范文一:气象雷达原理与系统
1、测定目标的角坐标, 其中包括目标的方位角和仰角。雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。方向图的主要技术指标是半功率波束宽度θ0.5以及副瓣电平。在角度测量时θ的值表征了角度分辨能力并直接影响测角精度, 副瓣电平0.5
则主要影响雷达的抗干扰性能。
2、振幅法测角可分为最大信号法和等信号法两大类。最大信号法测角的优点:1、简单;2、用天线方向图的最大值方向测角,此时回波最强,故信噪比最大,有利于检测发现目标。缺点:1、直接测量时测角精度不很高,约为波速半功率宽度的20%左右;2、不能判别目标偏离波速轴线的方向,故不能自动测角。
3、雷达发射机两种基本形式:单级振荡式发射机:只由一级大功率振荡器产生发射信号,主振放大式发射机:先由高稳固体微波源产生,再经级联的放大电路,形成满足功率要求的发射信号。
单级振荡式发射机的性能特点:简单、经济、轻便;质量技术指标低;产生简单发射波形;主振放大式发射机的性能特点:复杂、昂贵、笨重;质量技术指标高;产生各种复杂发射波形;二者共性:都需要脉冲调制器为其提供大功率的脉冲波。
4、超外差式雷达接收机的主要质量指标:?灵敏度:表示接收机接收微弱信号的能力。灵敏度用接收机最小可检测信号功率(Simin)来表示。制约接收机灵敏度的主要因素是接收机噪声。要提高灵敏度,必须减少噪声电平,同时还应使接收机有足够的增益。?接收机的工作频带宽度:表示接收机的瞬时工作频率范围,频带宽度越宽,选择性越差?动态范围:表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围,使接收机开始出现过载时的输入功率Simax 与最小可检测信号功率Simin 之。过载:当输入信号太强时,接收机将发生饱和而失去放大作用。?中频的选择与滤波特性。中频的滤波特性是减少接收机噪声的关键。?工作稳定性(指环境条件和电源电压发生变化时,接收机的性能受影响的程度。希望影响越小越好)和频率稳定度?抗干扰能力:抗有源和无源干扰的能力。?微电子化和模块化结构:模块化结构的程度,微电子化程度,减少体积、重量、耗电、成本、技术实现难度。?放大量:放大量表示接收机放大信号的能力,接收机必须有足够的放大量,才能使十分微弱的回波信号具有足够的幅度来处理与显示。?、保真度:用来表示接收机输出信号波形与输入波形(高频包络)的相似程度。?噪声、噪声系数与灵敏度
5、如何提高接收机灵敏度:?降低总噪声系数F0,通常采用高增益、低噪声高放;?接收机中频放大器采用匹配滤波器,以便得到白噪声背景下输出最大信号噪声比;?识别系数M与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有 关系。在保证整机性能的前提下,尽量减小M的数值。
6、为提高雷达系统的灵敏度,须尽量减小分辨信号功率S这就需要:(1)尽可能减小接min
收机的噪声系数或有效噪声温度(2)尽可能减小天线噪声温度(3)接收机选用最佳带宽B(4)在满足系统性能要求下,尽量减小识别因子M,经常通过脉冲积累的方式减小M opt
7、混频器作用:将高频信号与本振电压进行混频并取出其差频,使信号在中频上进行放大。 8、雷达系统为了获得大的信噪比一是要尽量减少接收机内部的噪声,二是要增大发射功率。当一个线性的传递函数为信号函数的共轭时,其信噪比将达到最大,这个线性系统叫匹配滤波器。
9、正交鉴相是同时提取信号幅度和相位信息的有效方法。模拟(数字)正交鉴相又称零中频处理。所谓零中频是指因相干振荡器的频率与中频信号的中心频率相等(不考虑多普勒转移),使其差频为零。零中频处理既保持了处理时的全部信息,同时又在视频实现,因而得到了广泛应用。
10、数字正交鉴相三种方法:数字混频低通滤波法、数字插值法、Hilbert变换法 11、应用广泛的频率源:直接合成频率源、间接合成频率源、直接数字合成频率源 12、天线作用:测角、波束扫描和目标跟踪、测高。
13、雷达天线的基本参量:(1)辐射方向图(包括波束宽度、副瓣电平)(2)增益(有效孔
径)(3)阻抗(电压驻波比VSWR)(4)其他:极化、带宽、扫描方式
14、轴角编码的两种方式:a直接转轴或转轴机械交连的装配轴角传感器b使用自整角发送电机传递机械角度信息,通过自整角接收电机接收后恢复机械信息,再通过二次传感器变成其他形式的电信号或直接变成数字信号。
雷达中常用光电码盘、自整角机(同步机)来传递天线的机械角度信息并转化为电信号。 15、散射现象:当电磁波束遇到障碍物,或在大气中传播,遇到空气介质或云滴、雨滴等悬浮粒子时,入射电磁波会从这些介质或粒子上向四面八方传播开来。
16、设有一理想的散射体,其截面为O它能全部接收射到其上的电磁波能量,并全部均匀地向四周散射,若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度,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就称为实际散射体的后向散射截面。
17、单个小球形粒子的散射—瑞利散射,当粒子为d<><0.13;单个球形粒子的散射—米散射当d?λ的大球形质点的散射,称为米散射。a>0.13 米散射的条件:(1)粒子是球形的,粒子内外都不含自由电荷,散射粒子不是导电体(2)粒子内、外介质是均匀各向同性的,粒子外介质一般是空气或真空;(3)入射电磁波随时间作简谐变化。
在瑞利散射的条件下,反射率因子与粒子直径的六次方成正比。
18、雷达反射率:单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和。
反射率因子:单位体积内全部降水粒子的直径六次方的总和。
19、气象雷达衰减包括:标准大气衰减、云的衰减、雨的衰减、雹的衰减、雾的衰减 20、?CS:连续警戒模式:低仰角使用;脉冲重复频率(PRF)较低;不会产生距离模糊;只用于测量反射率Z;?CD:连续多普勒模式:在低仰角使用;脉冲重复频率(PRF)较高;可能产生距离模糊;借助CS的数据做退距离模糊处理,用于测量速度和谱宽 21、地物杂波定义:由山地及其上的各种建筑物等对电磁波散射所产生的回波。 地物杂波特点:在反射率因子产品上表现为高的反射率因子值;在径向速度产品上表现为径向速度接近零;在谱宽产品上表现为谱宽值为零。
产生地物杂波的目标物:地表、地表上的建筑物。
抑制方法:采用数字低通滤波器
地物杂波抑制的优点:改善了基数据质量,为算法和二次产品生产提供了高质量的数据;改善了速度与谱宽估计精度。
22、脉冲宽度越宽,雷达的距离分辨力越差。
23、脉冲调制器由:电源部分、能量存储部分和脉冲形成部分三部分组成。电源部分作用是
把初级电源变换成符合要求的直流电源。能量存储部分作用是为了降低电源部分的高峰
值功率要求。脉冲形成部分是利用一个开关,控制储能单元对负载放电,以提供电压、
功率、脉冲宽度及脉冲波形参数都满足要求的视频脉冲。
24、雷达的分类:按信号的形式分为脉冲雷达、连续波雷达、脉冲压缩雷达。 25、频率范围:L(1000—2000MHz);S(2000—4000MHz)C(4000—8000MHz)X(8000—
K12000MHz) K(18—27GHz)(27—40GHz) a
3cm雷达比10cm雷达回波衰减的多。
26、
F,1F,13227、三级噪声系数: F,F,,01GGG112
S(dBmW),,114dB,10lgB(MHz),10lgF28、临界灵敏度 iminn0
29、噪声系数F=(Si/Ni)/(So/No),其物理意义:表示由于接收机内部噪声的影响,使接收机输出端的信噪比相对于其输入端的信噪比变差的倍数。
30、接收机的频带宽度越宽,选择性越差。
31、什么是多普勒两难,
由
没有唯一的PRF能使得Vrmax和Rmax都能达到最大。
解决两难的方法:CS/CD模式、B模式、DPRF、相位编码、径向连续性、方位,连续性。 32、退速度模糊的方法:径向连续性退速度模糊、廓线连续性退速度模糊。 速度退模糊的优点及局限性:
优点:获取准确的速度值、保留了回波中的气象信息。
局限性:不适当的退速度模糊会掩盖重要信息、影响一些气象算法的效果。 33、在结构上,馈线系统主要由天线反射面上波导走线、天线座内波导走线、机柜内波导走线组成。
34、多普勒雷达主要由雷达产品获取单元RDA、雷达产品生成单元RPG和主用户终端PUP三部分组成。其基本产品包括:反射率因子、平均径向速度和谱宽
35、雷达工作频率是雷达发射机所发射的电磁波的频率。 每秒产生的触发脉冲的数目,称为脉冲重复频率,用PRF表示。
36、探测脉冲的振荡持续时间,称为脉冲宽度τ。由于探测脉冲具有一定的持续时间,因而它在空间也有一定的长度h=τc
37、常用的雷达气象方程:
38、反射率因子的定义式:(反射率因子是反射率的一部分。反射率与雷达波长有关,反射率因子与雷达的任何参数都没有关系,只与降水粒子的大小和多少有关,是一个只与降水强度有关的物理量。任何一部雷达(不论它的波长是多少)的反射率因子都可以互相比较,而波长不同的雷达的反射率就不能用于比较降水云的强度。)
39、异常传播与地物杂波的不同和相同之处。
异常传播就是超折射。超折射的本质就是地物杂波。
地物杂波是静止的,任何时候都在它自己的位置上。而超折射每天每小时甚至每个体积扫描都在变化。
40、地面杂波实施方案:第一步雷达会自动给出旁路图,预报员自己定义超折射区域;第二步确定一个槽口宽度;第三步确定操作员代码。
范文二:气象雷达
顺风耳----气象雷达
3.1 探测原理
气象雷达的基本工作原理与一般的雷达相同,可以概括地描述为:它间歇性地向空中发射电磁波列(称为探测脉冲),然后接收被气象目标散射回来的电磁波列(称为回波信号),并在荧光屏上显示出来,从而确定气象目标的空间位置和特性。
在雷达探测中,目标的空间位置是用离雷达站的直线距离r 、相对于雷达站的仰角α和方位角β来表示的,见图3.1。
图3.1 目标空间位置的确定
3.1.1 目标距离的测定
目标离雷达的距离r 是根据电磁波的传播速度和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔Δt 来确定的。电磁波在大气中的传播速度与在真空中稍有不同,但对测距精度的影响很小,故仍可取c=3×108m/s。因此: r =1c ?t 2 (3.1)
