天气雷达简介

1、天气雷达简介一、概 述天气雷达是探测大气中气象变化的千里眼、 顺风耳。 天气雷达通过间歇性地向空中发射 电磁波 (脉冲)，然后接收被气象目标散射回来的电磁波(回波) ，探测 400 多千米半径范围 内气象目标的空间位置和特性， 在灾害性天气， 尤其是突发性的中小尺度灾害性天气的监测 预警中发挥着重要的作用。天气雷达主要由天线、馈线、伺服、发射机、接收机、信号处理、产品生成、显示终端 等组成。天线：发射 / 接收电磁波馈线：传导电磁波 伺服：天线等的运转 发射机：产生电磁波 接收机：接收处理电磁波 信号处理：处理回波信息产品生成：根据算法，生成应用产品/控制雷达显示终端：显示产品、控制雷达目标距

2、离的测定：由电磁波的传播速度(近似 v=c) 和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔 t来确定。r=c t /2(1.1)通常，时间间隔以 卩s为单位，故上式可写成：r=0.15 t(km)或 r=150 t (m)(1.2)目标方位角和仰角的测定 :目标的方位角和仰角的测定是依靠天线的方向性来实现的。天气雷达的天线具有很强的方向性， 它能将探测脉冲的能量集中地向某一方向发射。 同样， 它 也只能接收沿同一方向来的回波信号。 所以， 只有当天线对准目标时， 才能接收到目标的回 波信号。 根据这一原理， 当发现目标时， 天线所在的方位角和仰角就是目标相对于雷达的方 位角和仰角。目标特性的测定 : 气

3、象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测大气的基础。 降水回波：云、降水粒子的散射。随相态、几何形状不同而异，雷达回波功率是由有 效照射体积内所有气象目标产生的。晴空回波：在大气中的无云区或很小粒子所组成的云区探测到回波。气象条件两种： 一是大气中存在折射指数不均匀的区域， 即湍流大气造成了对雷达波的散射； 二是分层大气 中存在折射指数垂直梯度很大的区域，即大气对雷达波造成了镜式反射。多普勒速度探测： 多普勒雷达发射出的电磁波， 遇到运动的目标物后， 返回信号产生频率漂 移，从而可导出目标物相对于雷达运动的径向速度。假设目标物的径向速度为 U，脉冲重复周期为 T,则在后一个发射脉冲的时刻，目标物 和

4、雷达之间的距离将比前一个发射脉冲发射时变化了u T的距离，这个脉冲发射回来时在空中的传播距离将有 2u T的变化。由于目标物的径向运动而引起的信号的频率变化，目标物 的径向运动速度 u 称为多普勒速度。二、云雨雷达云雨雷达顾名思义， 就是以云、 雨等降水粒子为探测目标的一类气象雷达。 与现代多普 勒雷达不同的是，云雨雷达只关心云、雨、雹等粒子的产生及降水的形成、维持、发展和消散的过程，因此，俗称“常规天气雷达”常规天气雷达的测云能力雷达测云能力取决于雷达的技术参数和气象目标的强弱、 途中介质的衰减， 以及雷达发 出的探测脉冲是否能照射到该气象目标。普通的云由于云滴的直径很小， 不足以产生足够的

5、回波功率而很难探测到。那么， 什么样的云才能探测到呢？实践表明： 发射 3厘米、5 厘米、 10厘米波长的常规天气雷达除了难 以探测到云体体积或云滴较小的淡积云和毛卷层云外，其它的云在近距离上是可以探测到 的。为增大雷达测云的能力，可以采用更短波长的雷达，如 1.25 厘米和 0.86 厘米波长的雷 达来增大云滴的散射能力。常规天气雷达的测雨能力：天气雷达的测雨能力，通常用某一距离处的最小可测雨强， 或某一降水强度的最大探测距离来表示。探测零星对流性降水时， （途中大气衰减） 3 厘米 的雷达探测不到 100 千米以远小于每小时 0.5 毫米以下的弱降水； 5 厘米雷达探测不到 200 千米以

6、远小于每小时 0.5 毫米以下的弱降水 当雷达站处在大范围均匀降水区中时， （途中大气和降雨衰减） ，在每小时 1 毫米的降水条件 下， 3厘米的雷达只能探测到半径为100 多千米的范围， 5厘米雷达可探测到 300 多千米的范围。三、脉冲多普勒天气雷达探测原理： 脉冲多普勒雷达发射机产生大部分功率通过天线转换开关到达雷达天线， 一 小部分功率从发射机进入混频器， 与本振在混频器中相混合， 然后输出中频信号， 传送到相 干振荡器。 回波信号被雷达天线接收后， 也与本振相混合， 产生一个具有回波信号相位特征 的中频， 经过放大后， 在相位鉴别器中与来自相干振荡器的中频信号进行比较， 得出这两个

