飞行技术之气象资料：机载气象雷达的基本原理与使用课件.ppt

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1、机载气象雷达,机载气象雷达的基本原理与使用,2,2023/3/8,机载气象雷达就像是飞机的这个特殊的“眼睛”，他能帮助飞机拨开云雾看清前方的道路，避开有害天气和颠簸，安全舒适的将旅客运往目的地。,3,2023/3/8,雷达的英文单词是RADAR，它是RAdio Detection And Ranging的缩写，全意就是无线电探测以及测距。雷达应具有的几个特性：测量距离物体的距离。测量物体方位。判断物体的反射特性。,4,2023/3/8,5,2023/3/8,测量距离物体的距离,雷达信号的速度跟光速相等。雷达发射的信号是有规律的脉冲信号，当脉冲信号遇到反射物体被反射回雷达接收机以后，雷达会计算这

2、个脉冲信号的发送和接收时间来计算出反射物体距离雷达的距离。,6,2023/3/8,测量物体方位,雷达天线发出的雷达信号就像手电筒发出的光柱一样是有范围和方向的柱状信号，当这个柱状信号随天线方向转动到某个角度，并且在这个角度上有反射物体的时候，雷达接收机才能接收到这个反射信号，如果柱状信号不在这个方向上，接收机是接受不到信号的。这样我们就能知道在哪个角度上有反射物，哪个角度上没有反射物。,7,2023/3/8,判断物体的反射特性,雷达发射的是电磁波，电磁波的特性是频率越低波长越长的话穿透性越好；频率越高波长越短的话反射性好。对于同样频率的电磁波，不动的物体也有不同的反射性能。经过反射的雷达波信号

3、会衰减，当气象雷达接收机对这些衰减信号进行分析后，可以对这些衰减后的信号进行分级，在我们的雷达屏幕上就能看到红色，黄色，绿色的颜色区别。,机载气象雷达,9,2023/3/8,10,2023/3/8,零度等温线,云地放电,雷暴顶部的云中放电,雷达波束必须要探测这个区域才能得到准确的修正天气的显示,10,000,20,000,30,000,40,000,Altitude in feet,正电荷和负电荷聚集区域,雨幡,正电荷,负电荷,Heavy precipitation(between 0.45 and 1.91 inches per hour),Medium precipitation(betw

4、een 0.14 and 0.45 inches per hour),Light precipitation(between.04 and 0.14 inches per hour),Heavy precipitation(Between 1.91 to 8 inches per hour),Induced-earth charge,Extremely heavy precipitation(greater than 8 inches per hour),亮带:,11,2023/3/8,雷达波束的特性；雷达天气显示的修正；如何利用“气象衰减”现象来判断重要天气；最佳雷达天线倾斜角调整；,机载气

5、象雷达雷达波束的特性,13,2023/3/8,机载气象雷达雷达波束的特性,雷达波束的能量集中区域A,B区域没有任何雷达波束的能量,A,B,14,2023/3/8,机载气象雷达雷达波束的特性,大部分的能量密集的集中在波束中央区域,在波束的外侧，能量逐渐减弱,能量密集区,能量稀疏区,侧视图,端视图,15,2023/3/8,机载气象雷达雷达波束的特性,91.3%,8 deg.,11 deg.,14 deg.,98.4%,99.9%,4 deg.,60%,4,8,11,14,degrees,Side view,End view,16,2023/3/8,机载气象雷达雷达波束的特性,“雷达天线增益”,17

6、,2023/3/8,机载气象雷达雷达波束的特性,被聚焦的光线在聚焦区域内的光线强度与平均照在盒子内光线的强度的比值就是这个天线系统的增益。,在这个盒子里，灯光均匀的照在盒子内表面,在这个房间内，灯光被聚集的照在盒子内表面的一个区域内,我们给同一个灯泡加上一个反射器，这个反射器加上灯泡就形成一个信号聚焦和天线系统,A,B,18,2023/3/8,机载气象雷达雷达波束的特性,19,2023/3/8,机载气象雷达雷达波束的特性,信号最强的区域集中在波束的中央部分,天线,0 deg(100),射线方向,5.2 deg(25),5.2 degrees,25%,增益,实际波束宽度,理想波束宽度,手电筒光柱

7、投影(这个形态和雷达波束的形态相似),20,2023/3/8,机载气象雷达雷达波束的特性,21,2023/3/8,机载气象雷达雷达波束的特性,现在我们通过研究雷达波束的特性可以得出以下结论：如果我们要探测天气，我们应该尽可能的利用雷达波束中央部分，也就是能量最强的部分来扫描天气。在一定范围的雷达波束角度下地面的物体也会被雷达探测到，特别是反射能力很强的地面物体如城市、高山。,雷达天气显示的修正,23,2023/3/8,雷达天气显示的修正,随着探测距离的增加，会有能量的丢失，也叫电磁波的空间能量损失。锥形的波束有一种波束填充效应。,24,2023/3/8,电磁波的空间能量损失,较强的水波（相当于

8、能量强的电磁波),较弱的水波（相当于能量弱的电磁波）,将一个小石头丢进水里面,一个木头小球浮在水面当作一个反射物体。,用一个大家都熟悉的例子可以帮助理解电磁波的空间能量损失,水面,25,2023/3/8,波束填充效应,波束填充现象:,一个标准单位内的水汽比雷达波束的宽度小(波束过度填充).,一个标准单位内的水汽比雷达波束的宽度要大(波束无法填充).,波束填充距离,26,2023/3/8,雷达天气显示的修正,灵敏度时间控制（Sensitivity-Time-Control）。简称STC。,27,2023/3/8,雷达天气显示的修正,雷暴在这个距离范围内持续的修正显示成红色（约110海里）,从这个

