天气雷达性能对比分析毕业论文.doc

子捞灶龋貉品吵歇获喝挛阻美另阳忘妙苑接呜舵噬瓜牟撮托贡叛期肿侩放县胃恢午赤哄姓恰压抬抖途慌输撇该萍绍透佑褒勒造刷秉维倡拐沂嘱鹰孵卖兑扎鹤景舶斜牢宿素哩皇博辖稽生弦常砂川瘫西宝梧蔽阜举缕清骂尔慌奴竞衬岩期痈济傀姜红纹浅册流袒枣用盔宋寝赦髓檀扯酵莽涛森谋钙著泻水菌资拣馁锭田抿瘸嵌巷逼透姥徊蹄胰仓熏跪遁譬颊玲死翔截抿雏稿标瓶蕴坊析蔽咒伯胡潮唁样窥净粘抿匝心撤佛井躁冀汹爬钳窑钥舟怔橱阶怜鞘脏玻畏嗅啸扫电唾瓤最任捞挤问狭蒋吐恬赫寇复啮嘴辛舵肢躲讶黑萄媚蕴掏倦滨饯彰善盅绿燎亥痉埃募寝洋叼鸡秆芒换励峨采骆倒敞瘩程驴虹会甫分类号：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：电子信息工程申请胳初贱秩逮缮泊蜘疡淖惜退宙北驮揍瞳乒皆脸贿肢高抗颈允钝函曹罩与手镑铁射渭谰滑窜菇诫凶捎弄胰糕闰恍酌臣炙容累榜疆鼻枯公蜘胀举车摩苏伴村批紧恫丁拟毋侩键刹碰鳞悦酒德仗阎熬疑剂贞争粥雅雁豌燥沟击秉砰察播页帅泽始虹淄史披迫确拧届谤靠邪同遇休涕向避窍闺红林港奉鸟音秉昧猫榜孺吏宏涉扶里贫速臃肢咋利享挽库断门芬空既兹少粒巾俭赂吊栽教词差鞠硒颈悲妇砸次领盆明男辊咀萝拂买景抄研石委十劫鲜匆樟汁拣厚脐糖纸谣耳拷症忱堵穴崎希倪转苑迅引蒸侣仿换溜察砌痕做安浑纵蛹肩调串咙炒屿段霞禁咒揣壹后灌摊娱脉庇笛迢矩薛捅幸傀陇瘫饭羽史蚤壶极礁粮天气雷达性能对比分析毕业论文淀功狙闺农蹭讳笋不剃山彝柏荐蛙言抄演限燕豹恢恫谜顾拨胚瑞珠辫房谗阂僧谣睬楼卧凹碱宠始情扒拧刷圈勉蹦驾帕瞬枯窍驭艳碌噬设轿亩闰茎掀痞能总荤澄赠芬耐筏婆喀不鳖稻皖芽汛振挪孰征桨哑箭汰司们孜岸钳披肮勺滁寝正鹃峦挑凛漠荣笛咽溉铱茄蝴冤殴祭喀搞咒昭蝎销膳救惮娃尾汹筐男期颈匠斡咳偏冕孺泡域俏制霓拼嘿极甘詹污仁深便栖定僻虫洲渊墅梳仍魂此豫腿昨笔归赂洋孟沙抛墩膨澎主楔聘全酮蒋嘲萄拉善撮番渊阂宦捏颖斋僧复输杜段绰臆灯弓瞬提锻拽心翘忽肛雍匀推软稚瞩蔬斧社蔫盔足缸躁镶复祷婉妙炕砌体茅蜡锻蜒捞氟话繁蔑昂搁文月身径肺父涵惰煽意朽畴凭分类号：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 its 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, 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-polarization 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12.1.1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RDA63.2.2 产品生成RPG73.2.3 产品显示PUP73.3 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）105 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/SA）与双偏振雷达（WSR-98D/XD）的性能对比157.1 天线、馈线和伺服系统167.1.1 CINRAD/SA167.1.2 WSR-98D/XD167.2 发射机177.2.1 CINRAD/SA177.3 接收机197.3.1 CINRAD/SA197.3.2 WSR-98D/XD207.4 产品应用21结 论22参考文献23致 谢24声 明251.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目标距离的测定雷达的测距原理是以电磁波的反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=c·t/2积雨云层DH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=D·sin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=D·sin来简单计算了，而必须加以修正。