新一代天气雷达-多普勒天气雷达原理【专业知识】

1、新一代天气雷达,龙岩市气象局 张深寿 2013.03,1,行业相关,第二章 多普勒天气雷达原理,2,行业相关,雷达工作过程： 电磁波发射和接收的过程,3,行业相关,4,行业相关,目标物越多，散射也就越强. 大雨滴将比小雨滴产生更强的信号。,5,行业相关,6,行业相关,后向散射截面,定义： 设有一个理想的散射体，其截面面积为，它能全部接收射到其上的全部能量，并且均匀地向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，则该理想散射体的截面面积就称为实际散射体的后向散射截面。 后向散射截面是一个虚拟的面积，它可以用来定量地表示粒子后向散射

2、能力的强弱。 粒子的后向散射截面不等于它的几何截面。,7,行业相关,描述单个粒子后向散射能力的大小,8,行业相关,球形粒子的散射,很大程度上依赖于粒子直径D和入射波长之比。=D/ 瑞利散射（ Rayleigh ）（雷利散射） 当D或0.13 米散射（Mie） 当D或0.13,9,行业相关,后向散射截面随球形粒子直径D的增加而迅速呈波动性地增大，当D较大时，冰球后向散射截面随D增加而增大的速度超过水球。,10,行业相关,D90mm 水球小于冰球很多,11,行业相关,冰水混合物散射,水包冰球 （零度层亮带） 小球（雷利散射） 迅速增加，和同体积水球相当 大球（米散射） 对于10cm波长雷达，后向散

3、射截面总是增加，只有超过8cm的冰球冰面融化后向散射截面突然减小 冰水均匀混合球 （比水包冰球增加慢，复杂）,12,行业相关,衰减,衰减 散射 电磁波投射到气体分子或云雨粒子上时，一部分能量被散射 吸收 一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。,13,行业相关,云对雷达波的总衰减量很小，可以忽略。 雨对 3cm衰减相当严重，对5cm衰减也很大，对10cm的衰减非常小,14,行业相关,冰雹对雷达波造成严重衰减，波长越多衰减越大！ 强冰雹造成的V型缺口,15,行业相关,衰减的物理原因： 一是散射 二是吸收,16,行业相关,所以多暴雨地区用S波段，少暴雨地区用C波段,17,行业相关,18,行业

4、相关,折射 电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射指数分布的不均匀性，就会产生折射，使电磁波的传播路径发生弯曲。电磁波的折射对天气雷达的探测有重要的影响。,19,行业相关,等效地球半径(Rm),设想地球半径加大到某一数值Rm时，使得Rm为半径的球面上沿直线传播的超短波的最大探测距离和真实地球表回上沿折射曲线轨道传播的最大深测距离相同，则Rm就称为等效地球半径。,20,行业相关,21,行业相关,标准大气折射回波高度查算,22,行业相关,超折射,23,行业相关,雷达气象方程,24,行业相关,重要的雷达参数,与发射机有关的参数 波长。 脉冲宽度。 脉冲功率Pt。 脉冲重复频率。 与天线有关

5、的参数 天线的方向图及波束宽度。 天线增益G 与接收机有关参数 接收机灵敏度,25,行业相关,决定雷达性能的雷达参数，探测时不可变。,26,行业相关,脉冲宽度： 探测脉冲的持续振荡时间。脉冲长度 h=c。 因为雷达的收发特性，所以，有效照射深度为脉冲长度的一半c/2（雷达径向的最小分辨率）。 SA 两种脉冲宽度 1.57 和 4.71s（晴空，一般不用）对于h 分别约为500m和1500m1.57s 最小分辨率 为h/2 = 250米。 峰值功率Pt CINRAD/SA 650Kw,27,行业相关,脉冲重复频率,雷达每秒产生的触发脉冲的数目，PRF表示。我国新一代天气雷达的PRF在300130

6、0Hz之间。 脉冲重复周期PRT为PRF的倒数。 重要参数，决定雷达最大探测距离和最大可探测多普勒速度,28,行业相关,注意一个问题：PRF和f是不同的两个参数和概念！,29,行业相关,天线方向图及波束宽度,天线的水平和垂直面上的辐射能流密度的相对分布曲线图，叫天线方向图 影响雷达旁瓣假回波 两个半功率点的夹角，叫波束宽度 决定雷达径向探测精度 SA波束宽度0.99,30,行业相关,天线增益,定向天线在最大辐射方向的能流密度和各向均匀辐射的天线能流密度之比。G=Smax/Sav CINRAD/SA的天线增益G44dB （约2.5万倍）,31,行业相关,接收机灵敏度,接收机能分辨的最小可辨功率，

7、Pmin表示。 就是回波信号刚刚能比噪声信号中分辨出来时的回波功率。 CINRAD/SA的Pmin 短脉冲(1.57s)为-107dBm 长脉冲（4.71s）为-113dBm,32,行业相关,雷达气象方程,雷达发射功率和雷达接收功率之间的关系,33,行业相关,1、天线辐射强度在两半功率点间 均匀分布时的雷达方程,此狭窄波束内增益为常数 雷达波束的能量完全集中在的狭窄波束照射体积中,1、先考虑理想情况：天线作各向同性的球面发射,推导雷达气象方程：,定向天线最大辐射方向的能流密度与各向均匀辐射天线的能流密度之比。,34,行业相关,2、引入天线增益,3、距离R处的入射能流密度,4、引入雷达截面,5、

