《雷达气象学》课件：第一章 天气雷达的基本工作原理和参数

1、第一章 天气雷达基本工作原理及主要设备、参数主要内容主要内容重点掌握：多普勒天气雷达最大不模糊速度及距离、多普勒频率重点掌握：多普勒天气雷达最大不模糊速度及距离、多普勒频率 参数：参数：PRF、PRT、h、Vr、Vrmax、Rmax、fD 及各计算公式及各计算公式一、天气雷达的基本工作原理二、天气雷达的组成和主要技术参数1、天气雷达的组成 2、主要技术参数三、多普勒天气雷达工作原理1、多普勒天气雷达概述 2、多普勒雷达探测原理1）、多普勒效应2）、多普勒频率3）、多普勒频率与目标物径向速度的关系4）、多普勒天气雷达原理方框图3、速度模糊现象的主观识别 4、速度退模糊方法5、多普勒天气雷达的最大

2、不模糊速度与最大不模糊距离（包括：Vr、VT互求）6、回波信号的多普勒频谱分析一、天气雷达工作原理一、天气雷达工作原理天气雷达工作原理：天气雷达工作原理：天气雷达工作原理二、天气雷达的组成和主二、天气雷达的组成和主要技术参数要技术参数1、天气雷达的组成、天气雷达的组成 2、天气雷达主要技术参数、天气雷达主要技术参数3、天气雷达显示方式、天气雷达显示方式1、天气雷达组成框图、天气雷达组成框图天气雷达工作示意图天气雷达工作示意图2、天气雷达主要技术参数天气雷达主要技术参数 1）、波束宽度）、波束宽度 2）、天线增益）、天线增益G 3）、天线有效面积）、天线有效面积Ae 4）、脉冲长度）、脉冲长度h

3、、脉冲宽度、脉冲宽度 5）、脉冲重复周期）、脉冲重复周期T(PRT: Pulse Repetition Time) 6）、脉冲重复频率）、脉冲重复频率PRF (Pulse Repetition Frequency) 7）、最大探测距离）、最大探测距离 Rmax 8）、扫描方式：）、扫描方式：PPI 、RHI、 CAPPI定义定义：在天线方向图上，二个半功率点方向的夹角，称为波束宽度，用来衡量天线主瓣的宽度，是天线的一个重要技术参数。1）、波束宽度）、波束宽度（ ），单位：度，垂直水平 天线的方向图定义天线的方向图定义max),(),(EEF在半径恒定时接收功率描绘的图形称接收功率描绘的图形称为

4、为功率方向图功率方向图，而在半径一定时，描述电场空间电场空间与方向 (,?)之间场强的图形称为天线的场强方向图或简称为方场强方向图或简称为方向图向图。即为场强振幅的归一化方向性函数F(, ?)的图形： 半功率主瓣宽度、零值主瓣宽度半功率主瓣宽度、零值主瓣宽度 主瓣最大辐射方向两侧的两个半功率点主瓣最大辐射方向两侧的两个半功率点（即功率下降为最大值的一半，场强下（即功率下降为最大值的一半，场强下降到最大值的降到最大值的 ）的矢径之间的夹角，）的矢径之间的夹角，称为称为半功率主瓣宽度或主瓣宽度半功率主瓣宽度或主瓣宽度，记为：，记为：20.5 或2?0.521零值主瓣宽度：即全主瓣宽度，记零值主瓣宽

5、度：即全主瓣宽度，记为为20 或2?0天线方向图的波瓣天线方向图的波瓣零值主瓣宽度零值主瓣宽度半值主瓣宽度半值主瓣宽度1）、波束宽度）、波束宽度（ ）波束宽度的大小取决于抛物面反射体的直径波束宽度的大小取决于抛物面反射体的直径d和雷达工作波长和雷达工作波长，一般，一般2一般天气雷达：一般天气雷达：=1.5; 新一代多普勒天气雷达新一代多普勒天气雷达 =0.91.0Vrmax或VrT4m/s;3) 0层附近：干湿雪、雨滴共存，下落速度差异大，谱宽值约为4m/s;检验平均多普勒速度的可信度：检验平均多普勒速度的可信度：一般谱宽较大时，可能对估算平均多普勒速度的准确性有较大的影响。引进与谱宽及信噪比