通常,时间间隔以μs 为单位,故上式可写成:
r=0.15Δt (km) (3.2)
或 r=150Δt (m) (3.3)
3.1.2 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。
3.1.3 目标特性的测定
气象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测大气的基础。大气中引起雷达波散射的主要物质是大气介质,云、降水粒子等。其中大气介质的散射与反射包括大气气体分子的散射,以及大气介质折射指数分布不均匀引起的散射与反射。云、降水粒子的散射情况随相态、几何形状不同而异,表示气象目标散射特性的物理量有雷达截面,即后向散射截面,雷达反射率以及雷达反射率因子。雷达回波功率是由有效照射体积内所有气象目标产生的。
有的雷达在大气中的无云区,或在由不可能被探测到的很小粒子所组成的云区内能探测到回波,说明这种雷达的灵敏度很高,探测到的回波称为晴空回波。产生这种回波的气象条件有二种: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。
3.1.4 多普勒雷达探测原理
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υ,脉冲重复周期为T ,则在后一个发射脉冲的时刻,目标物和雷达之间的距离将比前一个发射脉冲发射时变化了υT 的距离,这个脉冲发射回来时在空中的传播距离将有2υT 的变化。和这个距离变化相应的相位ψ的变化应是:
??=2π2υT λ (3.4) 式中λ为雷达波长。由此可得相位随时间的变化率为: d ?4π=υdt λ (3.5)
??单位时间内相位的变化?t 就是角频率ω,且ω和频率f 之间的关系为ω=2πf 。把这个关系代入(3.5)式,即得:
f D =2υ
λ (3.6)
f D 就称为多普勒频移或多普勒频率,它是由于目标物的径向运动而引起的信
号的频率变化。目标物的径向速度υ称为多普勒速度。
3.2 云雨雷达
云雨雷达,顾名思义,它就是以云、雨等降水粒子为检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”。
3.2.1 天气雷达的测云能力
一个气象目标能否被天气雷达所探测到,取决于回波信号的功率是否大于雷达接收机的最小可辩功率。因此,天气雷达的探测能力不仅取决于雷达的技术参数,还取决于气象目标的强弱、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,不足以产生足够的回波功率而很难探测到。那么,什么样的云才能探测到呢?有人根据云、雨滴谱的观测资料,得出一些云、雨的平均反射因子(Z )值,如表3.1所示。
表3.1 一些云、雨的平均Z 值
我们再以某3cm 雷达为例,在不考虑途中衰减、并假设充塞系数为1的情况下,我们可以计算出不同距离r 处对应最小可变功率Pmin 的Zmin 值,如表3.2所示。
表3.2 某X 波段天气雷达能够探测到的最小Z 值
比较表3.1和表3.2可以看出,该雷达探测1.25mm/h小雨的距离可达100km 以上,但探测不到近距离的普通的云。当然,实际云中的Z 值有时与平均值相差很大。所以,除了淡积云和毛卷层云几乎探测不到外,其它的云在近距离上有时是可以探测到的。
为增大雷达测云的能力,需要采用更短的波长,如1.25cm 和0.86cm ,以增大云滴的散射能力。
3.2.2 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r 处的最小可测雨强Rmin ,或某一降水强度R 的最大探测距离r max 来表示。在假设充塞系数为1的条件下,可以利用气象雷达方程和已知的雷达反射因子Z 和降水强度R 之间的关系(Z=ARb ),从理论上计算出天气雷达的探测能力,其中不同的降水分布情况对应不同的A 、b 值。
(1) (1) 探测零星对流性降水时
这种情况下,途中介质的衰减仅由大气引起,反射因子Z 与雨强R 的经验关 系式为:Z=486R1.37
图3.2是我们计算出来的不同距离上某3cm 雷达和某5cm 雷达的最小可测雨强的曲线。其中,3cm 雷达的大气衰减系数取0.015dB/km,5cm 雷达的大气衰减系数取0.01dB/km。
图3.2 零星对流性降水时理论探测能力
(2) (2) 当本站处在大范围均匀降水区中时
这种情况下,途中介质的衰减仅由大气和降雨共同引起,即k 衰减=k大气+k降雨。 大范围降水通常是由层状云产生的,其反射因子Z 与雨强R 的经验关系式为:
Z=200R1.6
图3.3是我们计算出来的不同雨强下某3cm 雷达和某5cm 雷达的最大探测距
离的曲线。其中,3cm 雷达的降雨衰减取k 降雨=0.0074R1.31,5cm 雷达的降雨衰减
取k 降雨=0.0022R1.17。
3.2.3 层状云降水回波的识别
通常层状云降水在平面位置显示(PPI )上的回波特征是范围比较广,强度比较均匀,边缘模糊发毛。其中有些回波有条纹结构,有些有波状结构。比较均匀的回波对应的降水强度也比较均匀;有空隙、条纹结构或波状结构的回波其降水分布不均匀,多为
图3.3 大范围均匀降水时理论探测能力
间歇性小雨。事实上常可见到在大面积较小的雨中,夹有强度较大的降雨中心,对应大片弱回波中有一个个强度较强的回波团。由于层状云降水的PPI 回波通常连绵成片,因此一般称这种降水回波为片状回波。
在距离高度显示(RHI )上,层状云降水回波结构比较均匀,顶部比较平坦,顶高多在5—6公里(长江中下游地区的梅雨峰云系,回波高度则在8公里左右);回波的水平尺度比垂直尺度大得多。同时可以观测到一条近似与地面平行的明亮的回波带,它的高度一般位于0℃等温线以下几百米的地方,这就是雷达气象学中常说的零度层亮带,有时也称为融化带。亮带现象是稳定性层状云降水的一个重要特征。亮带的存在不仅指示了亮带上面是冰晶而不是过冷水滴,而且指示了云中不存在强烈的对流湍流活动,因为只要存在强烈的湍流混合,就不可能存在稳定的冰水转化层。
3.2.4 积状云降水回波的识别
积状云降水也叫对流云降水,因为积状云中对流强烈。积状云降水包括阵雨、雷雨、冰雹等对流降水过程。在PPI 上,积状云降水回波与层状云有着明显的差异,它通常由许多分散的小块回波所组成。这些小块回波有时无规律地分布得很零散,有时有组织地排列成带。未发生过并合的对流降水回波的最小单元叫对流回波单体,由两个以上单体合并构成的对流回波叫多单体回波。回波单体的水平尺度比较小,一般从几公里到几十公里。它的结构密集,边缘清晰,棱角分明,回波强度强。相对于范围比较大的层状云降水的片状回波常常叫它为块状回波。 在RHI 上,积云降水回波单体常呈柱状结构。强烈发展的单体回波顶常呈现为砧状或花菜状。这种回波一般都比较高,多在6—7公里以上,强烈的积状云降水回波高度常常超过10公里,有些地区最高可达20公里左右。
积云降水回波生消变化很快,一个单体回波的生命期可从十几分钟到几十分钟。一般回波单体水平尺度愈大,持续时间也愈长。
一般来讲,在积云发展阶段,不存在“零度层亮带”。这是由于积云中对流
旺盛,湍流强烈,不存在明显的冰水过渡层。
3.2.5 雷雨和阵雨回波的识别
雷雨和阵雨,是对流旺盛程度不同的两种对流云降水,可以直接根据对流云降水回波的外形特征来识别,也可以根据某些回波特征的统计指标来判别。但是,在识别和判别时,都必须考虑季节、地区的差别,以及雷达性能的不同。
从回波外形看,雷雨回波的水平尺度比阵雨大,前者通常超过10km ,后者常小于10km 。雷雨回波的强度大,内部结构密实,边缘轮廓分明;而阵雨回波则较松散,边缘轮廓也不很清晰。雷雨回波的高度一般在7—8km 以上,而阵雨回波的高度则较低。
根据回波的外形特征来识别雷雨和阵雨的准确率,与观测者的经验有密切的关系。较好的办法是利用回波参数的统计指标来判别雷雨和阵雨。为此,各国气象工作者都做了很多统计与分析工作,如前苏联的Κотов和Сальман等人利用地面站的实况纪要和雷电探测器来确定雷雨和阵雨,然后再对回波资料进行统计,在回波的最大反射因子Z m 、回波的水平面积S 、回波顶的温度t T 等参
数上进行了雷雨和阵雨的比较,形成了一定的判据。Гашин和Сальман提出把回波顶高度H 、最大反射率因子Z m 和云顶附近反射因子
的垂直分布等回波参数组合成综合指标Y ,作为判别雷雨和阵雨的指标。
Y =
H lg Z m lg Z m -lg Z 2 (3.7)
式中H 为回波顶高,单位为km ,Z 2为H 2高度上的反射因子,H 2=Hzm +2km。
对阵雨、雷雨和连续性降水的150次观测结果的试验表明:Y<><><8时,75%的保证率是阵雨,20%是连续性的降水,5%是雷暴;y>8时,95%的保证率是雷暴,5%是阵雨,0%是连续性降水。
3.3 脉冲多普勒天气雷达
3.3.1 脉冲多普勒天气雷达的一般描述
图3.4 脉冲多普勒雷达原理框图
图3.4所示为脉冲多普勒雷达的原理方框图。发射机产生频率为f 0、持续时
间为τ的高频振荡。大部分功率通过天线转换开关到达雷达天线,并以电磁波的形式辐射出去。一小部分功率从发射机进入混频器,与从一个非常稳定的本地振荡器产生的信号在混频器中相混合,然后输出中频信号,传送到相干振荡器。当来自目标的回波信号被雷达天线接收后,也与来自稳定的本地振荡器的信号相
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Δυ/T,即可得出多普勒频移f D :
f D =?φ
2πT (3.8)
式中T 为探测脉冲之间的间隔时间,即重复周期。
由于接连两个回波信号的相位差Δυ,是2π的周期性函数,当相位差超过2π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±π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,用V m 表示。由(3.6)和(3.8)式可导出
V m =±λ
4F (3.9)
