1、天气雷达的基本工作原理2002-7-12 12:42:11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
2、表示。1.2 天气雷达的主要设备和技术参数1.2.1 触发信号发生器触发信号发生器(控制钟)是整个雷达的控制系统,它周期性地产生一个脉冲式的触发信号,触发脉冲输送到调制解调器和显示器,指挥它们开始工作。每秒种产生的触发脉冲数目，称为脉冲重复频率,以 PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表示。两个相邻脉冲之间的时间间隔，称为脉冲重复周期，用表示，它等于脉冲重复频率的倒数。实际工作中，可用公式计算脉冲重复周期的数值。 1.2.2 调制解调器在触发脉冲的触发作用下，调制解调器产生调制脉冲。调制脉冲具有两个特性：（）具有固定的脉冲宽度（也称为脉冲持续时间），以微秒为单位，也
3、可以以脉冲的空间距离 h 表示，脉冲宽度直接影响探测距离和距离分辨能力即雷达盲区大小。探测近目标采用窄的脉冲宽度，在探测远目标时，为了增大回波信号的强度采用宽的脉冲宽度。天气雷达的脉冲宽度一般取 0.1-4 微秒 ，随各种雷达探测目的不同而异。（）调制脉冲提供一个合适的视频波形具有足够的幅度，以便使下一级电路发射机正常工作1.2.3 发射机在调制脉冲的作用下，发射机产生短促又强大的特高频振荡，经天线向空间发射出去，即探测脉冲。发射机的主要技术参数有波长（或振荡频率）和脉冲发射功率。（）波长 天气雷达通常使用的波长是厘米波，划分为 K、X、C 和 S 四个波段，K 波段的雷达是用来探测非降水的云
4、，X、C 和 S 波段用于探测降水。（）脉冲发射功率 是指天线实际发射的峰值功率，如果忽略了波导管和天线的损耗，则脉冲发射功率将近似地等于发射机输出峰值功率。1.2.4 天线转换开关 、波导管天线转换开关是将天线、发射机和接收机连接起来的一种装置。当天线和发射机接通时，发射机输出的特高频振荡脉冲电磁波顺利地到达天线，在这个时间内天线与接收机切断连通，电磁波不能进入接收机。在探测脉冲发射的间歇期，转换开关接通接收机，使天线接收到的回波信号能全部进入接收机。波导管是一种空心矩形金属管状导体，其内径大小随所携带信号的波长而异，脉冲信号经它传送到天线其损耗极小。1.2.5 天线(1)波束的宽度 天气雷
5、达的天线具有很强的方向性,它所辐射的功率集中在波束所指的方向上，从波束剖面图可以看出，波束主轴附近能流密度大，波束的边缘能流密度小，能流密度的相对分布曲线，称为天线方向图,曲线上各点与坐标原点的连线长度，代表该方向相对能流密度大小。图中能流密度最大方向上的波瓣称为主波瓣，侧面和相反方向能流密度均小得多，分别称为旁瓣和尾瓣。在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角，称为波束宽度。波束宽度越小，定向角度的分辨率越高，探测精度越高。天气雷达的波束宽度通常不超过 2 度，多普勒雷达的波束宽度一般不超过 1 度。波束宽度的大小取决于抛物面反射体的直径和雷达工作波长。（）天线增益 在相同辐射功率条件下，在波
6、束方向上定向天线的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比，称为天线增益，以 G 表示，天线增益与天线波束宽度具有一定的关系。天线增益以分贝（dB）表示：分贝（dB）=10log（定向天线的能流密度）/（各向均匀辐散天线的能流密度）。1.2.6 接收机和显示器1.接收机:接收来自目标物的回波信号，经过放大后送往显示器进行显示。回波信号常常非常微弱，接收机必须具有接收微弱信号的能力，这种能力称为灵敏度。灵敏度用最小可辨功率表示。它是回波信号刚刚能从噪声信号中分辨出来时的回波功率。2.显示器：（）平面位置显示器（简称平显或）是天气雷达中最常用的一种显示器。在这种显示器上，电子束一方面以脉冲重复频