6、有关系的指标“信号质量指数”SQI，若SQI低于某一指标值，则数据不可靠，弃之。识别多普勒速度场中的风切变区识别多普勒速度场中的风切变区识别强湍流区识别强湍流区具体应用还需结合当地的地形和天气等实际情况具体应用还需结合当地的地形和天气等实际情况中国新一代天气雷达系统简介中国新一代天气雷达系统简介1、雷达数据采集系统（、雷达数据采集系统（RDA）2、雷达产品生成子系统、雷达产品生成子系统 (RPG）3、主用户处理器子系统、主用户处理器子系统 (PUP）参见第十六章雷达的三部分RPGRDARDAPUP雷达站雷达站气象台值班室气象台值班室 1 1、雷达数据采集系统（雷达数据采集系统（RDARDA）采

7、用脉冲多普勒体制的全相干系统采用脉冲多普勒体制的全相干系统 速调管放大、高功率全相干速调管放大、高功率全相干发射机发射机 窄波束低旁瓣的窄波束低旁瓣的天线天线 低噪声宽动态范围的相干低噪声宽动态范围的相干接收机接收机 多参数的多参数的信号处理器信号处理器 主要参数的主要参数的自动检测自动检测发发 射射 机机取得雷达数据的第一步是发射一个射频取得雷达数据的第一步是发射一个射频f f0 0信信号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的的磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率的的磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值功率（峰值功率750kw750kw

8、）非常稳定的）非常稳定的1010厘米的射频（厘米的射频（f f0 0）脉冲。脉冲。在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲必须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普必须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒信息能够被提取。一旦勒信息能够被提取。一旦f fd d脉冲被产生，就被送到脉冲被产生，就被送到天线。天线。全相干发射机全相干发射机相干接收机相干接收机信号处理信号处理监控系统监控系统天线天线窄波束低旁瓣的天线窄波束低旁瓣的天线天线是天线是RDA的一个部件，它将发射机产生的一个部件，它将发射机产生的高频脉冲信号以波束的形式发射到大气并接的高频脉冲信号以波束

9、的形式发射到大气并接受返回的能量（粒子的后向散射能量）。受返回的能量（粒子的后向散射能量）。 WSR-88D雷达的天线仰角范围雷达的天线仰角范围:-10600。天线。天线仰角的设置取决于天线的仰角的设置取决于天线的扫描策略扫描策略（scan strategy共有三种）、共有三种）、体积覆盖模式体积覆盖模式（volume coverage pattern ：VCP）和）和操作模式操作模式（operational mode 分为晴空和降水两种模式）。分为晴空和降水两种模式）。 雷达操作员不能手动调节天线仰角，天线仰角雷达操作员不能手动调节天线仰角，天线仰角只能通过上述三要素预设。只能通过上述三要素

10、预设。天天 线（线（antennaantenna）扫描策略决定一个体扫描包含多少个仰角，以及完成一扫描策略决定一个体扫描包含多少个仰角，以及完成一次体扫描所需的时间，次体扫描所需的时间，WSR-88D中有三个扫描策略中有三个扫描策略：scan strategy #1:scan strategy #1:规定一个体扫描包含规定一个体扫描包含1414个具体个具体 仰角，用时仰角，用时5 5分钟。分钟。scan strategy #2scan strategy #2: :规定一个体扫描包含规定一个体扫描包含9 9个具体个具体 仰角，用时仰角，用时6 6分钟。分钟。 scan strategy #3:s

11、can strategy #3:规定一个体扫描包含规定一个体扫描包含5 5个具个具 仰角，用时仰角，用时1010分钟。分钟。扫描策略（扫描策略（scan strategyscan strategy）体积覆盖模式体积覆盖模式（volume coverage pattern VCPvolume coverage pattern VCP） 体积覆盖模式决定一个扫描策略中体积扫体积覆盖模式决定一个扫描策略中体积扫描的具体仰角值描的具体仰角值,WSR-88D,WSR-88D包含有包含有2020个不同的个不同的VCP,VCP,但目前仅定义了但目前仅定义了4 4个。个。主要用于低层晴空大气观测主要用于低层晴

12、空大气观测WSR-98D未定义未定义VCP32操作模式操作模式（operational mode ）WSR-88D有两个操作模式：有两个操作模式：Mode A:降水模式降水模式 使用使用VCP11或或VCP21,相应的体相应的体扫描策略为扫描策略为Scan Strategy 1(14层层/5分钟）或分钟）或Scan Strategy 2 (9层层/6分钟）分钟）。 Mode B:晴空模式晴空模式 使用使用VCP31或或VCP32,相应的相应的体扫描策略为体扫描策略为Scan Strategy 3（5层层/10分钟分钟)1）Mode A 降水模式降水模式2）Mode B 晴空模式晴空模式WSR-