9、距离开始，雷暴被修正显示成黄色,从这里开始修正显示成绿色,从这里开始在雷达屏幕上就没有显示了。,波束填充效应曲线拐点,洋红色,红色,黄色,绿色,显示颜色,20,40,60,80,28,2023/3/8,雷达天气显示的修正,从雷达波束中看见的雷暴的样子,Real storm.,3 NM,Standard Storm,A,B,29,2023/3/8,雷达天气显示的修正,通过讨论“雷达天气显示修正”的原理我们可以得出以下结论：进行雷暴扫描的时候我们应该利用雷达波束中最强的部分扫描在雷暴强度最强的部分，这样我们就能得到更准确的雷达天气修正显示。,利用“气象衰减”现象判断重要天气,31,2023/3/8

10、,气象衰减现象,通过前面我们的讨论我们知道，机载气象雷达在扫描天气的时候有时候不能避免的扫描到地面的物体从而带来地面杂波。,32,2023/3/8,气象衰减现象,简单来说所谓的气象衰减现象就是当雷达波通过雷暴的主体以后会有很强的衰减因为雷暴主体里面的众多的小水滴会反射，折射，吸收大量的雷达能量，当雷达波束穿过它们以后能量就会急剧减小，所以在雷暴的后方的显示上会出现一个雷达阴影区。,33,2023/3/8,气象衰减现象,地面回波，也叫地面杂波,在雷达阴影区之间有一个非常危险的雷暴,由于气象衰减现象产生的雷达阴影区域,城市回波，注意这里没有产生雷达阴影区,Radar shadow,Flat ter

11、rain,Thunderstorm,34,2023/3/8,气象衰减现象,因此我们可以总结出几个利用气象雷达寻找雷暴的技巧：首先要在雷达屏幕上显示足够的地面回波，然后寻找存潜在在的雷达阴影区；然后再雷达阴影区域的前方寻找是否有雷暴的回波。另外还需要掌握重要的一个观点就是反应城市的雷达回波显示后面是不会存在雷达阴影区的。,35,2023/3/8,气象衰减现象,利用这种技巧寻找雷暴还有两个必要的条件：雷达波束扫描到雷暴主体的宽度一定要比雷暴主体小，这样波束才能完全进入雷暴的主体。这样才能比较明显的看到穿越主体以后雷达波的衰减。雷暴的主体要有足够的厚度，这样对于雷达波束的衰减效果才能更加明显。而且雷

12、暴的厚度越厚，它后面产生的雷达阴影区越明显。,36,2023/3/8,气象衰减现象,很多时候我们观察雷达屏幕时候会怀疑某些回波是雷暴，但是并没有很明显的雷达阴影区，这是因为这个雷暴没有达到上面两个必要条件，或者因为这块雷暴后面的地形特征使回波也比较明显，但是又不能达到显示更高一个等级颜色的强度，在这种情况下我们就可以利用“人工增益”的方式来获得比较明显的雷达阴影区。,37,2023/3/8,气象衰减现象,Thunderstorm,这个就是因为雷暴产生的气象衰减现象形成的雷达阴影区，也就是我们需要寻找的雷暴存在的有力证据。,地面杂波,这个明亮的现实表明了在这个雷达阴影区域内有一个很强的地面反射物

13、体（城市）。虽然因为气象衰减效降低了回波的能量但是并没有完全消失掉。,雷暴,38,2023/3/8,最佳雷达天线倾斜角调整,40,2023/3/8,最佳雷达天线倾斜角调整,进行雷暴扫描的时候我们应该利用雷达波束中最强的部分扫描在雷暴强度最强的部分，这样我们就能得到更准确的雷达天气修正显示。,41,2023/3/8,最佳雷达天线倾斜角调整,Ground,Ground,从雷达波束中看到的雷暴,雷达地面波束范围,雷达气象波束范围,总反射量=黑色分量+洋红色 分量+红色分量+黄色分量+绿色分量,雷达波中的一个脉冲信号,雷达波束范围,42,2023/3/8,43,2023/3/8,最佳雷达天线倾斜角调整

14、,10,000,20,000,15,20,5,10,25,0,0,35,40,30,45,50,30,000,40,000,+20,15,20,5,10,25,0,0,35,40,30,45,50,210,300,25,25,240,25,25,300,240,210,这是正确的雷达倾斜角调置,这是不正确的雷达倾斜角调置,这是通过雷达天气显示修正过的雷暴,这是对危险天气非常粗略的显示。,W,W,雷达阴影,44,2023/3/8,最佳雷达天线倾斜角调整,首先利用雷达寻找可能存在的雷达阴影区。这可能需要伴随显示足够量的地面回波帮助我们判断，通常雷达倾斜角在-左右。当我们找到存在的雷达阴影区域以后调整雷达倾斜角度使危险天气的回波强度最大并且伴随适量的地面回波。逐渐调高雷达倾斜角，知道获得的危险天气的回波强度开始减弱，这是因为雷达波束逐渐偏离了危险天气最强烈的亮带。再逐渐把雷达倾斜角减小使危险天气的回波再次回到强度最大，并且地面回波最小的位置。,实际应用,46,2023/3/8,47,2023/3/8,从上风面绕飞雷雨：,48,2023/3/8,不要进入死胡同：,49,2023/3/8,雷达回波的融合显示：,结束，谢谢！,