辨率体积充塞系数小于 1 设为 0 1 则修正后的中等强度雷雨的平均强度为 25 532dBZ 所以 WSR 98D XD 雷达在单 极化强度模式 对中等强度雷雨的探测距离大于 300km 3 3 距离订正 由雷达气象方程可见 当降水回波功率相同时 降水目标的 Z 值与距离的 平方成正比 反之 当降水目标的 Z 值一定 回波功率与距离平方成反比 为 了使雷达中断监视器上显示的回波图象能真实反映降水目标 Z 值 需要进行距 离订正 订正系数为 1 r2 WSR 98D XD 雷达当距离订正范围为 300km 时 则 1 300km 内不同距离上回 波功率衰减 N dB 为 N dB 20lgr 其中 r km 在信号处理器中设 1km 处订正值为 0dB 则 300km 处订正值为 49 6dB 因此 加入距离订正后 降水回波功率都被订正 归一化 到 1km 距离上 反射率因子 dBZ 1dBZ 速度谱宽 W 1m s 径向速度 V 1m s 反射率因子差 ZDR 0 2dB 相位差 dp 0 2 度 传播常数 KDP 0 2 度 Km 线性退极化比 LDR 1dB 零延时相关系数 HV 0 02 6 6 新一代天气雷达 新一代天气雷达 CINRAD SACINRAD SA 与常规天气雷达 与常规天气雷达 711711 的对 的对 比分析比分析 6 16 1 新一代天气雷达与常规天气雷达主要技术指标对比分析新一代天气雷达与常规天气雷达主要技术指标对比分析 由表 4 1 所示 711 雷达的工作波长为 3 2cm 新一代天气雷达 CINRAD SA 的工作波长为 10 6cm 波长越长 电磁波在传播中受云雨的衰 第 13 页 共 25 页 减影响越小 10cm 波长可以不考虑雨的衰减 更有利于对大范围降水特别是台 风的观测 因此从监测强降水角度来看 10cm 波长雷达优于 5cm 雷达 5cm 雷 达优于 3cm 雷达 711 雷达 PRF 为 400Hz CINRAD SA 的 PRF 为 318 1304Hz PRF 越高 显示 器上显示的回波越清晰 但过高时 雷达的最大探测距离又会受到限制 新一 代天气雷达可调脉冲重复频率主要是解决最大距离模糊和最大速度模糊问题 最大探测距离 Rmax 与 F 之间的关系为 Rmax c 2F 最大径向速度 Vymax 与 F 之间的 关系为 Vymax F 4 增大 F 虽然能增大最大径向速度 但必然会减少最大 监 测距离 就有可能产生二次甚至三次回波问题 导致距离模糊 减小 F 虽然能 增 表 4 1 711 雷达和 CINRAD SA 雷达部分性能指标对比 711 雷达CINRAD SA 雷达 工作频率 MHz 9370 302830 波长 cm 3 210 6 脉冲重复频率 Hz 400318 1304 1 s 318 452 4 s 脉冲宽度 s 1 1 57 4 7 脉冲功率 kw 75650 波束宽度1 5 度1 度 天线直径 m 1 58 5 天线增益 dB 4044 灵敏度 dB 96 112 接收机动态范围 dB 5090 产品应用 ZdBz V W 大最大监测距离 但必然会减小最大径向速度 就有可能导致速度模糊 因此 可选择不同的脉冲重复频率是新一代天气雷达的重要特性 增加脉冲宽度有利于增加雷达最大探测距离 但另一方面又直接影响到雷 达距离分辨力 也决定了雷达盲区的大小 而新一代天气雷达的双脉冲宽度在 探测降水时一般使用窄脉冲宽度 以提高观测精度 在晴空探测时往往使用宽 脉冲宽度 以增大有效照射体积 使更多的目标物粒子被探测到 因此更有利 于晴空大气监测 发射功率是雷达的重要参数之一 在其他参数已定的情况下 由雷达气象 方程可知 发射功率越大 雷达最大探测距离越大 因此 新一代天气雷达较 大的发射功率提高了其探测能力和探测距离 特别是增强了对弱降水和晴空大 气的监测能力 波束宽度越小 天线辐射的电磁波能量在空间的分布上越集中 定向性能 第 14 页 共 25 页 越好 切向分辨率越高 切向探测精度也相应提高 新一代天气雷达的波束宽 度为 1 度 较 711 雷达的 1 5 度要小 性能更好 从雷达气象方程可知 雷达接收到的回波功率与天线增益的平方成正比 所以 加大天线增益是提高雷达探测能力的一个重要因素 但是 新一代天气 雷达相对于常规天气雷达来讲所具有的较长的波长 较窄的波束宽度和较大的 天线增益使得天线尺寸相应加大 灵敏度是雷达接收机的重要参数 表明雷达接收机接受微弱信号的能力 6 26 2 新一代天气雷达与常规天气雷达技术体制的主要差异新一代天气雷达与常规天气雷达技术体制的主要差异 