由此可知,多普勒雷达的最大不模糊速度V m 与雷达波长和重复频率F 成正比。
3.3.2 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E (t )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。这个函数通常用S(f)表示,称为多普勒谱。在每个频率间隔Δf 内的回波功率,是运动速度相应于Δf 的降水粒子的回波功率之和。利用f =2v
λ,S(f)可以变
成S (V ),称为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V 和速度的方差σV 2。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。
3.3.3 多普勒天气雷达的应用
(1) (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雷达,可以测量降水粒子的平均多普勒速度V 。 由于多普勒速度V 是降水粒子降落末速度W t 和气流的垂直速度W 之和,V=Wt +W,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。 目前主要有三种测量方法:速度谱低端法、w 0-Z 关系法、综合测量法。
(2) (2) 雨滴谱的测量
不同大小的降水粒子具有不同的降落末速度W t ,产生的回波功率也不同。利
用垂直指向的多普勒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W ,则由于W t = V-W,可以得到回波随降水粒子末速度W t 的分布。
(3) (3) 湍流的估计
多普勒谱的宽度可以用多普勒速度的方差σV 2来度量,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。总的方差σV 2可以写成由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,σV 2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
2确定了第一个因子,则测定了σV 就可以推出空气的湍流情况。而尺度大于被测
体积的湍流,即为平均多普勒速度 v的变化,可以用平均多普勒速度的时间变
化代替空间变化来估计。
(4) (4) 探测龙卷等强风暴
一些强烈的对流风暴,常伴有强烈的旋转流场(水平涡旋)。这种旋转流场反映在雷达的径向速度上,为一对最大径向速度区,其中一个为正(向着雷达),一个为负(远离雷达),很容易从雷达的PPI 画面上鉴别出来。因而,可以用来探测和警戒龙卷、冰雹等强烈灾害性天气。
(5) (5) 测量大范围稳定性降水区中的流场结构
其基本原理是:当雷达天线指向仰角α时,在某一距离单元所对应的高度h 处测得的多普勒速度v ,一方面取决于降水粒子的降落末速度v f ,另一方面取决
于风速v h 。若用β表示相对于风向的雷达天线的方位角,则有:
v =v f sin α+v h cos αcos β (3.10)
若在观测范围内风速和降水粒子的降落速度是均匀的,则当天线以某一仰角进行方位扫描时,某一高度上的平均多普勒速度v 就作周期性变化,在显示器上显示出速度-方位曲线,这也就是我们常说的VAD 方法。
(6)实际应用
图3.5 多普勒雷达速度图 图3.6 垂直风廓线产品
图3.7 分层组合湍流 图3.8分层组合反射率因子 上面四幅图是我们利用中国新一代多普勒天气雷达(CINRAD/CC)探测到的相应回波数据制作的。图3.5为速度场画面,图3.6是在该时段制作的反映水平风场随高度、时间变化的图象产品;图3.7是利用谱宽资料,根据它与湍流强度的关系式,从而估计大气中尺度较小的气流扰动分布的图象产品。 图3.8是利用体扫数据处理得到的、反映监测范围内不同层次间的最大回波强度分布的图象。
3.4 双偏振雷达
偏振又叫极化,它是指电磁波的电场或磁场的方向。偏振分为线性偏振,圆和椭圆偏振。线性偏振是指电场矢量终端的轨迹沿着一条直线运动,它具有磁场电场大小随时间方向变化,电场矢量或磁场矢量终端的轨迹为一条直线等性质。线偏振又分为水平线偏振和垂直线偏振。
雷达发射的电磁波在大气中传播,遇到气溶胶粒子时,产生后向散射,雷达接收后向散射回波。影响散射波和极化的主要因素有: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。双偏振天气雷达就是利用不同的粒子对不同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。
在粒子群中所谓的粒子的形状、尺寸、指向角并不是单个粒子的,而是粒子群的平均形状、尺寸、指向角。雨滴间的振荡与碰撞行为,会使粒子产生一种形状分布,每种雨滴尺寸具有一个平均的扁球形的形状分布,对应于形状分布用粒子的尺寸分布表示。粒子的尺寸分布又叫滴谱,它由函数N(D)dD表示,是指直径为D 的区域,从D -11dD D +dD 22~区间上,单位体积的降水粒子的数量分布。
雨滴、雪和冰雹是我们最常见的降水形式。
雨滴的形状取决于在下落过程中雨滴的表面张力和压力,以及大气的压力、温度、湿度的影响。雨滴的直径由小至大,形状由球形变成扁球形。理论研究和试验结果分析表明,扁球形雨滴的轴比与雨滴的等效直径之间存在一定的关系。
雪的形状与尺寸之间不存在固定关系,冰粒子群由复杂形状的冰晶组成,冰晶的基本形状与空气的温度,湿度有关,在一般情况下,粒子的形状、指向和密度的可变性很大。
液态水的介电常数对极化和吸收(衰减) 有影响,影响介电常数性能的因素是电磁波的频率和温度。
双偏振天气雷达测量反射率因子Z H 、反射率因子差Z DR 、传播常数差K DP 、零延时的相关系数ρHV (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Z H ,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Z DR 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,Z DR 则不同。对于球形粒
子,反射率差Z DR 为0 ,偏心率e 越大,Z DR 越偏离0dB 。
电磁波不同的极化方式在空间的传播, 由于受降水粒子前向散射的影响, 传播常数发生变化, 在水平和垂直极化间具有传播相移差。
传播常数差K DP 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K DP 对粒子进行识别。对球形粒子,倾角可看作α=0,K DP =0。对其它形状粒子,A 1≠A 2,K DP ≠0。由此作为识别降水型的依据。
ρHV (0)是指0延时的相关系数,它是指由粒子形状、振荡、球形粒子的轴比
与倾角引起的相关系数。
线性退极化比的定义为LDR≡10×lg(ZHV /ZHH ) ,它的物理意义为发射线性极
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Z H 、Z DR 、K DP 、ρHV (0)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。
1986年Aydin 对混合态降水中冰雹和雨的含量进行了大量的分析,最后定义了冰雹信号H DR 作为检测冰雹含量的参数。
另外许多利用以上参数还可以进行降雨率、降水量和冰雹含量的估算。根据经验公式推算降水粒子的下降末速度V(D)、滴谱分布等。
3.5 双波长雷达
我们知道,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。
雨滴是直径小于6mm 的水滴,并可近似地看作球形。在满足雷利散射的条件下,有
π5σ=4|K |2D 6λ (3.11 )
在波长3—10cm 范围内,|K|2≈0.93,因而两种不同波长的后向散射截面之比等于波长之比的负四次方,而与粒子的尺度无关。
实际雨滴不完全满足雷利散射条件,根据米散射理论可以计算出它对于不同波长的后向散射截面。我们发现,当雨滴直径从3.3mm 增大到6mm 时,σ10/σ3的比值有所减小,但变化不大;而且大雨滴在雨滴谱中只占少数。因此,从两种不同波长的观测中难以区分雨滴的大小。
对0℃时干冰雹,我们利用米散射理论计算了两种波长的后向散射截面之比值。可以看出,冰雹直径在1—1.6mm 范围内,σ10/σ3的比值随直径的增大而迅
速增大,当冰雹直径超过1.6mm 时,维持较大的值而少变。
我们再来看看雹云对两种波长的等效反射因子Z e 的比值的变化关系:
4Z e 10λ10∑e -3D σ10(D ) =4Z e 3λ3∑e -3D σ3(D ) (3.12)
由此计算出等效反射因子Z e 的比值随冰雹最大直径的变化,如图3.9所示。因
此,测定Z e10/Ze3,即可判断云内是否存在直径大于1cm 的大冰雹。
图3.9 Ze10/Ze3随最大粒子直径D max 的变化
然而在实际的对流云中,冰雹的状态是很复杂的。冰雹粒子的表面附水程度、结构的松散性、表面的粗糙度以及雹粒的形状都将对雹粒的散射特性产生影响,从而影响推测大雹粒存在与否的准确性。
双波长雷达方法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。
此外,因为双波长原理使用了两种不同的波长,因此回波信号必然包含了更多的与散射粒子特性相联系的信息,如何从这些信息中合理地提取反映重要特性的资料,也是需要继续深入研究的。
3.6 多参数雷达
多普勒天气雷达为气象探测提供了许多有用气象目标的信息,多参数雷达通过极化分集和多波长分集技术提供了冰雹检测和其它信息,如云和降水目标的尺寸、相态和类型的方法。
通常超短波长的雷达用来探测新生成的发展云,而长波长的雷达用来研究大的风暴,研究者们通常需要一种同时拥有上述功能的应用很广的雷达,多参数天气雷达则具有这方面的能力。
多参数天气雷达集全相参、极化分集、波段分集技术于一体,设备的复杂程度较高,在美国NCAR (国家气象研究中心)就架设了一部S 波段和X 波段极化分集的多普勒雷达。这套系统可以同时测量两种波段的反射率因子及单波段(S 波段)的多普勒参数,两种波段下的极化分集测量。