7、信号的相位差。根据接连的两个回波脉冲之间相位差的变化率，即可得出多普勒频移最大不模糊速度：由于接连两个回波信号的相位差，是2n的周期性函数，当相位差超过2n时，就难以确定其值究竟是多少。而当相位差有正有负时， 为了准确地确定相位差值，更必须限制最大的相位差在土n的范围内。因此，多普勒雷达所能测定的多普勒频移，或目标的径向速度， 有一定的限制。 这个最大可测径向速度称为最大不模糊速度。 多普勒天气雷 达的最大不模糊速度与雷达波长和重复频率成正比。多普勒谱概述 ：多普勒天气雷达除了测量回波信号的平均功率之外，还要对回波信号 的场强作频谱分析。 进行频谱分析可以得到以多普勒频率为函数的后向散射功率。

8、这个函数称为多普勒谱。 在每个频率间隔内的回波功率， 是运动速度相应于这个频率间隔的降水粒子 的回波功率之和。 利用波长与频率的关系式可以得到降水粒子的径向速度谱。根据径向速度谱可以计算目标的平均多普勒速度和速度的方差。 从中可以进一步了解降水粒子的滴谱分布 和降水粒子所在气层的大气湍流情况。多普勒天气雷达的应用1. 探测降水区中气流的垂直速度平均值 天线垂直指向天顶的多普勒天气雷达，可以测量降水粒子的平均多普勒速度由于多普勒速度 V 是降水粒子降落末速度和气流的垂直速度之和，所以，若已知降水粒子在静止大气 中的降落速度，即可确定气流的垂直速度。2. 雨滴谱的测量 不同大小的降水粒子具有不同的

9、降落末速度，产生的回波功率也不同。利用垂直指向的多普勒天气雷达可以测定回波信号的多普勒谱。 若已知气流的垂直速度， 则由多普勒速度减 去垂直速度，可以得到回波随降水粒子末速度的分布。3. 湍流的估计多普勒谱的宽度是由下列四个因素决定的： 降水粒子的末速度、 空气的湍流谱、 波束截面上风速的垂直切变、 波束宽度的影响。 总的谱宽方差是上述四个因素产生的方差之和。 因 此，当多普勒雷达的波束宽度小于1°，并进行垂直指向探测时，总的方差就由降水粒子末速度的散布和被测体积中小尺度的空气湍流的垂直分量所引起。 若确定了第一个因子， 则测 定了总的方差，就可以推出空气的湍流情况。四、双偏振天气雷

10、达偏振又叫极化， 它是指电磁波的电场或磁场的方向。 双偏振天气雷达利用不同降水粒子 的形状、尺寸、 轴长、 入射电场与粒子指向的夹角、 材料的介电常数等对极化回波的影响不 同来估算降水粒子的形状、尺寸、指向角等特征，来实现对降水进行分类与识别的。 双偏振 天气雷达测量反射率因子 ZH、反射率因子差 ZDR、传播常数差 KDP、零延时的相关系数 rHV(0) 和线性退极化比 LDR 等参数来识别降水粒子类型的。反射率因子 ZH，不仅取决于粒子的尺寸和形状，而且与单位体积的粒子数和介电常数 有关，由于形状因子的作用远不及于粒子的几何尺寸D，因此在进行粒子的识别和降雨率的测量时， 主要通过反射率的大

11、小进行判别和反演。 常规天气雷达就是利用反射率因子来判别 降水大小和类型的。水平、垂直极化下的反射率因子差 ZDR 与两种极化下的后向散射截面有关，取决于粒 子的形状和介电常数有关， 对于不同的粒子， ZDR 则不同。对于球形粒子， 反射率差 ZDR 为 0 ，偏心率 e 越大， ZDR 越偏离 0dB。传播常数差 KDP 不仅取决于粒子的形状、尺寸，而且与入射角有密切的关系，因此可以通 过KDP对粒子进行识别。 对球形粒子，倾角可看作a =0, KDP=0。对其它形状粒子，KDP10。由此作为识别降水型的依据。线性退极化比的定义为 LDR三10X lg(ZHV/ZHH)，它的物理意义为发射线