7、率自屏幕的中心向外作等速的径向扫描；另一方面通过天线传动装置，使径向扫描为同步地随天线绕垂直轴旋转，当有回波信号进入时，在相应的距离和方位上扫描线增亮，从而显示出回波，其亮度取决于回波信号的强度，近代采用了视频积分处理器，将回波信号按不同的强度用不同的灰度或彩色显示出来。当雷达天线扫描一周时，屏幕上显示出测站周围目标的分布和回波强度。（）距离高度显示器（简称高显或） 也是天气雷达中最常用的一种显示器，用来显示垂直剖面，纵坐标是高度，横坐标为水平距离，高度坐标放大，所显示的回波在垂直方向被拉长了。1.3 多普勒天气雷达探测原理概述1.3.1 多普勒天气雷达概述天气雷达可以探测云和降水回波的位置及
8、强度等，多普勒天气雷达除了具备探测云和降水回波的位置及强度功能外，它以多普勒效应为基础，通过测定接收回波信号与发射探测脉冲信号频率之间出现的频率差异，可以测定散射体相对于雷达的径向速度，从而确定大气风场、气流垂直速度的分布及湍流等。它对降水成因、中小尺度天气系统及强对流造成的灾害性天气的监测与研究具有重要意义，是发布严重灾害性天气警报和临近预报的重要探测工具。新一代天气雷达是采用多普勒体制，它的发展是建立在无线电技术，信息处理技术和计算机技术基础上的，所以新一代天气雷达亦称多普勒天气雷达。1.3.2 多普勒雷达探测原理（）多普勒效应 多普勒效应是指发射源和接收器之间有相对的径向运动时，虽然发射
9、源所发射的信号频率固定不变，但接受器所收到的信号频率相对于发射源的频率却发生了变化。（）多普勒频率 目标物相对于雷达作径向运动引起回波信号的频率变化，称为多普勒频移，亦称为多普勒频率。（）多普勒频率与目标物相对于雷达的径向速度的关系：设目标物距雷达的距离为，探测脉冲从雷达天线发射到目标物并返回天线往返的距离为。距离若以波长来度量，相当于 2 倍距离除以波长得到波长的个数，当以弧度度量时，则相当于波长个数乘以 2 倍圆周率的弧度。若探测脉冲在天线处发射时具有一定的初相位，而回波信号返回天线时的位相及在很短时间内位相随时间的变化，假设以均匀的速度沿径向运动，就可以求得相对于雷达运动所产生的频率差。
10、目标径向速度引起的回波信号的频率变化，它是叠加在雷达波的频率上，回波信号的频率随目标物径向速度的变化而发生相应的改变。计算得到的多普勒频率与径向速度及波长之间的关系.（）多普勒频率的测定 对于气象目标而言，多普勒频率 Fd 是在声频范围，比天气雷达（厘米波）的工作频率小多个数量级。多普勒频率的测定是通过比较发射探测脉冲波的基准信号位相与回波信号的位相之差值而得到的。但实际上，每次发射的脉冲波的初位相是随机的。一个随机变化的初位相无法和回波信号包含有延迟分量的位相进行比较，也就无法获得多普勒频率。因此，相干振荡器便成为解决这个问题的关键电路，相干振荡器的作用就是从发射脉冲波信号中取出基准信号，而
11、且它在每一个重复周期内均和发射信号具有相同的初位相，利用这个初位相作基准，与回波信号位相比较，得出这两个信号的相位差。所以，多普勒天气雷达是一种相干雷达，而普通的天气雷达属于非相干雷达。1.3.3 最大不模糊距离和最大不模糊速度（1）最大不模糊距离目标物距雷达天线的距离，是从探测脉冲发射开始计时，直至雷达收到返回信号时的时间差乘以电磁波传播速度并除以 2。这里实际上包含着一个假设，即所收到的回波信号是从刚发射出去的脉冲返回的，然而实际上不一定对。若在比较遥远处有一个目标物，它的回波只在下一个脉冲发射之后才能回到雷达天线并被接收，这就形成了第二个回波区，因一个回波信号不能被确定为是属于哪一个特定