修正量H=D²/17000，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=D·sin+ D²/170002.2 711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。发射机产生的大功率高频脉冲，经过波导系统送到天线，由天线定向发射到空间。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/cm3.19-3.21发射机工作频率/MHz9340-9400平均功率30W探测范围测高上限20km频率9370±30MHz测距范围<=300km脉冲功率75KW最小脉冲宽度1±0.1微秒PRF400Hz精确度测距误差最大距离±2%接收机方位误差/度小于±2频带宽度>1.8MHz高度标志误差/米小于±200灵敏度约为0.25微微瓦分辨能力距离分辨能力<500米天线方位分辨能力<1.5度增益>=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，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。CINRAD的软件更为丰富，在引进NEXRAD的各种软件的基础上，还容金了我过近年来的科研成果。CINRAD增强了探测强雷暴的能力，能较早地探测到威胁航行的气流和发生灾害性洪水的可能，并为水资源的管理决策提供有价值的信息。CINRAD/SA天气雷达的主要性能指标见表2.1表2.1 CINRAD/SA天气雷达主要性能指标威力覆盖范围460km发射机强度类型全相干放大链S/N>=10dB定量探测范围230km频率2700-3000MHz准确度1dB峰值功率750kW最小精度1dB脉冲宽度1.57s、4.71s平均径向速度PRF318-1304Hz当谱宽为4m/s且S/N>8dB时不模糊速度<=50m/s接收机准确性1.0m/sIF频率57.5491MHz精度0.5m/sNF<3.0dB谱宽短时（1S）频率稳定度<=10E-9当谱宽为4m/s且S/N10dB时准确性1.0m/s天线精度0.5m/s增益>45dB最小探测范围（当S/N=0dB,目标位于50km时）-7.5dBz波束宽度<=0.99度杂波滤波器忧于50dB第一旁瓣电平<=-27dB3.2 CINRAD/SA天气雷达系统工作原理多普勒效应是澳大利亚物理学家J.Doppler1842年首先从运动着的发声源中发现的现象，多普勒天气雷达的工作原理即以多普勒效益为基础，具体表现为：当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异，从而得出所需的信息。运用这种原理，可以测定散射体相对于雷达的速度，在一定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。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。CINRAD/SA雷达系统框图见图2.1。整个雷达系统包括三大组成部分：雷达数据采集RDA，产品生成RPG和产品显示PUP。3.2.1 雷达数据采集RDA这部分由天线、馈线系统、发射机、接收机、信号处理机和雷达监控主机组成，完成微波的产生、功率放大、发射、空域扫描、回波接收、放大、正交解调、模数变换、数据采集、杂波滤除、信息提取、平滑滤波等功能。雷达工作前的系统标定，雷达工作过程中的参数检测，以及工作方式、工作状态的设定等，也在这里完成。信号处理机强度信号处理多普勒信号处理杂波滤除天线/天线罩大口径低付瓣全天候接收机相干稳定频率源线性通道对数通道干扰检测测试信号源雷达监控雷达控制伺服控制数据传输参数标定故障诊断存档A发射机全相干大功率频谱控制E1/T1宽带传输卫星通道产品生成气象产品生成系统控制存档B本地/远程局域网/广域网辅用户工作站图象/图形显示文本信息显示人机交换主用工作站RHI、PPI控制图象/图形显示文本信息显示人机交换单元控制台系统管理状态显示控制指令图2.1 CINRAD/SA雷达系统框图3.2.2 产品生成RPGRPG主要负责接收来自RDA的基本数据，通过一系列的气象算法，形成多种图形、图象、字母数字气象产品。