多普勒测量和极化分集测量与单多普勒雷达和极化分集雷达相同,波段分集技术则是利用不同波段电磁波对不同粒子的后向散射回波效应不同作为识别目标的依据。下面以此为重点介绍波段分集技术的主要原理。
波段分集技术作目标识别的原理是,利用不同波长的电磁波同时测量粒子的等效反射率因子,不同的降水粒子对此的后向散射截面不同,其回波信号中包含能够反映冰雹粒子的分布尺寸和相态信息。但这种测量方法还受雨衰减影响。
在强对流天气中观测,两种不同波段的雨衰减差达10分贝,这会影响反射率差的测量,因此衰减的订正是不可缺少的。多波段雷达还利用回波的衰减差异来对目标的回波进行分析。
雷达发射一定功率的电磁波,在遇到降水目标后将产生后向散射,当雷达接收回波信号时,回波中包含了反映降水粒子状态的信息。
雷达接收的回波功率是
0. 2?a i dr Z 0P i =C i ei 102r r (3.13)
i 表示不同的波长,C 为雷达常数,Ze 是等效反射率因子,a 是衰减率。两种波长下,雷达接收回波功率的对数比是
y (r ) =10log (P 1/P 2)
=10log(C 1/C 2) +10log(Z e 1/Z e 2) -2?(a 1-a 2) dr 0r (3.14)
选取两种不同的波长,通常取λ1=10cm、λ2=3cm,则a 1相对a 2可忽略不计。
如果没有冰雹粒子的影响,dy/dr就表示了3cm 时的衰减系数。
1973年Carbone 等人研究表明,在降雨区中含冰雹粒子的时候,冰雹前锋及尾部,对应的Y 和dy/dr以及降雨衣率R 与冰雹粒子分布的距离间具有一定的关系。通常情况下,在遇到冰雹之前Y 基本上随距离单调增长的关系,这是因为此时Y 主要取决于最短波长引起的衰减的影响(长波长引起的衰减可以忽略)。当遇见冰雹前锋时,由于冰雹后向散射截面急剧增长,(Ze1远大于Ze2),Y 增长很快,而到冰雹尾部时,Y 由减缓至下降。相应的在这两个区域内,dy/dr也有相应的变化,当没有遇到冰雹时,它主要取决于小波长时的衰减系数,在冰雹前锋区域时,它表现为正值,在冰雹尾部区域表现为负值。而dy/dr的正变量表示高含水区,负值表示由于尺寸很大的冰雹引起的。对于降雨率R ,在冰雹粒子云的中心表现出最大。
这样由Y 、dy/dr和R 可以判别降雨云中是否存在冰雹粒子。
要想正确测量,还必须考虑到各种其它因素的影响,如观测粒子的形状、尺寸分布等的实际物理特性,以及两种波长下对应的波束尺寸目标的特性以及对反射率偏差的正确解释。
除了进行冰雹粒子的识别外,利用多波长技术还可以进行降雨主率、降雨量和滴谱的估算。其主要原理与上述方法相似,两种波长下接收回波的功率的对数比的变化主要取决于平均衰减率的大小,当选择一种波长与另一种波长相比可忽略的时候,衰减率、反射率因子与降雨率R 、降水量M 以及滴谱N (D )之间存在某种假设或经验公式,利用这些关系进行估算。
多波长技术主要受雨衰减影响,除此外还涉及两种波长波束一致性问题、衰减差问题及测量的不同时性问题。这种方法的时效性也是一个问题,dy/dr负值表示存在尺寸大于1cm 的冰雹,然而,在冰雹最远端的边缘区却不肯定如此,当冰雹尺寸或冰雹粒子上覆盖的水膜厚度随距离面变化时出会产生这种现象。因此此项技术与其它技术相结合。
多参数天气雷达汇集了多波长技术、极化分集技术和多普勒技术,充分利用各种技术和长处,准确识别降水类型和降水估算。
3.7 风温廓线雷达
3.7.1 风廓线雷达概述
几十年来对高空风的探测,几乎都采用气球作为空气流动的示踪物,从而求出风速。利用跟踪气球测风,不能连续进行观测,时空分辨率低且费用较高。 风廓线雷达正是在这样的需求背景下产生的,风廓线雷达是一种新型的多普勒测风雷达,其探空的时间密度和空间分辨率较气球探空要高得多,另外,由于风廓线雷达取得的探空资料(风、温等)是测站上空实际的垂直风、温情况,而利用气球探空,由于气球会随风漂离测站,探测到的风、温廓线并不真正代表测站垂直上空的实际情况,因此,风廓线雷达探空的结果要比气球探空客观和准确。风廓线雷达的主要类型按其探测高度可分为四类:即平流层/对流层风廓线雷达(近地面~20km );对流层风廓线雷达(近地面~16km) ;低对流层风廓线雷达(近地面~6km )和边界层风廓线雷达(近地面~3km )。
3.7.2 风廓线雷达测风工作原理
风廓线雷达以晴空湍流(Turbulence)作为探测目标,利用大气湍流对雷达电磁波的散射作用,遥感探测风速。在大气中随时存在着各种尺度的湍流,它们引起的折射指数的不均匀变化,对无线电波会产生散射作用。湍流存在于气流之中并随之移动,可以将湍流作为平均风速的示踪物。由于风速是一个矢量,要求雷达的天线具有三个或五个正交波束,通过测定每个波束方向风速引起的多普勒频移,在一定的假设条件下可估测出回波信号所在高度上的风向、风速和垂直运动。
3.7.3 风廓线雷达测温工作原理
RASS是一种新兴的温度探测方法,它通过电波和声波的相互作用遥感大气温度要素。近年来,随着风廓线雷达的迅速发展,利用风廓线雷达实现RASS 探测的研究发展迅速。由于用风廓线雷达可以替代RASS 中的无线电部分,且不需做过多的改动,这种带RASS 的风廓线雷达很快为人们所接受。
RASS 垂直发射的声波,在传播过程中会造成空气压缩和膨胀,这些局部的空气密度的变化引起大气局部折射指数的相应变化,当用电磁波垂直照射这些声波时,局部折射指数的变化会使少量的电磁波产生后向散射,引起多普勒频移,它与所跟踪的声波速度成正比。空气中的声速主要取决于大气温度,根据多普勒频移即可反演出大气温度。
3.7.4 风廓线雷达组成
风廓线雷达主要由五部分组成:天馈、发射/接收机、信号处理器、数据处理及监控分机。图中虚线部分为声发射器,与风廓线雷达联合使用,构成无线电-声探测系统,探测大气中温度廓线。
3.7.5 风廓线雷达的主要产品
利用风廓线雷达进行大气探测可获得许多十分有用的气象资料,其中最主要的气象产品如下:
(1) (1) 水平风廓线
(2) 垂直风廓线
(3) 温度廓线
(4) 合成风资料
(5) 风切变状况
下面给出信息产业部电子三十八所研制的边界层风廓线雷达(3826雷达系统) 在安徽、合肥、肥东机场的一次实际测量结果。
图3.11是2001年6月22日19:44到20:33的测得的水平风廓线,其时间分辨率为1分钟,高度分辨率为50m 。图中水平羽毛状的标记称为风羽,风羽的杆的方向表示水平风向,风羽的尾部线条代表风速大小。水平轴代表时间范围,纵轴代表探测高度,从图中可看出,最大温度探测高度约为1.3公里
图3.11 水平风廓线
图3.12是2001年6月22日03:08到03:25测得的温度廓线,其时间分辨率为1分钟,高度分辨率为50m, 图中温廓线的颜色代表不同的时次,水平轴代表气温,纵轴代表高度,从图中可看出,最大温度探测高度约为1.3公里。
3.7.6 风廓线雷达的应用前景
风廓线雷达在科学研究和业务应用上有着广泛的使用前景,它可以应用于天气学、气候学、大气物理学等方面的研究,利用风廓线雷达可以监视大气边界层厚度的变化,推断大气运动的湍流结构等。利用风廓线雷达测得的各个高度的水平风速变化,可以用来评价天气状况和预测天气潜势变化。此外,风廓线雷达在火箭发射保障、飞机起降,军事—射弹风修正、空气污染潜势预报和空气质量预报以及城市环境气象应用服务等许多方面都有着广泛的应用前景。
图3.12 温度廓线
3.8 双/多基地雷达
双基地雷达是世界上最早出现的雷达。在美国、英国、法国、前苏联、德国和日本,最早的实验雷达就是双基地雷达。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,从而使双基地雷达一度受到冷落。1950年以后的冷战年代,由于东西方军事集团的军备竞赛,促使双多基地雷达系统又获得研究和发展,主要应用有:弹道导弹的准确测量、半有源导弹的制导、前向散射探测隐身飞机、对抗ARM 和干扰机等等。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。双、多基地雷达系统的民用领域也很广泛,例如:近距离高分辨成像、机场场面监视、行星表面和环境测量、地质探测、洋面波谱测量、对流层/电离层/大气目标的探测等等。美国NCAR 在1993年进行了双基雷达应用于风场测量的实验,获得成功并推广这一成果。我们知道,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,它的正确性不能保证。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,另外由于对相同气象单元观测的非同时性,对于快速变化的气象它应用起来有所限制。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,由雷达主站对多站数据进行融合处理,就能测出诸如风场的三维矢量、降雨粒子的垂直速度等信息;另外由于只用一部发射机,所以能保证对同一气象区域观测的同时性,这点对于快速变化的气象有重要意义。以上优点使得双/多基地多普勒天气雷达在气象研究、飞行保障、天气预报等方面有重要作用。
3.8.1 双/多基地雷达的主要优缺点
(1)双/多基地雷达的主要优点有:
系统功率口径积容量大,且能量可被充分利用。
目标位置估值精度高。
通过多普勒频率估值目标速度和加速度矢量。
测量辐射源的三维坐标和速度矢量。
增加了信号信息量。
分辨能力、地杂波抑制、抗干扰能力、系统的生存性和可靠性得到加强。
(2)双/多基地雷达的主要缺点有:
多基的中央化控制。
需有数据通讯系统传输同步信息和其他信号。
对信号、数据处理器和计算机的要求提高了。
系统必须有准确的站位数据。
只有“共视”目标才被系统检测。
对比单基雷达,系统的复杂性和费用较大。
3.8.2 双/多基地雷达的技术难点
双基雷达的三大难点: 时间同步、频率同步、空间同步。
由于价格的原因,双基气象雷达采用宽波束、小范围监视体制,因此对于双基气象雷达来说,主要是时间和频率同步两大问题。
频率同步一般有以下几种方法:
① ① 采用原子钟同步,但价格太贵,气象雷达一般不采用。