8、目标物散射回天线的后向散射能流密度,35,行业相关,36,行业相关,根据目标的后向散射截面和离开雷达的距离r以及雷达的参数P、G、，即可计算出其回波功率。上式还表明，单个目标的雷达回波功率与r4成反比，随着距离的增大，回波功率迅速减小。,37,行业相关,粒子群的散射,38,行业相关,圆形抛物面,有效照射深度和有效照射体积,39,行业相关,考虑天线辐射功率密度不均匀等之后，加乘以一个订正因子 1/2ln2 （0.72）,40,行业相关,反射率,后向散射截面总和，称为气象目标的反射率，单位 cm2/m3 不仅和粒子尺寸和数量有关，和雷达波长也有关。但相同波长的发射率可以比较。,41,行业相关,满足

9、雷利散射时，有：,反射率因子 （mm6/m3）,42,行业相关,反射率因子,令：,43,行业相关,44,行业相关,Z=N(D)D6dD,dBZ 0 dBZ不是没有回波 1015dBZ的差别与1520dBZ的差别不同,45,行业相关,46,行业相关,Pr 非直接测量，与Pmin 比较间接获取,距离订正项,47,行业相关,例子 (Z-D),D = 1 mm, samples = 729 Z = 729 mm6m-3 = 29dBZ R = 5.588 mm/hr,D= 3 mm, samples = 1 Z = 729 mm6m-3 = 29dBZ R = 0.254 mm/hr,Unit Vol

10、ume,48,行业相关,最大不模糊距离,C是光速，T是雷达重复周期，PRF是雷达重复频率。,49,行业相关,距离折叠,是指雷达对产生雷达回波的目标位置的一种辨认错误，当目标物位于最大不模糊距离以外时，雷达却把目标物显示在最大不模糊距离以内的某个位置。一般形象地称为“距离折叠” 距离折叠回波的特点： 方位角是正确的 强度较弱 有时具有奇怪的多普勒速度,50,行业相关,51,行业相关,52,行业相关,53,行业相关,54,行业相关,实际回波,显示 （视在回波）,Rmax,55,行业相关,56,行业相关,一个例子是：当一辆紧急的火车（汽车）鸣着喇叭以相当高的速度向着你驶来时，声音的音调（频率）由于波

11、的压缩（较短波长）而增加。当火车（汽车）远离你而去时，这声音的音调（频率）由于波的膨胀（较长波长）而减低。,多普勒效应,57,行业相关,58,行业相关,径向速度的获取,59,行业相关,CINRAD速度探测方法,不直接测量多普勒平移，而是测量两个相邻脉冲直接的位相变化 多个脉冲对得到的径向速度平均值，称为平均径向速度 相应的标准差称为谱宽,60,行业相关,最大不模糊速度,61,行业相关,2 最大径向速度与速度模糊,最大不模糊速度 Vmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相移是正负180度（）。,速度模糊：表现为从正、负速度的最大值 突变 为负、正速度的最大值。,

12、62,行业相关,速度模糊示意图,63,行业相关,速度模糊,64,行业相关,基数据的产生,最小距离分辨率 有效照射深度h=c，收发特性，最小分辨率为h/2 1.57s ， 250米,65,行业相关,反射率,4个0.25km距离库的平均功率；（1KM分辨率） 平均 根据气象雷达方程计算Z 利用dBZ公式，把Z转换为dBZ。,66,行业相关,平均径向速度,4050个脉冲对平均 0.25km分辨率,67,行业相关,谱宽,一个距离库内速度离散度的度量，用于速度质量估计,(1)垂直方向上的风切变； (2)由波束宽度引起的横向风效应； (3)大气的湍流运动； (4)不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀

13、分布,影响速度谱宽的气象因子,68,行业相关,一些典型的气象特征和条件可导致相对高的谱宽，它们包括： 气团的界面附近，如锋面边界和雷暴的出流边界等； 雷暴； 切变区域； 湍流； 风切变； 不同尺度的雨、雪，不同的降落速度。 一些非气象条件也可使谱宽增加，包括： 天线运动； 距离 WSR-88D的内部噪声。,谱宽影响,69,行业相关,多普勒两难,70,行业相关,多普勒天气雷达消除二次回波,天气雷达最大不模糊速度和最大不模糊距离的关系,由表可见，要满足测量较大的不模糊速度，最大不 模糊距离的探测将减小，二次回波出现的概率将增加。,71,行业相关,两种取样模态,连续监测模态CS 低重复频率，准确确定

14、目标位置和强度 Rmax大， Vmax小 连续多普勒模态CD 高重复频率，准确测量速度和谱宽数据 Vmax大，Rmax小，必须用距离去折叠算法,72,行业相关,三种取样方式,分离扫描方式 CS/CD 某个仰角分别采用CS、CD进行重复扫描 交替扫描方式 B 某个仰角交替使用CS、CD进行扫描。 不考虑距离折叠的连续多普勒方式CDX 只用CD扫描,73,行业相关,74,行业相关,思考题,给出后向散射截面的定义式及其物理意义 给出雷达气象方程的表达式，并解释其中各项的意义。 什么是天气雷达工作频率？什么是天气雷达脉冲重复频率？ 什么叫天线方向图、波束宽度及天线增益？ 什么是波束的有效照射深度和有效照射体积？ 0 dBZ代表多少反射率因子单位？ 10dBZ、30dBZ和40dBZ分别代表多少反射率因子单位？ 何谓多普勒效应？多普勒雷达测量回波径向速度的主要技术是什么？,75,行业相关,思考题,什么叫距离折叠？什么叫速度模糊？最大不模糊距离和最大