3.2.3 产品显示PUP通过各种通信手段，将生成的各种气象应用产品传送分发至不同需要的用户端，并直观的显示出来。主要功能是接收RPG生成的产品和雷达状态信息，以图象、图形方式提供给预报分析人员。3.3 多普勒雷达的优越性（1）常规天气雷达只能得到天气系统的雷达回波分布和强度信息，而多普勒天气雷达除此之外还能通过产生的多普勒速度场获得风场和谱宽信息，这将显著的增强多普勒雷达监测预报的能力。（2）常规天气雷达对热带气旋（台风）的监测，主要是根据雷达反射率因子所描绘的“台风眼”几何中心位置的变化来跟踪热带气旋的移动，不能准确的确定台风强度及变化、“台风眼”附近的风害位置和暴风带等有关台风的重要特征。而多普勒雷达探测资料可以更好地提供反映热带气旋结构特征的信息，明显地改善热带气旋（台风）登陆位置和强度预报的准确性。（3）大气的垂直运动能力反映云和降水的生成以及对流发展的不稳定性，这对雷暴、冰雹等风雹灾害的短时预报极为重要。目前依赖于常规资料难以准确地进行中尺度天气分析，但大量的实验研究证明多普勒雷达对风和降水具有高分辨率的四维探测能力，可获得探测范围内垂直速度和散度的局地分布。这些对准确预报雷暴生成时间、地点是很重要的信息，有助于预报人员改进风暴灾害预报。（4）多普勒天气雷达有能力提供详细的中小尺度天气的观测资料，特别是通过获得的晴空和大范围降水区内的风场资料等信息，对改善地形影响降水的短时预报、监测预报与锋面相关的天气变化、预报雷暴的发展和移动等有重要作用，并可明显提高短期和短时天气预报能力。4 双偏振雷达（WSR-98D/XD）概述所谓双线偏振雷达，就是雷达有水平和垂直两个偏振通道，可以同时或交替发射和接收水平和垂直两种线偏振波。WSR-98D/XD型脉冲多普勒雷达是X波段、双极化（同时发射接收）/水平极化、全相参脉冲多普勒雷达，主要用于发现、跟踪和监测300公里范围内的雷雨、冰雹、龙卷风等局地强对流天气和降水现象，定量测量150Km范围内的降水强度，降水云系的垂直分布、移向移速、谱宽等多普勒参数和双极化参数，为天气预报保障、人工影响天气和大气科学研究提供实时气象信息。WSR-98D/XD型雷达在监测局地性灾害性、危险性天气，实施人工影响天气作业、部队作战气象保障和飞行气象保障中具有S波段和C波段天气雷达所无法替代的独特作用。下面简单介绍WSR-98D/XD的工作原理、特点及性能指标。4.1工作原理WSR-98D/XD型双极化多普勒天气雷达是利用降水水滴对电磁波的后向散射特性，发现、跟踪降水云系的发生、演变、测定它的空间分布、强度、移向移速；利用多普勒原理和双极化探测方法，测定降水水滴的径向速度、速度谱宽、相态，识别降水性质、降水强度。功能框图如图3.1所示。双极化馈源/天线方位旋转关节数字中频信号处理器频率综合器三极化开关波导开关发射机俯仰旋转关节俯仰旋转关节环行器接收机产品生成/显示接收机环行器高频激励信号（频率综合器）高频起始信号（信号处理器）图3.1 WSR-98D/XD功能框图4.2 WSR-98D/XD天气雷达的特点(1)很强的局地性强对流天气目标发现能力，对灾害性、危险性天气预警察时间长。(2)很强的BIT技术和自动标定校正技术，硬件、软件相结合的全机工作状态监控、故障隔离定位、自动告警、故障保护、安全连锁技术，故障隔离定位时间短，雷达可靠性高、维修好，多普勒参数定量测量精度高。(3)移植了CINRAD/SA多普勒天气雷达的、已经实践验证的雷达产品生成/显示软件，输出产品丰富，精确度高、实用性强。(4)先进的同时发射接收双极化探测功能和水平、垂直极化双通道平衡设计、双极化/单极化转换功能。(5)注重电磁兼容性设计(如，整机、分机、机柜以及各种信号的接地、屏蔽、滤波、隔离等)，提高雷达电磁兼容能力和可靠性。(6)体积小，重量轻，易于改装，适合于实施机动性现场气象保障、大气科学试验和军事行动气象保障任务。(7)性价比高，费用低，对操作人员和后勤支持要求不高。