② ② 采用恒温晶振进行同步,国外已经有成功应用的报道,价格也可以接受。
③ ③ 在接收站采用相位补偿进行同步,和上述两种方法比较,在技术上稍复杂一些。
时间同步一般有以下几种方法:
① ① 在主雷达和接收站之间铺设电缆或架设图传设备传输同步信号,但受价格和环境等方面因素影响,一般不会采用。
② ② 接收站接收主雷达的副瓣信号处理以后作为自己的同步信号,国外已经有成功使用的报道。
③ ③ 采用GPS 进行时间同步,方案可行,但由于GPS 卫星为国外所有,可能应用会受制于人。
④ ④ 利用互联网传输同步编码信号。
3.9 其它雷达
3.9.1 机载天气雷达
地基天气雷达和地基天气雷达网存在着两大缺点: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辨力太差。这两缺点导致地基天气雷达网对某些区域的天气现象看不见或看不细。将天气雷达装在飞机上就没有这个问题。
天气雷达装在飞机上,根据雷达与飞机的相对主从关系,应该有两种可能:雷达服务于飞机和飞机服务于雷达。客观实际是这两种情况都存在,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,它的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,提示飞机驾驶员回避危险气象区,保障航空安全。这种雷达通常是装在飞机头部的轻小型雷达,观察前方±60o方位和±15o仰角范围。早期的天气回避雷达是非相干体制的测雨雷达,抛物面天线,没有天线稳定平台。随着技术的发展,在80年代初启用脉冲多普勒体制,测雨和测风,天线多为波导裂缝平面阵,而且具有天线稳定平台,其功能也由天气雷达的纯粹气象告警扩展到兼顾地图测绘和导航。在某种意义上,这是对“天气雷达”概念的淡化和“多功能雷达”概念的萌芽。因为飞机给前视雷达的空间和载重都非常有限,将前视天气雷达发展为前视多功能雷达或者说用前视多功能雷达兼天气雷达这是必然趋势,尤其是军用战斗机更是如此,因此目前已发展为具有天线稳定平台的机载前视多功能相控阵雷达。这样,“天气回避雷达”也自然隐含其中了。上述的“天气”是以降水为特征的。目前机载天气回避雷达又有新的发展,它将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。其它主要技术参数一般是:千瓦级发射峰功率,1~20μs 的脉冲宽度,400~2000Hz重复频率;几度波束宽度,0.5米左右的天线
口径;方位扫描范围是以航向为中心的±60o之内,俯仰角范围多设计成手控调整±15o,天线扫描率15转/分。天线型式目前以平板裂缝阵列为多,且有稳定平台。雷达总重量约30公斤左右。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,它的主要任务是飞到天气系统附近或上空,进行近距离探测。近距离探测的好处是大大提高了波束照射的横向分辨力和探测灵敏度。探测距离的变近,增大了照射和接收功率密度,降低了双程传播衰减,而且还可以使用较高重复频率。天气目标回波功率提高,因而可以使用较窄的脉冲宽度进一步提高距离分辨力。此外,天气研究雷达是载机的主体,因此可以根据天气研究任务的需求来设计或选用具体天气雷达,不必过分地顾虑设备的重量、尺寸和功耗,这将给雷达性能,特别是分辨、精度方面带来很大好处。
研究天气现象,主要是研究它的起因微物理,生长过程动力学和发展、演变、消失过程中的流场运动学。运动学涉及三维空间矢量,而脉冲多普勒天气雷达只能测量径向速度,远不能反映空间矢量真实情况。在这方面,有类似地基雷达的困境,但是机载平台的高速机动性,给多视角观察带来可能与方便。
通常载机是在被观察天气系统(如热带强对流暴风雨)的侧边飞行。装在载机尾部的雷达天线,对天气系统进行RHI 扫描,获取天气系统的一叠纵向“切片”。然后飞机拐弯,再对天气系统进行正交方向的“切片”探测,从而获得较为准确的水平风矢量,这种探测方法要求天气系统有较长的平稳时间;改进的方法是尾部雷达先向前看天气系统,待飞过后再向后看天气系统,使两对应视角为准90o相交;如果用2架机载天气研究雷达同时探测,且载机以彼此正交路径飞行,则可获得实时高质量的水平风矢量;载机也可以在天气系统上空飞过,雷达天线装在载机腹部,向下俯视PPI 扫描。
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,飞机运行和服务要求,机载环境对雷达设计要求的提高,为使波束目标照射不因载机姿态变化而抖动,需要稳定的天线平台和数据补偿算法等等。上述代价虽大,但为了科学研究,这些代价总是需要付出的。
3.9.2相控阵天气雷达
雷达(包含天气雷达)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照射探测。对雷达有探究兴趣的朋友可能会发现,机械扫描有一个大缺点,就是机械扫描的惯性。譬如说,我们要观测分离较远的两处小尺度天气系统A 和B ,自然是天线先朝向A ,看好后,再慢慢转到对准B ,或天线按照自己的体积扫描规则进行扫描,遇到两处天气系统A 和B 时自动采集天气回波。这些都避免不了在A 和B 之间雷达的“白忙”,在转的过程中既浪费时间又消耗能量,大大降低了雷达的工作效率。
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,人们发明了相控阵电扫描天线。其实,阵列天线早就有了,它是出现最早的雷达天线,后来由于雷达频率向高端发展,出现了目前既简单,综合性能又好的抛物面天线。但相位电扫描技术使阵列天线起死回生,特别是固态收发组件的发展,使有源相控阵雷达前途无量。
相控阵列天线是由几千个独立的辐射单元(开口波导,开槽波导或偶极子)组成,这些辐射单元在阵面上被规则地排列成行列点阵。常用间距是S=λ/2。
现以线阵来描述相位对波束指向的控制:取一行辐射单元共有m 个(见图3.14),若馈给各单元的激励信号是同相的,则波束指向与线阵正交,以图3.14中虚线
ψ箭头所示。如果相邻单元间馈电的增量相位是 h =2πλ?λ
2sin ?=πsin ?,则线
阵的波束指向也转了?角度,如图3.14中实线箭头所示,波束指向总是正交于等相位波前。同样,若取面阵的某一列辐射单元,令其相邻单元之间的增量相位是
(m-1)
??
图3.14 行阵波束指向控制
ψe =2πλ?λ
2sin θ=πsin θ,则波束指向在垂直面上将偏离法线θ角。列线阵实
质上是行线阵旋转90度的结果。而实际应用的是平面相控阵天线,它可以看成是所有行、列的组合响应完成对波束空间指向的控制(以阵面法线为基准),阵面中第mn 号单元的相移是在方位面内扫描第n 列所要求的相移与在仰角面内扫描第m 行所要求的相移之和,这个相加过程在计算机中完成,并送往面阵的第mn 号单元上。相位控制可用移相器实现。它是电子器件,响应快,允许迅速跳跃地扫描波束。这使相控阵天气雷达具有常规天气雷达所不具有的许多优点。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,从而实现多功能探测能力。可充分地将雷达时间和能量资源应用于微弱目标探测能力、目标数据率、分辨率、精度等等技术性能上。譬如说可以形成几个波束按要求的数据率针对性地跟踪已发现的几个小尺度天气目标的演变,而用宽波束搜索空间新天气情况的发生,从而降低了所需的搜索时间。对微弱天气目标(如晴空湍流)可以采用长驻留期、高重复频率的照射,获得较大的回波能量,提高天气雷达对弱目标的探测灵敏度。
此外,天气雷达总是用视频积分器(DVIP )平滑回波强度的起伏,降低估值方差。从这一角度,要求雷达的重复周期比回波相关时间长。相控阵天气雷达可以有效地控制能量、目标照射间隔和驻留时间,实现目标探测和起伏平滑的最佳结合。总之,相控阵天气雷达的好处多多。
虽然相控阵雷达的好处很多,它是雷达的发展方向,但相控阵雷达非常昂贵。
一个面阵天线具有几千个辐射单元,其信号馈送和相位控制设备非常之多,费用巨大。此外,一个面阵的相控扫描范围通常只有±60o,若要完成360o方位覆盖,至少需3个面阵,这增加了全空域覆盖的成本。因此,相控阵体制多被军用多功能雷达所采用(在方位上辅以可360o机械转动)。随着技术的发展,将相控阵雷达技术应用于天气雷达,特别是多普勒天气雷达必将大力推动大气物理研究上升到一个新的台阶,同时也将使气象雷达技术向着多功能、多用途方面得到快速的发展。
范文三:气象雷达
气象雷达
探测云、雨、风等各种天气现象并获得一定空域的温度、湿度、气压等气象要素的雷达。军事上主要用来为保障航空、航海、火炮射击、导弹和航天器发射、核武器试验以及其他军事行动提供气象情报,是军事气象保障的主要装备之一。
分类 气象雷达按用途分,有测风雷达、测雨雷达和测云雷达;按工作平台分,有地面气象雷达、机载气象雷达、舰载气象雷达和星载气象雷达等。
测风雷达是一种跟踪雷达,它与气球或降落伞携带的反射靶标和应答器组成一个高空气象探测系统,主要用来探测高空不同大气层的水平风向和风速。与无线电探空仪配合可测定高空气压、温度和湿度等气象要素。测风雷达有一次雷达和二次雷达两种类型。一次雷达是跟踪气球上的无源角反射器靶标,二次雷达是跟踪气球上的应答器。探测时,测风雷达连续跟踪探空气球,自动测定瞬时方位、仰角和距离,由电子计算机或人工计算规定高度上的平均风速、风向。雷达或专用接收设备接收探空气球上的无线电探空仪发射的气象要素遥测编码信号,由电子计算机或人工计算规定高度上的温度、气压、相对湿度,或其他大气环境参数。测风雷达通常采用圆锥扫描体制和单脉冲体制,探测距离为200千米,探测高度为30千米。
测雨雷达又称天气雷达,是利用大气中的水滴、冰晶等质粒对电磁波