13、88D取样技术：硬件工作模式取样技术：硬件工作模式1 1）连续监测模式）连续监测模式(CS)(CS)2 2）连续）连续DopplerDoppler模式模式(CD)(CD)3）批处理模式）批处理模式(B) 4）连续多普勒）连续多普勒X模式（模式（CDX)5）分离扫描模式）分离扫描模式硬件工作模式硬件工作模式1)、连续监测、连续监测CS模式模式（Contiguous Surveillance ）低仰角低仰角低低PRF（增大（增大Rmax、减小、减小Vmax)定位及获取反射率。定位及获取反射率。在在VCP11、21、32中，它用于最低的两个仰角；中，它用于最低的两个仰角；在在VCP31中，它用于最低

14、的中，它用于最低的3个仰角。个仰角。因为大的因为大的Rmax值（低值（低PRF），所以不需要使用距），所以不需要使用距离去折叠算法。离去折叠算法。 2)、连续多普勒、连续多普勒CD模式模式（Contiguous Doppler）低仰角低仰角高高PRF(PRF(减小减小Rmax,Rmax,增大增大Vmax)Vmax)获取速度及谱宽数据获取速度及谱宽数据在在VCP11VCP11、2121、3232中它用于最低的两个仰角；中它用于最低的两个仰角；在在VCP31VCP31中它用于最低的中它用于最低的3 3个仰角。个仰角。由于是高由于是高PRFPRF，所以为，所以为短短Rmax必须使用必须使用距离去折叠

15、算法。距离去折叠算法。3)、批处理、批处理Batch (B) 模式模式 中间仰角（中间仰角（2.5-6.5）两个两个PRFPRF：一个比较：一个比较低PRF(CS)，一个比较高PRF(CD)。低的低的PRF增加增加Rmax，获得反射率和获得反射率和定位值；高的定位值；高的PRF增加增加Vmax，获得速度及谱，获得速度及谱宽。宽。仅用于仅用于VCP11VCP11、2121、3232（不用于（不用于VCP31VCP31）。）。由于仰角较高，此时地物杂波可不考虑。由于仰角较高，此时地物杂波可不考虑。4)、连续多普勒、连续多普勒CDX模式或没有距离折模式或没有距离折叠的连续多普勒模式叠的连续多普勒模式

16、高仰角（高仰角（7）高高PRF(PRF(减小减小Rmax,Rmax,增大增大Vmax)Vmax) 获得准确的反射率、速度、谱宽三个获得准确的反射率、速度、谱宽三个基数据产品基数据产品 用于用于VCP11VCP11和和2121中中 77的所有仰角的扫描的所有仰角的扫描 用于用于VCP31 VCP31 中中 33仰角的扫描，仰角的扫描， 但不在但不在VCP32 VCP32 中使用。中使用。 5)、分离扫描模式、分离扫描模式(split cut) 雷达在最低的雷达在最低的2个仰角分别使用个仰角分别使用CS和和 CD进行重进行重复扫描。从最低仰角开始一个完整的复扫描。从最低仰角开始一个完整的360CS

17、波形扫描，然后仍在这个仰角进行完整的波形扫描，然后仍在这个仰角进行完整的360CD波形扫描。然后，天线才抬升到第波形扫描。然后，天线才抬升到第2个仰角，个仰角，分别进行分别进行360CS扫描和扫描和360CD扫描。扫描。 在中在中仰角，雷达用仰角，雷达用Batch技术，每个仰角扫一遍（技术，每个仰角扫一遍（360）。然后，雷达仰角进一步抬高，在每个）。然后，雷达仰角进一步抬高，在每个仰角用仰角用 CDX进行进行360扫描。扫描。nautical mile 1海里海里=1.852公里公里 1 foot 英尺英尺(呎呎) = 12 inches 英寸英寸(吋吋) =30.48 centimetre