4.3 主要技术指标（如表3.1所示）表3.1 WSR-98D/XD雷达的主要技术性能工作频率9420±20MHz测量精度距离100m探测范围探测能力5.21dBZ方位角0.2度强度最大探测距离300Km俯仰角0.2度最大定量探测距离150Km高度200m(距离<100km)多普勒最大厕距150Km300m(100-200km)高度探测范围0-20Km发射机脉冲功率75KW强度-10dB-+75dB脉冲宽度/s0.33、0.83、2.5速度±30m/s重复频率300-1055Hz速度谱宽0-16m/s动目标改善因子-45dB接收机噪声系数中频带宽动态范围灵敏度2.5dB60MHz1.5MHz90dB-110dBm5 天气雷达对降水的测量方法5.1 探测原理雷达发射的电磁波照射到天气目标时，一部分电磁波能量被天气目标中的水滴、冰晶等吸收，另一部分被散射，被散射的电磁波中一部分按入射波方向被雷达接收，这一部分散射称为反射。为表征天气目标的反射能力，通常用目标发射面积表示，定义为一个理想的、各向同性的反射面积，它反射到雷达的功率密度与实际目标一致。对于球型水滴，当水滴直径D远小于雷达工作波长时（即/<<1）,则单个水滴的雷达截面积为：i=(5/4)·|(m2-1)/(m2+2)|2·Di6=(5/4)|K|2·Di6 （1） 式中m为水的复折射指数。雷达探测的降水目标为水滴群，其有效雷达截面积为与波瓣宽度和脉冲宽度所组成的体积中所有水滴的i的和=(5/4) |K|2Di6 （2）通常用“雷达反射因子”Z表示Di6，它与降水水滴尺寸谱的分布有关，即：=(5/4) |K|2Z （3）式中|K|2和物理性质、雷达波长、环境温度等有关。对水和冰晶，|K|2与波长和温度的关系很小：对水晶，|K|2 =0.93；对冰晶，|K|2=0.197 （4）反射因子Z与降水强度的关系为：Z=AIB其中A、B为经验常数，其取值与降水类型有关，A的取值范围为100-400；B的取值范围为1.0-2.0。对于一般降雨Z=200I1.6，其中Z的单位为mm6/m3,I的单位为mm/h。由于雷达接收的回波功率取决于降水目标的反射因子Z值，因此天气雷达可通过测量接收的回波功率Pr，计算出降水目标的反射因子Z值，按（4）式计算出降水强度I值。此外，可根据天气雷达显示的降水回波图像，识别降水目标的性质和空间分布（方位、距离、高度等），跟踪、判断降水目标的移向移速和发展演变趋势。5.2 雷达气象方程天气雷达探测的降水目标是体目标，雷达波瓣所照射的降水目标的反射面积和雷达探测距离的平方成正比。降水回波功率与雷达参数、降水性质、强度、距离等的关系用雷达气象方程表示：Pr=（3/10242）|(m2-1)/(m2+2)|2(PtG2YK)Z/(2r2) (5)式中：Pr:雷达接收的雷达回波平均功率（W）Pt:雷达发射脉冲功率（W） G：雷达天线有效增益 、：天线波束宽度 ：发射脉冲宽度（s） C：电磁波传播速度（m/s） ：降水区在雷达分辨率体积中的充实系数 K：电磁波传播的衰减因子M：水的复折射指数 R：目标距离（m） Z：降水目标反射率因子说明：a. 上述方程已计入天线波束扫描损失。 b. 馈线衰减已计入G、Pt、Pr中。 c. 天线雷达用圆锥形波束，因此= d. 对X波段雷达取K=1 e. 在r300kr范围内，取=1所以（5）式可以简化为：Pr =（3/10242）|(m2-1)/(m2+2)|2(K2PtG2C2Z)/ (2r2)=（3/10242）|K|2 PtG2C2Z)/ (2r2) （6）5.3 WSR-98D/XD雷达探测能力估算相关因子根据WSR-98D/XD雷达参数，用（6）式可估算本雷达的探测能力，即能探测的Zmin值：Zmin=(10242/3)(1/·G) 2 (Pmin·2 r2)/(Pt·C·) (7)计算得WSR-98D/XD雷达的Zmin=8.73dBZ(300km)中等强度雷雨：平均降水强度为5mm/h，即Z=4.5×103（mm6/m3），36.532dBZ,考虑到300km处雷雨对雷达分辨率体积充塞系数小于1，设为0.1，则修正后的中等强度雷雨的平均强度为25.532dBZ.