1、分类号：P412.25 U D C：D10621-408-(2008)0617-0密 级：公 开 编 号：2004022250成 都 信 息 工 程 学 院学 位 论 文天气雷达性能对比分析论文作者姓名： 蒋琪斌申请学位专业： 电子信息工程申请学位类别： 工学学士指 导 教 师 姓 名 （职 称 ）： 刘琥（工程师）论文提交日期： 2008 年 06 月 15 日天气雷达性能对比分析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
2、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：雷达性能对比；常规；多普勒；双偏振；Comparative Analysis of Weather Radar Performance AbstractIn the period of detecting the ether, the weather radar, with i
3、ts 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,
4、 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 radars repair and maintenance in the future, through introducing the conventional weather radar (711 Weather Radar), Doppler radar (CINRAD / SA) and dual-pol
5、arization 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 录论文总页数：25 页1.引言 .12 711 雷达概述 .12.1 711 测雨雷达的基本工作原理 .12.
6、1.1 目标距离的测定 .12.1.2 目标方位的测定 .22.1.3 目标高度的测定 .22.2 711 雷达的组成及工作过程概述 .22.3 711 雷达的主要性能 .33 新一代多普勒天气雷达介绍 .53.1 新一代天气雷达简介 .53.2 CINRAD/SA 天气雷达系统工作原理 .63.2.1 雷达数据采集 RDA .63.2.2 产品生成 RPG .73.2.3 产品显示 PUP .73.3 多普勒雷达的优越性 .74 双偏振雷达（WSR-98D/XD）概述 .84.1 工作原理 .84.2 WSR-98D/XD 天气雷达的特点 .94.3 主要技术指标（如表 3.1 所示） .1
7、05 天气雷达对降水的测量方法 .105.1 探测原理 .105.2 雷达气象方程 .115.3 WSR-98D/XD 雷达探测能力估算相关因子 .116 新一代天气雷达（CINRAD/SA）与常规天气雷达（711）的对比分析 .126.1 新一代天气雷达与常规天气雷达主要技术指 标对比分析 .126.2 新一代天气雷达与常规天气雷达技术体制的主要差异 .146.2.1 发射、接收体制的差异 .146.2.2 信号处理的差异 .146.3 性能特点对比分析 .146.4 丰富的应用产品 .157 新一代天气雷达（CINRAD/S A）与双偏振雷达（WSR-98D/XD）的性能对比 .157.1
8、 天线、馈线和伺服系统 .167.1.1 CINRAD/SA.167.1.2 WSR-98D/XD.167.2 发射机 .177.2.1 CINRAD/SA.177.3 接收机 .197.3.1 CINRAD/SA.197.3.2 WSR-98D/XD.207.4 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.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
9、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
10、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。2 711
11、 雷达概述2.1 711 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。2.1.1 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
12、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=ct/2积雨云层D H图 1.1 目标的位置2.1.2 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
13、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。2.1.3 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=Dsin 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=Dsin 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=Dsin+ D/170002.2 711 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
14、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
15、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2.3 711 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
16、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
17、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 937030MHz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 =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，
18、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 2500s。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
19、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 1s。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
20、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 新一代多普勒天气雷达介绍3.1 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。