18、s 厘米厘米=0.3048meters米米第一行：产品名称第一行：产品名称(基本速度基本速度) 第二行：产品号第二行：产品号(27)第三行：总显示距离第三行：总显示距离(230km)第四行：分辨率精度（一个像第四行：分辨率精度（一个像 素几公里）素几公里）(1km/像素）像素）第五六行：日期、时间（世界第五六行：日期、时间（世界 时）时）(+8h=BJT)第七行：探测雷达站第七行：探测雷达站（广州）（广州）第八九十行：雷达站海拔高第八九十行：雷达站海拔高 度、纬度、经度度、纬度、经度第十一行：探测模式（分为降第十一行：探测模式（分为降 水和晴空）水和晴空）（降水）（降水）十二行：体扫模式号十二

19、行：体扫模式号（21， 6分钟内对分钟内对9个具体仰角的扫描个具体仰角的扫描）十三行：图像中心和雷达站中心距离十三行：图像中心和雷达站中心距离（0km)十四行：仰角十四行：仰角 (雷达天线仰角为：雷达天线仰角为：1.5)十五行：最大强度十五行：最大强度/速度速度(最大速度：最大速度：-45m/s,44m/s。其中负表示朝向。其中负表示朝向,正表示远正表示远 离测站方向）离测站方向）接下来色标表接下来色标表（速度色标，请注意零速度代表的颜色及（速度色标，请注意零速度代表的颜色及“+/-”或或“T/A”的各颜色）的各颜色）最后表示圈间距离和扫描线间的角度最后表示圈间距离和扫描线间的角度（距离圈间斜

20、距（距离圈间斜距50km,扫描线间角度扫描线间角度30)雷达图的文字说明雷达图的文字说明2003.3.20广东东莞遭遇广东东莞遭遇狂风冰雹袭击狂风冰雹袭击 气象部门给大众研读的回波图（含地气象部门给大众研读的回波图（含地形及地名）形及地名）北京时北京时 2 2、雷达产品生成子系统（雷达产品生成子系统（RPGRPG） 具有雷达产品生成、运行监控、数据库管理、具有雷达产品生成、运行监控、数据库管理、系统内通信等多种功能系统内通信等多种功能 气象应用产品：类似于美国气象应用产品：类似于美国NexRad导出产品导出产品 运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动报

21、警等功能报警等功能 数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发等功能等功能 通信管理：通信管理：RDA、RPG、PUP间的窄带和宽间的窄带和宽带通信等带通信等 3 3、主用户处理器子系统（、主用户处理器子系统（PUPPUP） 多屏、多画面显示气象应用产品图形图多屏、多画面显示气象应用产品图形图像功能像功能 具有放大、动画、叠加等多种图像显示具有放大、动画、叠加等多种图像显示功能功能 通过人机交互方式设置系统运行模式和通过人机交互方式设置系统运行模式和产品生成产品生成 课堂练习思考题1、判断下面说法是否正确？为 什么？即可则要求若则要要一定前提下：在HzPR

22、FsmVrcmPRFVrPRFVr10000/250max,10max,max2、若要选择造价比较合适，又能满足最大不模糊速度为20m/s和最大不模糊距离为100km ,那么你认为应选择哪个波段的多普勒雷达为宜？ A）X波段 B）C波段 C）S波段 D）K波段3 3、脉冲重复频率、脉冲重复频率PRFPRF是：是： A A）天气雷达工作频率）天气雷达工作频率 B B）每秒钟产生触发脉冲的数目）每秒钟产生触发脉冲的数目 ）回波频率）回波频率 ）电波频率）电波频率 4、天线波束宽度为：、天线波束宽度为：）最大发射功率方向角）最大发射功率方向角）主波瓣的宽度）主波瓣的宽度）主波瓣上两个半功率点）主波瓣上两个半功率点 方向的夹角方向的夹角）旁瓣的大小）旁瓣的大小5 5、多普勒雷达波束宽度通常不超、多普勒雷达波束宽度通常不超过度，太宽则影响过度，太宽则影响A A）测距精度）测距精度B B）测角精度）测角精度C C）测回波强度的精度）测回波强度的精度 ）脉冲的重复次数）脉冲的重复次数）脉冲振幅的大小）脉冲振幅的大小）脉冲在空间占有的长度或脉冲的振荡）脉冲在空间占有的长度或脉冲的振荡 持续时间持续时间）脉冲效率）脉冲效率 7 7、脉冲宽度为：、脉冲宽度为：8 8、脉冲宽度的大小对什么有影响？、脉冲宽度的大小对什么有影