天气雷达的基本工作原理和参数.ppt

《天气雷达的基本工作原理和参数.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《天气雷达的基本工作原理和参数.ppt（167页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第一章 天气雷达基本工作原理及主要设备、参数,第一章 天气雷达的基本工作原理和主要设备、主要参数,重点掌握：多普勒天气雷达最大不模糊速度及距离、多普勒频率 参数：PRF、PRT、h、Vr、Vrmax、Rmax、fD 及各计算公式一、天气雷达的基本工作原理二、天气雷达的组成和主要技术参数1、天气雷达的组成 2、主要技术参数三、多普勒天气雷达工作原理1、多普勒天气雷达概述 2、多普勒雷达探测原理1）、多普勒效应2）、多普勒频率3）、多普勒频率与目标物径向速度的关系4）、多普勒天气雷达原理方框图3、回波信号的多普勒频谱分析 4、多普勒天气雷达的最大不模糊速度与最大不模糊距离（包括：Vr、VT互求）5

2、、速度模糊现象的主观识别 6、速度退模糊方法,一、天气雷达工作原理,天气雷达间歇性地向空中发射电磁波列（称为探测脉冲），它以近似直线的路径和接近光速在大气中传播，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）在屏幕回波图上显示出气象目标的空间位置和特征,天气雷达原理示意图,天气雷达组成框图,天气雷达主要技术参数,1、波束宽度 2、天线增益G 3、天线有效面积Ac 4、脉冲长度h、脉冲宽度 5、脉冲重复周期T(PRT)6、脉冲重复频率PRF 7、最大探测距离Rmax、,天气雷达波段、频率、波长关系表,常用天气雷达的主要技术

3、参数,波束宽度,天线增益G,雷达的 PPI 扫描方式,PPI 显示结果的空间分布,多普勒天气雷达工作原理,多普勒天气雷达,常规数字化天气雷达利用的是降水回波的幅度信息，即利用信号强度来探测雨区的分布、强度、垂直结构等。多普勒天气雷达除常规天气雷达功能之外，还可利用降水回波频率与发射频率之间变化的信息来测定降水粒子的径向速度，并通过此推断风速分布，垂直气流速度，大气湍流，降水粒子谱分布，降水中特别是强对流降水中风场结构特征。,常规天气雷达仅能提供反射率因子资料。多普勒天气雷达将提供两种附加的基本资料，径向速度和速度谱宽，它们将增强对强风暴的探测能力，也能改进对中尺度和天气尺度系统的预报。,多普勒

4、效应,多普勒效应是奥地利物理学家J.Doppler1842年首先从运动着的发声源中发现的现象，定义为“当接收者或接收器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接收者（器）时频率的变化”。,一个例子是：当一辆紧急的火车（汽车）鸣着喇叭以相当高的速度向着你驶来时，声音的音调（频率）由于波的压缩（较短波长）而增加。当火车（汽车）远离你而去时，这声音的音调（频率）由于波的膨胀（较长波长）而减低。,相干波:两束振幅、频率和相位完全相同的电磁波称为相干波。相干发射：发射出振幅、频率和相位完全一样的脉冲波，所以各个脉冲之间是相干的。全相干多普勒天气雷达：它的发射主控信号频率由稳定的晶体振荡器产生，保证发射的高频

5、相干。它的相干性能好，地物消除能力强。半相干（伪相干）多普勒天气雷达：它是通过对发生信号采样，与本振混频以及锁相技术，以保证中频相干，达到测量频率变化，它的发射部分采用同轴磁控管。它的相干性能差，消除地物的能力较全相干多普勒天气雷达差。,自相干多普勒天气雷达结构框图,全相干多普勒天气雷达结构框图,fo 发射脉冲的载频fd 多普勒频率,发射频率,多普勒频移,发射频率 Vs 多普勒频移,1、雷达数据采集系统（RDA）2、雷达产品生成子系统（RPG）3、主用户处理器子系统（PUP）,中国新一代天气雷达系统简介,雷达的三部分,RPG,RDA,PUP,雷达站,气象台值班室,雷达数据采集系统（RDA）,采

6、用脉冲多普勒体制的全相干系统速调管放大、高功率全相干发射机窄波束低旁瓣的天线低噪声宽动态范围的相干接收机多参数的信号处理器主要参数的自动检测,发 射 机取得雷达数据的第一步是发射一个射频f0信号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的的磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值功率750kw）非常稳定的10厘米的射频（f0）脉冲。在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲必须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒信息能够被提取。一旦fd脉冲被产生，就被送到天线。,全相干发射机,天线天线是RDA的一个部件，它将发射机产生的RF信号以波束的形式发射到大气并接受返回的能量（粒子的后向散射能量）。W