常规天气雷达利用降水回波信号强度来探测降水区的位置 分布 强弱及 其变化 新一代天气雷达除了具有常规天气雷达的这种功能外 本质差别在于 它利用多普勒效应 能检测到回波信号中微小的频率变化 即降水粒子径向运 动速度引起的多普勒频率 两者的主要差别可概括为两个方面 6 2 16 2 1 发射 接收体制的差异发射 接收体制的差异 新一代天气雷达采用频率稳定度相当高的相干发射和接收体制 是新一代 天气雷达系统区别与常规天气雷达系统的根本所在 由于新一代天气雷达发射 的脉冲信号频率非常稳定 同时各脉冲信号间具有确定的频率进行比较 以检 测出散射体的多普勒频率 6 2 26 2 2 信号处理的差异信号处理的差异 常规数字化天气雷达信号处理一般包括 A D 转换 数字视频积分和资料订 正等功能 以得到雷达反射率因子的平均分贝值 dBZ 而新一代天气雷达除 常规数字化天气雷达信号处理一般功能外 还具有精度较高的多普勒信号处理 器 可以实时的提供较准确的径向风场分布的数据 从而识别龙卷 暴流等灾 害性天气 6 36 3 性能特点对比分析性能特点对比分析 新一代天气雷达技术指标和全相干脉冲多普勒体制 决定了新一代天气雷 达与常规天气雷达相比 具有较强的探测能力 因为新一代天气雷达具有大天 线 高增益 高发射功率 宽脉冲宽度 高接收灵敏度等特点 而这些特点直 接影响到探测能力的大小 且能较为有效的监测强降水 冰雹和大风等灾害性 天气 第 15 页 共 25 页 图 4 1 713 C 雷达观测回波 图 4 2 WSR 98D 雷达探测有大片强度为 15 20dBz 的弱的层状云降水回波 由图 4 1 和图 4 2 可以看出 常规天气雷达的探测精度远不及新一代天气 雷达 精确幅度在 5 15dBz 左右 亦即强度在 10 15dBz 及以下的回波用常规天 气雷达是探测不到的 而新一代天气雷达可探测到 5 15dBz 范围内弱的回波 该雷达系统还具有较准确测量回波强度的能力 配合地面雨量标系统 进 而较好地估算降水强度和较大范围内的降雨量 一是新一代天气雷达系统的主 要参数经过较准确的定标和测量 从而保证了新一代天气雷达系统测量回波强 度的可靠性和准确性 二是新一代天气雷达系统具有宽的接收机动态范围 为 克服降水回波信号的涨落对回波强度测量的影响 新一代天气雷达对信号进行 积累处理 以提高回波强度测量的准确性 CINRAD SA 雷达接收机动态范围优 于 90dB 而 711 雷达接收机的动态范围仅为 50dB 三是自动标校技术 新一代 天气雷达系统可以对雷达系统的参数和动态曲线进行测量 并能根据测量数据 自动修改雷达常数 保证了定量测量的精度 新一代天气雷达具有较完善的监控系统 以保证雷达能长期的连续运行 保障雷达获取数据的质量和数据存储的管理 且新一代天气雷达能在无降水目 标物的情况下探测到近距离范围内的晴空回波 6 46 4 丰富的应用产品丰富的应用产品 新一代天气雷达具有较强的数据处理能力及丰富的应用软件支持 形成多 种产品供用户使用 1 基本数据产品 新一代天气雷达主要以 PPI 平面位置显示 RHI 距离高度显示 CAPPI 等 高平面位置显示 VCS 任意剖面显示 等形式显示的 dBz V W 数据产品 2 物理量产品 由 dBz V W 数据经一定的转换关系派生出的气象物理量图形和图象产品 第 16 页 共 25 页 如 ETPPI 回波顶高度显示 PA 降水累积显示 RZ 雨强显示 VIL 垂 直累积液态含水量 RVD 径向散度显示 ARD 方位涡度显示 等 3 风场反演产品 根据雷达获取的径向速度分布 在一定条件下反演出二维 三维风场的分 布 如 VAD 垂直风廓线 TVF 二维水平风场 等 4 自动识别产品 如中尺度气旋 龙卷 冰雹 阵风等自动识别 冰雹跟踪 强天气概率等 次类产品依据强天气的概念模式 根据雷达获取的数据通过软件来实现 对于 常规雷达来讲 虽然也有 PPI RHI CAPPI ETPPI RZ VIL PA 等产品 但 因雷达参数无法实时标校等原因 其产品质量波动性较大 定量分析也存在较 大误差 7 7 新一代天气雷达 新一代天气雷达 CINRAD SACINRAD SA 与双偏振雷达 与双偏振雷达 WSR 98D XDWSR 98D XD 的性能对比的性能对比 性能包括工作性能和技术性能 工作性能包括探测范围 精确度 分辨能 力 而技术性能就是技术指标 影响探测范围的因素包括 脉冲功率 脉冲宽 度 脉冲重复周期 天线的性能 接收机的性能等等 由表 5 1 可知 WSR 98D XD 雷具有有较高的工作频率 较高的脉冲重复频 率 优秀的发射