的散射作用,发现积雨云、雷雨等降水系统,测定其水平和垂直分布、移动方向和速度、强度及降水量,判定其性质和发展演变趋势。能探测台风、暴雨、冰雹和局部地区强风暴。测雨雷达多为脉冲雷达,常用工作波长为3厘米、5厘米和10厘米。探测高度为20千米,探测距离为200~400千米。测雨雷达采用多种显示器:距离显示器显示不同距离上的气象目标的回波强度;平面位置显示器显示以雷达为中心的周围降水区和风暴的水平分布;距离高度显示器显示给定方位上的降水区、风暴在距离-高度坐标上的结构分布。当天线作方位扫描时,可采用对信号进行衰减的方法,观察显示器上降水区、风暴、台风等气象目标回波图像的变化,测定其强度,确定其最强的中心位置。配有图像处理系统的测雨雷达,通过将回波信号变换为数字信号,并经电子计算机处理,在显示器上以数字和彩色分层显示回波的强度。 测云雷达主要用来探测云滴直径较小,尚未形成降水的低云和中云,测量其顶部和底部高度及内部物理特征,如空中有多层云存在时,还能测出云的层次。由于云滴比降水粒子小得多,而云滴对电磁波的后向散射能力与云滴直径的6次方成正比,与雷达波长的4次方成反比,因此测云雷达的工作波长均较短,常用的为1.25厘米和0.86厘米。测云雷达的工作原理与测雨雷达相似。其天线结构简单,多数垂直向上。通常采用A 式或R 式距离显示器,用照相或记录器记录回波。 应用 根据部队任务,军用气象雷达的主要应用方式有两种:①组网探测。即配置在不同地点的气象雷达,按统一要求实施探测,获取战
区、航线、海域等大范围的高空气象情报,为作战指挥,天气预报提供依据。②单站配置。配属执行机动作战任务的战术分队,为部队遂行任务提供所需的实时高空气象资料。
简史 第二次世界大战期间,美国首先使用10厘米波段的炮瞄雷达和3厘米波段的机载航行雷达进行高空气象探测,提供高空气象情报,对提高高射炮命中率和保障航空兵作战起了重要作用。50~60年代,由于航空、科学试验和气象保障的需要,气象雷达发展迅速。各国相继研制生产了测风雷达、测雨雷达和测云雷达,并广泛装备部队。有些国家建立了气象雷达网,或以气象雷达为主的军事气象观测和保障系统,大大提高了对灾害性天气的监测和部队作战气象保障能力。70年代以来,气象雷达应用了电子计算机、微处理器、集成电路和彩色显示等先进技术,增加了雷达探测数据、回波图像实时处理功能,提高了测量精度、可靠性和自动化水平。80年代以来,能精确测定云雨速度的脉冲多普勒气象雷达开始应用于气象探测和科学研究。
发展趋势 重点发展脉冲多普勒体制气象雷达;进一步应用计算机技术、可编程序信号处理技术和高分辨率、高刷新率彩色显示系统,提高对数据、图像的实时处理能力和测量精度,提供更多的气象信息;采用频率捷变,脉冲压缩,极化分集等技术,提高气象雷达的数据采集能力和分辨力。
范文四:气象雷达
机载气象雷达使用方法
涉及内容
?设备简介
?气象雷达的基本使用方法
?绕飞雷雨的相关规定
气象雷达面板
一、757
气象雷达面板
二、767
气象雷达工作方法的简单介绍
?气象雷达可以通过探测降水云层的雷达回波气象雷达可以通过探测降水云层的雷达回波,向向飞行员提供云层(降水)密度的可视显示,并用颜色加以区分
?雷达天线作180度扫描雷达线作度扫描
?气象雷达可以探测紊流
?气象雷达可以提供风切变警告
气象雷达工作方法的简单介绍?气象雷达无法对晴空颠簸进行探测
?气象雷达可以显示地形气象雷达可以显示地形,如海岸线、山脉、城如海岸线山脉城市、高大建筑物等
?不要以气象雷达的地形显示作为防撞依据
?当在有地形影响的机场起飞和降落时,如有不良天气,主飞的选择雷达位,监控的选择地形位。
气象雷达工作方法的简单介绍?颜色显示:降水由强至弱依次为红、黄、绿,颠簸为绛红色。(飞行员对颜色的一般理解应该是:红-不要进入,黄-一般情况可以进入但最好不不要进黄般情况可以进但最好不要进入,绿-可以进入)
?雷达对不同天气产生的回波,由强至弱为:湿雹、雨水、干雹、雪水雪
?由于存在对雷达波的吸收或折射,强降水后部的天气可能无法显示
飞行中气象雷达的基本使用方法
?起飞前
–监听前机绕飞方法
–起飞后要立即转弯的,注意侧方天气(特别是扫描范围受限的飞机)
–天线角度5°或以上
–绕飞方法应在起飞前作出
飞行中气象雷达的基本使用方法
?爬升升–随着高度的增加,应减小天线倾角
–天线的角度应和飞机的轨迹一致
飞行中气象雷达的基本使用方法
?巡航平飞
–天线角度应在0~-1度左右
–以80NM才出现地面回波为宜
–100NM之外的回波无法真实反映天气情况,仅供参考
飞行中气象雷达的基本使用方法
?下降
–下降前,应略微下调点角度,以便判明下降轨迹上的天气
–随高度的降低增加天线俯角
–在进近阶段有可能要将角度调至+2~3度,减少地面回波
飞行中气象雷达的基本使用方法
?GAIN(增益)的调节增?低空时,放在CAL的位置基本可以显示真实的天气情况
?高空时,-3~-4的位置可以较准确的反映天气情况
?AUTO位置会随高度的改变,自动调节增益,随时提供较准确的天气一般不需人工调整增益供较准确的天气,般不需人工调整增益
飞行中气象雷达的基本使用方法
?天线的角度和增益的调节不是一成不变的,需要根据操作者的使用习惯、判断方法和具体的天气情进行随时整情况进行随时调整
?不同飞机的机载雷达也因使用周期、安装等原因存在较大的个体差异
如何计算云顶高度
绕飞的基本方法
?绕飞的方案要在距天气40NM前作出,以便协调绕的方案要在距天气前作出以便协调?一般从上风处绕飞避免因云体的移动而越绕越远?PF一侧选择较小距离圈,便于绕飞;PM一侧选择较大距离圈,便于观测远处天气
?监听前机的绕飞方法,帮助自己作出正确的决定监听前机的绕飞方法帮助自己作出正确的决定
绕飞的基本方法
?特殊航线雷雨天气下的飞行
–飞行准备时要熟悉航线特点
–遇到雷雨天气时要尽早决断
?特殊机场雷雨天气下的飞行
–尽可能的利用机载设备,山区机场绕雷雨结合地型雷达–坚持八该一反对
757PWS 757 PWS
?PWS自动触发条件
–在地面,油门杆置于起飞位
–在空中,飞机低于2300英尺高度
757PWS 757 PWS
?PWS语音语音
–警告
WINDSEAR AHEAD
GO AROUND WINDSEAR AHEAD GO AROUND WINDSEAR AHEAD
–告诫
MONITOR RADAR DISPLAY
注:PWS不能提供所有形态的风切变警戒,机组还须依靠传统风切变避让方法
757
PWS 757 PWS
767
PWS 767 PWS
767
PWS 767 PWS
一般知识
?孤立云体的危险性
?进入消散中雷雨的危险性
?从回波的形状、颜色结合当时的高度判明危险程度
?严禁穿越的回波(钩状、裙边状、U型、指型、雷雨飑线)
一般知识
?资料显示资料显示,在云体外20NM范围内仍有有颠簸和遭在云体外20NM范围内仍有有颠簸和遭受雷击的可能
?云上绕飞可能会遭受强颠簸
?下风处毡状云幡下部可能存在冰雹和颠簸,但不一定有明显的雷达回波定有明显的雷达回波
?南北天气的差异
?相同的回波显示,不同的高度,遭遇不同
法规公司规定法规、公司规定
?《民用航空法》(摘选)
–云中绕飞,距CB不得少于20KM
–云外绕飞,距CB昼间不得少于5KM,夜间不得少于10KM;两个云体之间不少于20KM时,方可从中通过
–只准昼间从云下目视绕飞,与云底的垂直距离不得少于400米;真实高度在平原、丘陵地区不得低于300米,山区不得低于600米距主降水区不得少于10KM山区不得低于600米;距主降水区不得少于10KM。–被迫在云中穿越雷雨区时,避开滚轴云和零度等温线区域飞行真实高度不得低于1000米区域,飞行真实高度不得低于1000米
?机载气象雷达是一个很好的设备,但保证飞行安
全的最终因素还是我们飞行员,只有通过利用飞行员的实践经验,再加上正确的判断,才能发挥出雷达的全部功效
?以上是有关气象雷达的以上是有关气象雷达的一些基本认识,希望能够些基本认识,希望能够借此抛砖引玉;有更多的飞行员能介绍一下更好的经验,帮助大家使用好气象雷达
谢谢大家
范文五:雷达气象
第一章
1. 简述我国天气雷达发展阶段及未来发展方向。 我国天气雷达发展大体上经历了从模拟天气雷达、数字化天气雷达到多普勒天气雷达的三个发展阶段。
未来:双极化、相控阵、多基地雷达
2. 简述雷达气象的研究内容。
(1) 利用天气雷达,进行大气探测和研究雷达波与大气相互作用的学科,它是大气物理学、大气探测和天气学共同研究的一个分支。
(2)主要内容:基础理论、分析应用、探测方法与技术三部分(填空) 。 (问答答法)基础理论方面包括云和降水粒子对雷达波的散射;微波经过大气、云和降水粒子时的衰减;气象条件对雷达波传播的影响,如大气折射、大气不均匀结构的散射等。
分析应用方面包括雷达测量降水和云中的含水量;天气系统(特别是中小尺度系统) 的雷达回波在天气分析预报上的应用,在云和降水物理探测研究上的应用;多普勒雷达和各种波长的新型雷达在风的水平结构和铅直结构、铅直气流速度、降水粒子谱、晴空回波、大气湍流等的探测研究中的应用。
探测方法与技术方面包括各种天气雷达资料的处理和传输等。
4. 何谓雷达工作波长、频率,简述其关系。
波长λ:天气雷达发射高频电磁波的一个周期长度。波长不同,雷达性能不同。
频率f :单位时间内完成振动的次数,即每秒钟内发射出电磁波的次数
关系:f=C/λ,C 为光速
5. 何谓脉冲宽度、脉冲长度,简述其关系。
脉冲宽度τ:发射高频电磁脉冲波的持续时间叫脉冲宽度
脉冲长度h :脉冲波在空间的长度叫脉冲长度。
关系:h=τ c
6. 何谓脉冲重复频率与脉冲重复周期,简述其关系。
脉冲重复频率F :是每秒钟雷达发射脉冲波的次数。
重复周期T :两个相邻脉冲波之间的时间间隔
它们之间互为倒数关系:F=1/T
11. 简述天气雷达的三种基本观测模式。
(1) 圆锥扫描模式
雷达天线在仰角不变,方位进行360° 的连续扫描称为圆锥扫描,也称平面位置显示(PPI)观测。
(2)垂直扫描模式
雷达天线方位角不变,仰角进行0-30° (或更高) 的上下扫描称为垂直扫描,也称为距离高度显示(RHI)观测。
(3)立体扫描模式
选定的多个不同仰角圆锥扫描的集合称为立体扫描(VOL )。立体扫描一般选用大于200千米的距离档,从0° 仰角开始作圆锥扫描,完成一个圆锥扫描后,依次抬升仰角,进行多次圆锥扫描。
第二章
1. 何谓散射?简述雷达电磁波散射的基本特征。
定义: 当电磁波传播遇到空气介质和云、雨、冰雹等质点时,入射电磁波会从这些质点向四面八方传播相同频率电磁波 ,称散射现象。 特性:(1)目标物越多,散射越强;
(2)粒子散射电磁波的能力与粒子大小、形状、 以及它的电学特性有关
(3)散射只改变能量传输方向, 不改变能量形式
(4)雷达波长一定, 散射取决于粒子直径与入射波长之比
2. 何谓Rayleigh 散射? 何谓Mie 散射?