7、SR-88D雷达的天线仰角范围:-10600。天线仰角的设置取决于天线的扫描策略（scan strategy共有三种）、体扫模式（volume coverage pattern：VCP）和工作模式（operational mode 分为晴空和降水两种模式）。雷达操作员不能手动调节天线仰角，天线仰角只能通过上述三要素预设。,体扫模式(VCP:Volume Cover Pattern）扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，而具体是哪些仰角则由体扫模式来规定。WSR-88D 可有20个不同的VCP，目前只定义了其中的4个：VCP11-VCP11（scan strategy#1，version 1）

8、规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。VCP21-VCP21（scan strategy#2，version 1）规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。VCP31-VCP31（scan strategy#3，version 1）规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。VCP32-VCP32（scan strategy#3，version 2）确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP31相同。不同之处在于VCP31使用长雷达脉冲而VCP32使用短脉冲。WSR-98D未定义VCP32。,WSR-88D工作模式（Operational Mode）两种工作模式，即降水模式和晴空模式。雷达的工作模式决

9、定了使用哪种VCP，而VCP又确定了具体的扫描方式。工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相应的扫描方式分别为14/5 和9/6。工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，两者都使用扫描方式5/10。,窄波束低旁瓣的天线,相干接收机,信号处理,监控系统,雷达产品生成子系统（RPG）,具有雷达产品生成、运行监控、数据库管理、系统内通信等多种功能 气象应用产品：类似于美国NexRad导出产品运行监控：运行模式、系统的自动标校、自动报警等功能数据库管理：基数据、产品数据的存贮、分发等功能通信管理：RDA、RPG、PUP间的窄带和宽带通信等,主用户处理器子系统（PUP）,多屏、多画面显

10、示气象应用产品图形图像功能具有放大、动画、叠加等多种图像显示功能通过人机交互方式设置系统运行模式和产品生成,新一代天气雷达系统的产品应用可分为四类：基本数据产品物理量产品风场反演产品强天气自动识别和跟踪产品,多普勒天气雷达的产品介绍,WSR-98D 主要产品,基本数据产品：是多普勒天气系统的基础，它主要将雷达以各种探测方式获取的数据，在不改变属性的前提下，在多种不同的坐标上显示出它们的分布情况。利用这些产品可以直接识别和分析出一些重要的的天气现象，如钩状回波、带状回波、中尺度气旋、锋面、下击暴流、大尺度的风向风速和冷暖平流。,1、基本数据产品,这类产品主要有：平面位置显示(PPI)垂直最大回波

11、强度显示(CR)等高平面位置显示(CAPPI)距离高度显示(RHI)、任意垂直剖面显示(VCS),WSR-88D产品生成器根据用户要求生成的基本产品有：基本反射率产品6种，平均径向速度产品6种，速度谱宽产品3种，共计3类15种气象产品，如下表,WSR-88D基本数据产品,相对于风暴的平均径向速度产品图(SRM),与基本速度产品类似，只不过减去了由风暴跟踪信息(STI)识别的所有风暴的平均运动速度，或减去由操作员选定的风暴运动速度。,（a）3.4度仰角,（b）14.9度仰角,2004年4月23日 长沙12:37时风暴相对径向速度图(基本速度减去风暴的平均移动速度后得到的),剖面产品,谱宽剖面(S

12、CS)速度剖面(VCS)反射率剖面(RCS),长沙 2004年4月23日11:44时实测的强度剖面图,2、物理量产品,物理量产品：是指雷达以各种探测方式获取的回波强度、径向速度和速度谱宽数据，经过一定的计算和处理。转化为有明显气象意义的物理量，进而把这些物理量的分布显示出来的图像和图形产品。它有助于用户直接和某些天气现象联系起来进行分析和应用。,这类产品主要有：回波顶高(ET)垂直累积液态含水量(VIL)风切系列产品(径向、方位、径向方位)分层湍流组合(CAT)雷达定量测量降水(1小时、3小时累积降水、风暴总降水),3、风场反演产品,风场反演产品：多普勒雷达系统获取的径向速度分布数据，在某些假

13、定的条件下通过反演可以获取某高度平面上的平均风向风速(VAD)、二维水平风场、垂直剖面二维风场及三维风场(VVP)等，除VAD技术比较成熟外，其余均在试验或试用阶段。,二维、三维风场反演方法,二维、三维风场反演方法,二维、三维风场反演方法,4、强天气自动识别和跟踪产品,利用基本数据产品，应用各种算法生成自动报警的产品。如冰雹指数、中气旋、强天气概率等。,短时预报常用的雷达产品,反射率产品(R，CR，VCS)基本速度产品(V，SRM)垂直液态含水量（VIL）回波顶高产品（ET）VAD风廓线累积降水量,2000年8月31日00:39,仰角为0.5度的基本反射率因子产品图(上海),2000年5月26