12、脉冲的，从而产生了距离模糊，左侧(4)式表明，对一部雷达而言，波长固定不变时，提高最大不模糊速度就必然缩小最大不模糊距离，反之亦然。左图上从西到东四块雷暴的距离模糊情况，点阴区为回波，其中带敝的数字是被折叠的第二回波区，中心的影线区表示地物回波。（2）最大不模糊速度多普勒雷达所能测定的多普勒频率和径向速度都有一定限制。最大可测径向速度称为最大不模糊速度。当雷达天线以固定的仰角旋转时，随方位角变化的多普勒速度显示，正弦曲线代表了每小时海里西风的真实的多普勒速度测量值，实线表示在海里小时最大不模糊范围内测得的多普勒速度值。最大不模糊范围称为奈科斯特（Nyquist）间隔，PRF 的二分之一为称 N
13、yquist 频率。1.4 多普勒天气雷达主要设备和技术参数选择1.4.1 概述下一代天气雷达是以脉冲多普勒天气雷达为主体，通过通讯网络与资料处理终端联接，形成一个完整的设备系统，其中划分为雷达收发、信号处理和计算机终端三个分系统。信号处理分系统，由地物杂波抑制器、数字视频积分处理器DVIP(Digital Video Integrator and Processor)、脉冲对处理器PPP (Pulse Pair Processor) 和数据通讯接口等几部分组成。计算机终端分系统，由通讯接口、资料在线纪录和反演计算机和外围设备，以及显示终端等单元组成。下面将简单介绍雷达收发分系统。1.4.2
14、雷达收发分系统的简单介绍(1)雷达收发分系统目前脉冲多普勒雷达在结构体制上有两种形式：一是振荡型脉冲多普勒雷达，二是放大式天气多普勒雷达。(2)雷达收发分系统的参数选择：雷达工作波长（频率）的选择 常规天气雷达工作波长的选择，主要考虑降水对电磁波的衰减作用，兼顾成本核算，不同地区选择不同波长的天气雷达。例如在经常出现暴雨和强降水的地区常选波段的天气雷达。对多普勒天气雷达工作波长的选择，除了要考虑降水对电磁波的衰减作用而外，还须考虑测速模糊、测距模糊与工作波长之间的关系。从最大不模糊速度和最大不模糊距离的关系式可知若要测速范围足够大，又要有较大的测距范围，只有选择波段。但是工作波长长，设备大，成
15、本高，技术难度也大，要求发射频率的稳定度要高得多。若采用波段，波长短，发射脉冲频率高则容易满足频率稳定性要求，造价低。因此，若要求的探测距离不很远时，常采用较短波长的天气多普勒雷达工作频率。B：雷达频率的稳定性 由于降水目标物运动速度很小，这就要求天气多普勒雷达的频率稳定性能非常好，否则不能测量很小的运动速度。从表 3 可以看出若选用10.7cm 的天气多普勒雷达时，若要求测速的分辨率为 0.1m/s，则雷达发射频率变化不能超过 1.9 赫兹。雷达发射波长短，频率高，在技术上容易实现频率的稳定性。不同径向速度造成的多普勒频移.C：天线波束宽度（半功率波束宽度）：波束宽度越小，天线发射的电磁波能量在空间上的分布越集中，定向性能越好，即角分辨力高。对天气多普勒雷达而言，要求天线波束宽度还要窄一些，因为波束宽不仅使雷达的回波强度测量的角分辨率降低，而且使平均径向速度和速度谱宽测量的分辨率降低，从而对气流计算造成很大误差，也无法分辨那些要素梯度大的中小尺度对流系统及其产生的灾害性天气。一般天线波束宽度为 1 度左右。天气多普勒雷达对天线旁瓣电平的要求也很高，旁瓣不仅对回波强度、平均速度测量造成很大误差，对谱宽测量的误差更大，通常希望旁瓣电平低于25 dB 以下。