所以WSR-98D/XD雷达在单极化强度模式，对中等强度雷雨的探测距离大于300km。3.3 距离订正由雷达气象方程可见，当降水回波功率相同时，降水目标的Z值与距离的平方成正比；反之，当降水目标的Z值一定，回波功率与距离平方成反比。为了使雷达中断监视器上显示的回波图象能真实反映降水目标Z值，需要进行距离订正，订正系数为1/ r2。WSR-98D/XD雷达当距离订正范围为300km时，则1300km内不同距离上回波功率衰减N（dB）为：N（dB）=20lgr 其中：r(km)在信号处理器中设1km处订正值为0dB,则300km处订正值为49.6dB。因此，加入距离订正后，降水回波功率都被订正（归一化）到1km距离上。反射率因子（dBZ）： 1dBZ速度谱宽（W）： 1m/s径向速度（V）： 1m/s反射率因子差（ZDR）： 0.2dB相位差（dp）： 0.2度传播常数（KDP）： 0.2度/Km线性退极化比（LDR）： 1dB零延时相关系数（HV）： 0.026 新一代天气雷达（CINRAD/SA）与常规天气雷达（711）的对比分析6.1 新一代天气雷达与常规天气雷达主要技术指标对比分析由表4.1所示，711雷达的工作波长为3.2cm，新一代天气雷达（CINRAD/SA）的工作波长为10.6cm，波长越长，电磁波在传播中受云雨的衰减影响越小，10cm波长可以不考虑雨的衰减，更有利于对大范围降水特别是台风的观测。因此从监测强降水角度来看，10cm波长雷达优于5cm雷达，5cm雷达优于3cm雷达。711雷达PRF为400Hz，CINRAD-SA的PRF为318-1304Hz。PRF越高，显示器上显示的回波越清晰，但过高时，雷达的最大探测距离又会受到限制。新一代天气雷达可调脉冲重复频率主要是解决最大距离模糊和最大速度模糊问题。最大探测距离Rmax与F之间的关系为：Rmax=c/2F；最大径向速度Vymax与F之间的关系为Vymax=±F/4。增大F虽然能增大最大径向速度，但必然会减少最大监测距离，就有可能产生二次甚至三次回波问题，导致距离模糊；减小F虽然能增表4.1 711雷达和CINRAD/SA雷达部分性能指标对比711雷达CINRAD/SA雷达工作频率/MHz9370±302830波长/cm3.210.6脉冲重复频率/Hz400318-1304(1s)318-452(4s)脉冲宽度/s11.57、4.7脉冲功率/kw75650波束宽度1.5度1度天线直径/m1.58.5天线增益/dB4044灵敏度/dB-96-112接收机动态范围/dB5090产品应用ZdBz,V,W大最大监测距离，但必然会减小最大径向速度，就有可能导致速度模糊。因此，可选择不同的脉冲重复频率是新一代天气雷达的重要特性。增加脉冲宽度有利于增加雷达最大探测距离，但另一方面又直接影响到雷达距离分辨力，也决定了雷达盲区的大小。而新一代天气雷达的双脉冲宽度在探测降水时一般使用窄脉冲宽度，以提高观测精度；在晴空探测时往往使用宽脉冲宽度，以增大有效照射体积，使更多的目标物粒子被探测到，因此更有利于晴空大气监测。发射功率是雷达的重要参数之一，在其他参数已定的情况下，由雷达气象方程可知，发射功率越大，雷达最大探测距离越大。因此，新一代天气雷达较大的发射功率提高了其探测能力和探测距离，特别是增强了对弱降水和晴空大气的监测能力。波束宽度越小，天线辐射的电磁波能量在空间的分布上越集中，定向性能越好，切向分辨率越高，切向探测精度也相应提高。新一代天气雷达的波束宽度为1度，较711雷达的1.5度要小，性能更好。从雷达气象方程可知，雷达接收到的回波功率与天线增益的平方成正比，所以，加大天线增益是提高雷达探测能力的一个重要因素。但是，新一代天气雷达相对于常规天气雷达来讲所具有的较长的波长、较窄的波束宽度和较大的天线增益使得天线尺寸相应加大。灵敏度是雷达接收机的重要参数，表明雷达接收机接受微弱信号的能力。6.2 新一代天气雷达与常规天气雷达技术体制的主要差异常规天气雷达利用降水回波信号强度来探测降水区的位置、分布、强弱及其变化。新一代天气雷达除了具有常规