14、日00:36 仰角2.4度的平均径向速度图(上海),2000年8月30日23:41仰角为0.5度时的基本速度谱宽产品图(上海),1998年8月9日16时11分组合反射率因子产品图,2002年2月14日17时43分组合反射率因子等值线产品图(CRC),2001年8月7日14:45反射率因子剖面产品(上海),组合反射率因子平均值产品图(LRA)2001年8月7日15:26中层（上图1233千英尺）和低层（下图从地面到12千英尺）,2010年8月7日15:02弱回波区产品图也称为反射率因子多层透视图(上海),风暴跟踪信息产品（STI）,图中绿色三角形表示产生冰雹的可能性,风暴跟踪信息文本产品（上海）

15、,风暴结构产品（SS）,冰雹指数产品（HI）,回波顶高产品（ET）,回波顶高等值线产品（ETC）,垂直液态水含量产品（VIL）,强天气概率产品（SWP）,一小时降水量产品（OHP）,三小时降水量产品(THP),风暴总降水量产品（STP）,多普勒频率fd与目标物径向速度Vr的关系,多普勒频率fd 定义：目标物相对于雷达作径向运动引起回波信号的频率变化，称多普勒频移，亦称多普勒频率，单位:赫兹（Hz）。,多普勒频率fd与目标物径向速度Vr的关系（证明见P211-212),回波信号的多普勒频谱分析见书P212-216,多普勒频率与回波功率波动频率,某一雨滴后向散射电场为：,其中：Ei为后向散射电场振

16、幅值，,雷达角频率，f0为雷达载波频率,为讨论方便，设初相位为零,若某一个雨滴以径向速度V1运动，产生多普勒频率f1，则该雨滴后向散射电场为：,雷达测出E(t)后，从上式即可推出多普勒频率f1,本节所需部分数学公式,振幅谱函数定义(同相谱)(8.18),若有两个雨滴，则后向散射电场为：,两雨滴回波总功率分别为：,两种相干雷达所发射的高频载波及频谱,全相干脉冲多普勒雷达频谱自相干脉冲多普勒雷达频谱,全相干脉冲多普勒雷达高频脉冲信号及频谱分布,自相干脉冲多普勒雷达高频脉冲信号及频谱分布,回波信号及多普勒频谱,结论：单个脉冲形状决定了整个谱包络线的形状，脉冲宽度决定谱包络线的宽度；脉冲重复周期(T)

17、决定了谱线的间距，谱线间距是时域脉冲间距的倒数(1/T)；脉冲序列的延续长度决定谱线的宽度，越长谱线宽度越窄；载波频率决定谱带中心位置。,速度谱宽资料应用,某些天气的典型值：1)层状云降水：谱宽值较低，03.5m/s;2)强雷暴区或低层出流边界：谱宽值4m/s;3)00C层附近：干湿雪、雨滴共存，不落速度差异大，谱宽值约为4m/s;检验平均多普勒速度的可信度：一般谱宽较大时，可能对估算平均多普勒速度的准确性有较大的影响。引进与谱宽及信噪比有关系的指标“信号质量指数”SQI，若SQI低于某一指标值，则数据不可靠，弃之。识别多普勒速度场中的风切变区识别强湍流区具体应用还需结合当地的地形和天气等实际

18、情况,多普勒天气雷达的最大不模糊速度Vrmax与最大不模糊距离Rmax,1、最大不模糊距离与距离折叠(模糊)2、最大不模糊速度与速度模糊3、多普勒两难,1、最大不模糊距离与距离折叠,最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离,其中，Rmax为最大不模糊距离，c为光速，PRF为脉冲重复频率,距离折叠（模糊）：超过最大探测距离的探测回波在屏幕上就会产生距离模糊。,距离模糊（折叠）,雷达测距公式 R=0.5ct，t为脉冲发出到返回的时间。雷达测距按照最新发出的脉冲从发出到返回的时间来计算。距离模糊是指雷达确定的目标物方位是正确的但距离是错误的。当

19、目标物位于雷达最大不模糊距离之外时会发生这一现象，也就是说，目标物的定位是模糊的。换句话说，当目标物位于雷达的最大不模糊距离（Rmax）之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，我们形象地称之为距离折叠。,目标位于最大不模糊距离之内，没有距离折叠（模糊）发生。,距离模糊（例子）,假设：某雷达最大探测距离是250nm,nm=1.852km nautical mile,目标位于最大不模糊距离之外时，发生距离折叠（模糊）,一个目标物位于Rmax之后若干公里的话，它将错误地出现在距雷达同一公里远的位置上。如果雷达的Rmax=250km，那么位于0-250km的目标物处于第一程；251-500