12、性极化信号， 照射到球形降水粒子上， 散射的回波能量大部分保持了入射波的极化， 当粒子为非球形或对 入射波有倾角时， 入射能量的一部分退极化了， 变成了正交极化信号。 它取决于粒子的形状、 倾斜角和介电常数。从ZH、ZDR、KDP、rHV(O)用以区分降水粒子型的基本原理可以看出，每个参数对粒 子型的区分均有贡献， 但是单独使用某一种参数时又存在许多限制， 不能很准确地区分。 应 同时考虑各参数，共同作用对降水粒子进行识别。五、双波长天气雷达 降水粒子的后向散射截面与雷达波长有关。如果同一粒子对两种不同波长的反射率的比值随粒子大小而改变，就可以用不同波长的雷达的测量结果来推测被测粒子的大小。雹

13、云对两种波长的等效反射因子 Ze的比值的变化关系。右图表明，等效反射因子 Ze的 比值随冰雹最大直径的变化而变化，因此，可由两种波长的等效反射因子 Ze的比值判断云内是否存在直径大于 1 厘米的大冰雹。双波长天气雷达的基本原理是建立在测量两种波长在相同空间的等效反射因子的基础 上，因此， 对工作在两种不同波长上的雷达的波束形状、 波束宽度、波束的同轴性和定距性 能的一致性提出了严格的要求， 对回波强度的定量测量性能也提出了很高的要求。 用双波长 原理来探测冰雹云的更可靠的方法还有待于进一步的研究。六、多参数天气雷达 多参数雷达通过极化分集和多波长分集技术提供云及降水物的尺寸、相态和类型等信息。

14、通常雷达超短波长用来探测新生成的发展云，而雷达长波长用来研究大的风暴。美国NCAR (国家气象研究中心)就架设了一部 10 厘米波长和 3 厘米波长极化分集的多普勒雷 达。这套系统可以同时测量两种波长的反射率因子及单波长多普勒参数，两种波长下的极化分集测量。七、双 /多基地天气雷达双基地雷达是世界上最早出现的军用雷达。1936 年，美国海军实验所发明了天线收发开关之后，才有了单基雷达。 1950 年以后的冷战年代，促使双多基地雷达系统又获得发展。 主要应用有：从 70 年代开始研制多基的无源空中监视系统和有源无源空中防御系统。 美国 NCAR 在 1993 年进行了双基雷达应用于风场测量的实验

15、，获得成功并推广这一成果。利用单部多普勒天气雷达也能进行三维风场的反演， 但要求对风场的特性作很强的假设。 利用多部多普勒天气雷达布阵也能测出三维风场矢量， 但价格过于昂贵。 而对双多基地多 普勒天气雷达来说， 由于被动接收站不含昂贵的发射机、 天线转动机构和控制部分， 所以每 部接收站只需极少的投资。 这就有可能在现有的多普勒天气雷达周围配置多部接收站， 构成 双多基地系统，能测出诸如风场的三维矢量、降雨粒子的垂直速度等信息。八、机载天气雷达地基天气雷达两大缺点： 一是盲区， 它主要分布于雷达地平视线以下的区域、 海洋和大 沙漠上空、 以及站间空隙区。另一是在远距离上， 雷达波束的横向距离分

16、辨力太差。天气雷 达装在飞机上， 根据雷达与飞机的相对主从关系有两种可能： 雷达服务于飞机和飞机服务于 雷达， 即机载天气回避雷达与机载天气研究雷达。 机载天气回避雷达： 任务是探测载机前方 航道的天气状况，包括雷雨、冰雹、风暴、湍流、云雾和微暴等等。早期是测雨雷达； 80 年代初启用脉冲多普勒体制测雨和测风； 目前有新的发展， 使用毫米波雷达测量云雾， 用激 光雷达测量微暴。 机载天气回避雷达一般选用 X 波段，这是角分辨、天线大小和传播衰减 诸因素折中考虑的最佳选择。测雨时选用宽脉冲、 低重复频率，看得远；测湍流时选用窄脉 冲、高重复频率，提高分辨力。 机载天气研究雷达：主要任务是飞到天气

17、系统附近或上空， 进行近距离探测，主要是研究它的起因微物理，生长过程动力学和发展、演变、消失过程中 的运动学和动力学。机载平台的高速机动性，给多视角观察带来可能与方便。 机载天气研 究雷达带来了分辨力、 精度和灵敏度上的好处， 同时也创造了易于对空间矢量进行正交分解 的条件，但付出的代价是费用昂贵。购置和改装飞机、载机姿态变化等等。九、相控阵天气雷达 天气雷达最常用的天线是抛物面天线，用机械扫描来完成雷达波束对目标的探测。机械 扫描降低雷达的工作效率。 为克服机械扫描天线的这一弊病， 充分利用雷达的时间、 能量两 大资源，发明了相控阵电扫描天线。相控阵天气雷达许多优点：通过控制面阵列中各单元激励信号的幅度、相位，可以实现 跳跃式电扫描波束和天线方向图形状的自适应控制， 可以形成