定义:当雷达波长一定后,散射粒子的散射取决于粒子直径与入射波长之比,d<>
3. 解释名词:
(3)雷达截面: 以入射波能流密度Si 乘以σ,得到一个散射粒子的散射总功率,当散射粒子以这个总功率作各向同性散射时, 散射到天线处的电磁波能流密度, 恰好等于该粒子在天线处造成的实际后向散射能流密
度, 则该面积σ就称为实际散射体的后向散射截面。
(4)雷达反射率: 单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和,反映了单位体积内一群云雨滴在天线处造成的回波功率大小。
(5)雷达反射率因子:,只取决于云、雨滴谱情况;与粒子直径的六次方成正比,说明少数大水滴将提供散射回波功率的绝大部分。
4. 简述雷达反射率与雷达反射率因子的关系与差别。
雷达反射率与雷达波长有关,不同波长获得的η不能直接比较,而Z 值只取决于云、雨滴谱的分布情况,可通过云雾物理观测方法获得。
第三章
1. 何谓衰减因子?简述其物理意义。
(1)假设没有考虑大气、云、降水等衰减时的平均回波率为1,则考虑大气、云、降水等衰减时的平均回波率的数值大小称为衰减因子K ,K<>
(2)物理意义:平均回波功率为1时的衰减后平均回波功率。
2. 何谓衰减系数?简述其物理意义并说明与衰减因子的关系。
物理意义:由于衰减作用, 单位接收功率在大气中往返单位距离时所衰减掉的能量。衰减系数的量纲:1/长度
衰减系数与衰减因子的关系:
物理意义:要决定衰减因子K ,先要决定衰减系数k L 。k L 是大气、云、
降水等不同因子造成的总衰减系数。
3. 简述衰减因子的分贝表示法。
4. 简述大气对雷达电磁波衰减的主要特点。
1)气体分子对雷达波的衰减:1. 散射可以忽略 2. <2cm时应考虑吸收以吸收为主, 对2cm="">2cm时应考虑吸收以吸收为主,>
2)吸收以水汽和氧气为主
5. 简述云对雷达电磁波衰减的主要特点。
①由液滴组成的云的衰减随波长增加而迅速减小;
②液态云的衰减还随温度减小而增加;
③对于10cm 波长的雷达波,云的衰减很小,可忽略;
④冰云的衰减要比液态云的衰减小2~3个量级。
6. 简述雨对雷达电磁波衰减的主要特点。
1)单位降水强度的衰减系数K ’值除了与温度有关,还与波长有关;
2)除波长λ=3.2cm外,每一相同波长处不同谱型的K ’值很接近,没有因滴谱形式不同而出现很大差异;
3)雨的衰减系数ktr 一般和降水强度I 近于成正比关系;
4)λ=10cm时,雨的衰减小到可以忽略,但K ’值随波长变小而很快增大,因此毫米波雷达一般不能用来测雨,而只用于测云;
5)由于雨滴谱分布和降水强度经常是随空间变化的,故在雷达波束所经过的路径上每一段的衰减情况往往不相同。
第四章
1. 试推导均匀分布单个目标物的雷达方程。
推导雷达气象方程:
1、先考虑理想情况:天线作各向同性的球面发射
球形天线,各向同性时的理想状态方程
2、引入天线增益
实际使用的雷达非球形,一般为向某一方向发出一定波束宽度的雷达波
3、距离R 处的入射能流密度
雷达波发射到R 处时的雷达信号强度
4、引入雷达截面
雷达波遇到目标物,被目标物反射,反射的截面积对雷达波造
成影响
5、目标物散射回天线的后向散射能流密度
经目标物反射后,雷达波到达R 处时的雷达信号强度
6、考虑天线的面积(有效截面积)
反射回天线,被天线接收,天线接收面积与信号强度
相关
2. 写出充塞系数为1, 满足瑞利散射条件的雷达气象方程简化形式, 并讨论其影响因子。
其中Z 为雷达反射率因子,与气象目标物的粒子大小与数密度(气象目标物的谱分布)有关;C 由雷达参数和目标物散射特性共同决定,雷达出厂时已设定;R 为距离因子;k 为衰减因子。⑴雷达参数:①发射功率P t ;②波长λ(振荡频率f) ;③脉冲宽度τ(脉冲长度h) ;④脉冲重复频
率(PRF);⑤天线增益G ;⑥接收机灵敏度(Pmin ) ⑵气象因子的作用;⑶距
离因子的影响。
3. 简述dB 与dBZ 的区别。
dB 为分贝表示法,用于表示回波功率的大小;dBZ 为反射率因子的
分贝表示法,用于表示雷达回波强度。
4. 何谓有效照射深度? 何谓雷达距离分辨率? 何谓雷达盲区? 试分析它们之间的异同。
有效照射深度:波束中径向散射能量能同时回到天线处的距离,为脉冲长度的一半。
雷达距离分辨率:空间径向方向上两个目标物在雷达荧光屏上造成的回波能够区分开来的最小实际距离。
雷达盲区:离雷达站h/2距离内探测不到回波的区域。
相同点:三者均为脉冲长度的一半,即h/2;
不同点:有效照射深度是指散射能量同时回到天线,雷达盲区是指该区域内探测不到回波,距离分辨率是指在两个目标物在雷达荧光屏上造成的回波能够区分开来的最小实际距离。
5. 何谓最大不模糊距离? 何谓距离折叠? 试解释距离折叠的原因。 最大不模糊距离:发出一个脉冲后到下一个脉冲发出前, 雷达波束能向前传播及遇到目标后能返回雷达的最长距离,即最大探测距离。 距离折叠:当目标位于最大不模糊距离r max 以外时, 雷达却把目标物显
示在r max 以内的某个位置的现象;是雷达对回波目标物位置的一种辨认错
误。
原因:由于雷达现在不能辨认来自脉冲2以外其他所有以前发出脉冲的回波能量,它认为现在接收到的能量是脉冲2的后向散射。雷达认为它所接收到的后向散射能量来自脉冲2在50n mile处所遇到的目标物,而不是脉冲1在300 n mile处所遇到的目标物。
第五章
1. 简述天气雷达扫描原理及图像的PPI 显示方式。
天气雷达扫描原理:新一代天气雷达是在一系列固定仰角上扫描360o进行采样的,即在某一个仰角,雷达天线绕垂直轴进行360o扫描(即PPI 显示方式扫描) ,所采集到的是圆锥面上的资料。在每个仰角上,以雷达为中心,沿着雷达波束向外,径向距离增加的同时距地面的高度也增加。雷达所探测到的任一目标的空间位置(x ,y ,h) 可根据仰角υ、方位角θ、目标距雷达的倾斜距离r 求得。
2. 何谓多普勒效应? 写出S 波段雷达的多普勒频移的计算公式。
定义: 当接收器与能量源处于相对运动状态 时,能量到达接收器时
频率的变化。
对S 波段雷达:
3. 简述CINRAD 雷达的径向速度与实际风的关系,及其在PPI 上的识别原理。
多普勒天气雷达只能探测到沿雷达径向的风矢量,径向速度只是目标物实际运动速度在雷达探测波束方向的一个分量。
识别原理:(1)雷达波束与实际风向的夹角越大,则径向速度值越小;实际风速越小,径向速度也越小;
(2)在 PUP 上,径向速度的大小和正负是通过颜色变化表示的,一般暖色表示正径向速度,冷色表示负径向速度,因此在分析速度图时,应首先查看色标 ;
(3)离开雷达的径向速度为正,流向雷达的径向速度为负
4. 简述均匀风场、冷暖平流、辐散辐合、冷暖平流与辐散辐合配置的PPI 图像特征。
(1)均匀风场:冷色面积等于暖色面积,径向风速线都是直线,而且所有直线均过中心点,收敛于雷达站;
(2)冷平流:零径向速度和其它非零径向线方向成反S 型方向弯曲;
(3)暖平流:零径向速度和其它非零径向线方向成S 型方向弯曲;
(4)辐散:冷色面积少于暖色面积,零径向速度成弓型;
(5)辐合:冷色面积大于暖色面积,零径向速度成反弓型;
(6)暖平流+辐合:暖平流S 型的零速度带在显示中心一侧随距离顺转弯向正速度区程度加剧,而另一侧的零速度带随距离顺转弯向负速度区程度趋缓;
(7)暖平流+辐散:暖平流S 型的零速度带一侧弯向负速度区随距离的增加弯曲程度加剧,而另一侧弯向正速度区随距离的增加弯曲程度趋缓。
5. 何谓最大不模糊速度V max?它与脉冲重复频率PRF 和波长λ的关系是什么?