20、km的目标物处于第二程等等，以此类推。一个实际位于550km（超过2Rmax）处的目标物，如果被Rmax=250km雷达探测到，它在雷达上的显示位置是50km；一个实际位于300km（超过1Rmax）处的目标物，如果被Rmax=250km雷达探测到，它在雷达上的显示位置也是50km。,距离折叠回波的特点：方位角是正确的 强度较弱 有时具有奇怪的多普勒速度怎样排除距离折叠回波？改变雷达机的脉冲重复频率(PRF)Use a different PRF every 2-3 pulses,if the echo moves,it is bogus!,2、最大径向速度与速度模糊,最大径向速度 Vrmax

21、：最大径向速度是雷达能够不模糊地测量的最大平均径向速度（亦称最大不模糊速度），其对应的相移是180度。,径向速度Vr海里/小时,方位角,二维均匀风场,吹西风,某高度的径向速度随方位角分布图,50海里/小时间隔为速度不模糊范围。,速度模糊现象的主观识别,由零速度区逐渐向邻近区域（径向）扩展，按风速连续性原则，除如小尺度的龙卷风等特强风切变情况外，径向速度Vr一般逐渐增加（减少），当增加（减少）到超过Vrmax(-Vrmax)范围时，径向速度由正（负）的最大值突变为负（正）的最大值。这种突变的边界就是速度模糊区的边界。,零速度区（带）,*零速度区（零等速线）：由径向速度为零的点组成（零速度区肯定不

22、模糊）；零速度区的意义：某点的径向速度为零，应是两种情况：实际风速为零或很小实际风向与雷达探测波束相垂直,PPI图象上有可能出现二条零速度带，哪条为真正零速度带呢？,若雷达邻近区域有降水，则用地面风大致判断哪一条为真正与风向垂直的零速度带；若邻近区域无降水，则可用相近时刻的探空资料查找零速度处相应高度上的风向来进行判断。（距离高度公式）,速度模糊示意图,多普勒径向速度Vr、真实径向速度VrT互求,多普勒径向速度Vr、真实径向速度VrT互求,Nyguist(奈克斯特）采样定理与最大不模糊速度Vrmax,Nyguist采样定理：若采样频率为f,则最多只能测量0.5f的振动频率。（解读：要准确测量每

23、秒钟振动一次的物体，至少需采样的频率为每秒钟振动二次。）多普勒天气雷达：脉冲重复频率PRF采样频率，多普勒频率fd样本,某一PRF最多只能0.5PRF的多普勒频率，多普勒频率表达式为：代入上式，可得:,多普勒两难,由于没有唯一的PRF能使得Vmax和Rmax都能达到最大，所以要使用变化的PRF。例：每台WSR-88D使用不同的PRF，从一组8个PRF中选择。,typical example,速度退模糊方法（见书P249-P252）,多普勒天气雷达CAPPI回波图,返回,新一代天气雷达对“云娜”台风的监测,温州宁波两部雷达拼图2004年8月11日20时12日07时,2003年6月7月江淮流域发生

24、特大洪涝新一代天气雷达监测到的暴雨过程,2003年7月9日01时多部雷达估测的江淮流域1小时降水,0.50度,1.50度,2.40度,3.40度,4.30度,6.00度,9.90度,云娜,径向速度图,强度图,课堂练习思考题,1、若一天气雷达，PRF=1000Hz,求其脉冲重复周期T及最大可测距离是多少？,2、若714SD雷达,其Rmax=750km,脉冲宽度=1s,求PRF,h,及雷达测量盲区是多少？,3、判断下面说法是否正确？为 什么？,4、若要选择造价比较合适，又能满足最大不模糊速度为20m/s和最大不模糊距离为100km,那么你认为应选择哪个波段的多普勒雷达为宜？A）X波段 B）C波段

25、C）S波段 D）K波段,5、脉冲重复频率PRF是：A）天气雷达工作频率 B）每秒钟产生触发脉冲的 数目）回波频率）电波频率,6、天线波束宽度为：）最大发射功率方向角）主波瓣的宽度）主波瓣上两个半功率点 方向的夹角）旁瓣的大小,7、多普勒雷达波束宽度通常不超过度，太宽则影响A）测距精度B）测角精度C）测回波强度的精度,8、脉冲宽度为：）脉冲的重复次数）脉冲振幅的大小）脉冲在空间占有的长度 或脉冲的振荡持续时间）脉冲效率,9、脉冲宽度的大小对什么有影响？）测距精度）测角精度）回波强度）测角和测速的精度,10、设Vrmax=25m/s,试计算：1）当VrT=30m/s时，Vrd=?2)当VrT=-30m/s时，Vrd=?3)当VrT=80m/s时，Vrd=?4)当Vrd=-55m/s时，Vrd=?,11、若Vrmax=30m/s,试计算：1）当VrT=20m/s时，Vr=?2）当VrT=70m/s时，Vr=?3）当VrT=-70m/s时，Vr=?4）当Vr=5m/s时，VrT=?5）当Vr=-5m/s时，VrT=?,本章结束,谢谢!,