定义:多普勒雷达能够测量的一个脉冲到下一个脉冲的最大相移的上限是180 °(π)。与180°脉冲对相移所对应的目标物径向速度值称为最大
不模糊速度V max 。
关系:
6. 何谓多普勒雷达的两难问题? 简述多普勒雷达速度模糊与距离模糊之间的关系.
①Rmax 与Vmax 的关系:
②当PRF 增大时:Rmax 减小,Vmax 增大;当PRF 减小时:Rmax 增大,Vmax 减小;没有一个唯一的PRF 能够使它们同时达到最大值. 这就是多普勒两难。
③最大不模糊速度与最大不模糊距离成反比关系,最大不模糊距离需要低PRF ,而最大不模糊速度需要高PRF 。
8. 简述体积扫描模式VCP11、 VCP21的取样方式.
VCP11: 该模式5分钟完成对14个仰角的扫描, 最低两个采用CS/CD模式, 中间5个采用B, 上面7个采用CDX 。
VCP21: 该模式6分钟完成9个仰角扫描, 最低2个采用CS/CD,中间4个采用B, 上面3个 采用CDX 。
第六章
1. 何为多普勒速度零线? 有何意义? 分析零线时的要点是什么?
定义:当实际风速为零或雷达波束与实际风向垂直时,径向速度为零,称为零速度。径向速度相同的点构成等速度线,零等速线即由沿雷达径向速度为零的点构成。
意义:①该点真实风向与该点相对于雷达的径向互相垂直。一般大气总是处于运动状态,通过零速度点,可以大致判断该点附近区域的风向。零速度点的风向应是从该点邻近的负径向速度区垂直吹向正速度区。(只适用于风向均匀或风向连续变化的情况)
②该点真实风速为零,大气运动速度极小或处于静止状态。如锋面等风向不连续面风速很小,往往显示出零速度色标是属于上述零径向速度。由零速度点组成的零速度带(线) 的形状,在风向连续变化的条件下,能估计该带附近区域的风向变化情况。
要点:①零径向速度线是否与向径平行:若零径向速度线与向径平行,则表示风向不随高度增加而变化;反之,若零径向速度线走向不与向径平行,即它是一条曲线,则表示风向随高度增加要变化。
②零线走向有无显著折角:若径向速度线走向有折角,反映了水平流场中有不同方向气流存在, 大气中可能存在锋面、辐合线、槽线等流场系统,则配合正、负中心分布和回波强度分布特征,又可区分属什么天气系统。
③径向速度线走向是否和距离圈平行:若两者平行,这时可能会出现在远离中心(正) 和朝向中心(负) 沿径向排列的情形。风向和径向平行,零线即为辐合线或辐散线。有时零线为闭合曲线,则表征不同高度上存在风向辐合,即存在风的垂直切变。
2. 分析朝向分量(负) 和远离分量(正) 分布特征的要点是什么?
①大片正区和负区是否和原点(测站) 对称,范围是否大致相等:若大片正区和负区与原点对称,范围大致相等,说明不同高度上水平流场的基本气流一致;反之,若大片正区和负区与原点不对称,范围不相等,说明不同高度上水平流场中存在着不同方向气流,甚至有中小尺度系统存在。
②大片正区和负区是否与向径对称:这条规则在分析锋面和切变线位置时很有用。因为在锋面存在时,正、负中心往往与向经对称排列。 ③有无紧密相邻的成对强小尺度正、负中心存在:当有成对沿向径排列的相距较近的(20-50)km强多普勒速度中心或有成对强多普勒速度中心位于某一向径两侧,二个中心间相距很近,这就要分析有强中小尺度天气系统甚至飑线存在的可能。
④有无多普勒径向速度等值线密集带存在:通常在锋面和飑线附近存在径向速度等值线密集带。等值线愈密,锋面和飑线愈强,后者等值线更密。在分析时还要注意密集带走向是否与向径平行、是否与距离圈平行,这在确定锋面、飑线位置时很有用。
3. 如何根据多普勒速度图像分析高低空的冷暖平流?
①风速不变,风向随高度顺转(暖平流);②风速不变,风向随高度逆转(冷平流)。
4. 如何根据多普勒速度图像分析高低空的辐散辐合?
①负速度区面积大于正速度区面积(辐合);②负速度区面积小于正
速度区面积(辐散)。
5. 简述冷暖平流与辐散辐合配置的速度图像特征.
暖平流+辐合:暖平流S 型的零速度带在显示中心一侧随距离顺转弯向正速度区程度加剧,而另一侧的零速度带随距离顺转弯向负速度区程度趋缓。
暖平流+辐散:暖平流S 型的零速度带一侧弯向负速度区随距离的增加弯曲程度加剧,而另一侧弯向正速度区随距离的增加弯曲程度趋缓。 冷平流+辐合:冷平流反S 型的零速度带一侧弯向负速度区随距离的增加弯曲程度减小,而另一侧的零速度带弯向正速度区随距离的增加弯曲程度加大。
冷平流+辐散:冷平流反S 型的零速度带一侧弯向负速度区随距离的增加弯曲程度增大,而另一侧的零速度带弯向正速度区随距离的增加弯曲程度减小
6. 简述γ中尺度(2~20km)系统速度图像特征.
①γ中尺度气旋/反气旋流场径向速度图像:在小区域内,当一对最大入流/出流速度中心距雷达(RDA)是等距离时,则表示在该区域内有γ中尺度的旋转存在;沿雷达径向方向,若最大入流速度中心位于左侧,表示为气旋性旋转(图3.27a) ;若最大入流速度中心位于右侧,则为反气旋性旋转。
②γ中尺度辐合/辐散流场径向速度图像:由于γ中尺度辐合/辐散流场的尺度较小,其源点或汇点和整个流场均在雷达的有效探测范围内。 在包含γ中尺度辐合/辐散流场的小区域内,沿同一雷达径向方向有两个最大径向速度中心,若最大入流中心位于靠近雷达一侧,则该区域为径向辐散区;相反,则为径向辐合区。
③γ中尺度气旋式辐合/辐散流场:当一对最大入流/出流中心距RDA 不是等距离而且也不在同一个雷达径向时,若最大出流中心更靠近RDA 并且最大入流中心位于雷达径向左侧时,表示小区域内的流场为气旋式辐合;相反,若最大入流中心更靠近RDA 并且位于雷达径向左侧时,表示小区域内的流场为气旋式辐散。
④γ中尺度反气旋式辐合/辐散流场:与上述情况类似,还可以有反气旋式辐合和反气旋式辐散。
第七章
4. 简述超级单体风暴回波特征。
1)最强的雷达回波出现在有界弱回波区的左侧,包括冰雹在内的强降水就发生在靠近有界弱回波区的一侧。
2)在低层,有界弱回波区的右侧经常可以观测到一个钩状的附属物,即钩状回波,它是超级单体的一个特征性回波。
3)在主要的回波强中心的下游,有一个伸展达60-150公里甚至更远的砧状回波,以及一长达100-300公里的可见砧状云区。
5. 简述冰雹云的雷达回波特征。
(1)冰雹云的雷达回波强度特别强, 一般在50dBZ ;
(2)回波顶高度高;
(3)上升气流(下沉气流) 特别强;
(4)PPI上冰雹云回波的形态特征:
①“V ”型缺口
②钩状回波
③辉斑回波(TBSS三体散射长钉);
(5)RHI上冰雹云的回波特征:
①超级单体风暴中的穹窿(弱回波区) 、回波墙和悬挂回波
②冰雹云的强回波中心的高度远比普通雷暴的强回波中心高 ③旁瓣回波
④辉斑回波(TBSS 三体散射长钉)。
6. 简述TBSS 回波特征。
主要特征:三体散射长钉(TBSS)虚假回波位于从强反射风暴核沿着雷达径向向外一定距离,通常具有较低的反射率因子值(一般小于20dBZ )。TBSS 的长度取决于显示域值。当显示域值为5dBZ 时,TBSS 长度通常小于15公里。
1) 产生S (10cm )波段雷达三体散射的最小反射率因子在60dBZ 左右;
2)TBSS 长度与反射率因子核最大强度和强反射率因子核心区的面积大小成密切的正相关,即反射率因子核心强度越大,高反射率因子的区域越大,三体散射长钉TBSS 的长度就越长;TBSS 出现的最大高度为13km ,最低高度是1km ;60.3%的TBSS 出现在3-6 km高度之间,TBSS 在4-5 km
高度出现次数最多,然后向上、向下减少;TBSS 长度≥10km 的出现次数同样以4-5km 高度最多,然后向上、向下迅速减少;
3)TBSS 主要在雹暴位于雷达的西半边时出现;
4)TBSS 的持续时间几乎都超过30分钟. 其中持续时间在30-60分钟的情况居多. 在出现TBSS 时,几乎所有雹暴都降了2cm 以上的强冰雹;
5) 在湖南北部的统计表明,80%左右的产生2cm 以上直径冰雹的强雹暴都产生了三体散射. 再考虑到TBSS 的持续时间多数在30-60分钟之间,因此TBSS 可以作为强冰雹的有效预警指标,可以有效降低强冰雹预警的虚警率;
6) 在产生三体散射的23个强雹暴中,有一半以上是超级单体和准超级单体风暴,雹暴中的涡旋有利于大冰雹的形成。
8时,75%的保证率是阵雨,20%是连续性的降水,5%是雷暴;y>0.13;单个球形粒子的散射—米散射当d?λ的大球形质点的散射,称为米散射。a>