民机通信导航与雷达 第六章 气象雷达

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1、本章学习要点本章学习要点 了解气象雷达基础知识； 理解雷达收发电路的基本工作原理； 理解雷达天线的基础知识； 了解显示器的基本工作原理； 课时分配2学时第六章第六章 气象雷达气象雷达 本章主要内容本章主要内容第一节 气象雷达基础； 第二节 雷达收发电路的基本工作原理； 第三节 雷达天线基础 ； 第四节 显示器的基本工作原理 ；v一、气象雷达的基本功用及工作概况 基本功用：机载气象雷达用于在飞行中实时探测前方航路上瞬息万 变的气象状况，是保证飞行安全的重要机载电子设备之一； 工作方式: 气象 气象与湍流 地图第一节第一节 气象雷达基础气象雷达基础v （一）雷达对气象目标及其它空中障碍物的探测.雷

2、达对气象目标的探测图6-1 雷达所提供的气象 目标显示图像O ：代表飞机的位置 OA：代表飞机纵轴线的延长线 弧形亮线: 代表不同距离的距离标志 圈，在距离标志圈的一端显示由该圈 所代表的距离（海里）数 O点出发的明亮射线：代表方位线， 可以判读目标相对于飞机纵轴的方位 机载气象雷达通过不断扫掠的天线向飞机前方及其两侧扇区 辐射功率强大的雷达脉冲信号，同时接收由降雨区等含水气象目 标所产生的雷达回波。回波信号在雷达接收机和显示器中经过复 杂的处理，最终以光信号明亮的目标图像的形式在显示器上 显现出来。 2.气象雷达对其它空中目标和障碍物的探测 对云雾、雪花等不能有效 探测，对晴空湍流也不能检测

3、气象雷达的这一特性，对在恶劣气象条件下和夜间飞行的飞 机，以及在地形复杂地区飞行的飞机来说，具有特别重要的意义 。但是，必须强调指出，决 不能把气象雷达作为防撞引导 设备来应用。机载气象雷达除了能发现和探测空中气象目标外，还能有效 地发现和探测航路上的山峰、相遇飞机等目标。这些目标也能和 降雨区等气象目标一样，有效地反射雷达电波。v（二）气象雷达的地形观察功能 把雷达波束指向地面时，利用地表不同地物对雷达电波反射 特性的差异，可以在雷达显示器上显示出飞机前下方扇区内 的地表特征的图像，这就是气象雷达工作于“地图”方式时 的地形观察功能。 当雷达电波投射到大地表面时，不同地表特征便形成了强弱 差

4、别明显的雷达回波。根据雷达回波的这一特性，气象雷达 便可在显示器上显示出地表特征的平面位置分布图形来。 图6-2 图6-2是雷达工作于地图方式时的 显示画面，画面清晰地显示出海岸 线、湖泊（箭头2）及较宽的河流 （箭头1）的轮廓线。飞行员利用 这种地貌特征的平面位置图形，可 以方便地判断出飞机的位置。 v二、雷达的基本组成图6-3 机载气象雷达系统机载气象雷达的基本组件为雷达收发组、雷达天线、显 示器、控制盒和波导系统。机载气象雷达还需由垂直陀螺提 供倾斜和俯仰稳定信号，倾斜和俯仰信号可以由单独的垂直 陀螺组件提供，也可由惯性基准系统提供。图63是由一部 雷达收发组、一部显示控制器、天线及波导

5、组成的气象雷达 方块图。 v（一）雷达收发组 结构：由雷达发射机和雷达接收机两部分基本电路组成 作用：雷达发射机用于产生强力的、周期性的微波脉冲信号雷达接收机用于接收和处理由天线接收的雷达回波信号 机载气象雷达的工作频率为9333，9345或9375MHz。这一波段属于波段。由于雷达的工作波长仅为3.2c，所以雷达发射电路及接收电路中的高频部分是由各种微波器件组成的 雷达收发组总是安装在尽量靠近天线的位置，例如前设备舱 或机鼻罩内，以尽可能缩短连接波导的长度。 v（二）雷达天线组 种类：气象雷达所使用的天线有平板型天线和抛物面天线 作用：把发射机所产生的强力脉冲信号形成很窄的雷达波束 辐射到空

6、中，并接收由雷达目标反射回来的回波信号 。 特点：雷达天线的一个显著特点是需要进行复杂的运动。除了 要自动地进行周期性的往复扫掠方位扫掠外，还需要自动 进行天线的倾斜俯仰修正运动。 雷达天线组安装在飞机雷达罩（机鼻罩）内的密封舱前隔板 上。 雷达罩用于保护雷达天线，保持飞机的流线型外形。雷达罩 是用非金属材料制成的，应能保证电磁波的顺利穿透。 v（三）显示器与控制盒 彩色显示器在显示气象目标时通常用绿、黄、红以及紫红色 来表示强度逐渐增大的降水区。其所显示的目标图像的亮度与 目标的距离、面积、降雨率无关 在显示地面目标时，通常用蓝绿色、黄色、紫红色来代表反 射强度不同的地面目标。黑白雷达显示器

7、则用明亮程度的不同 来反映目标反射特性的强弱。 黑白雷达显示器则用明亮程度的不同来反映目标反射特性的 强弱。v（四）波导系统 作用：用于实现雷达收发组和天线之间的射频能量的传输。 特点：由于雷达信号是频率极高的微波信号，所以不能用一 般无线电设备所用的同轴电缆来传输，只能用封闭的波导系统 传送。发射机产生的功率强大的雷达发射信号，通过波导系统 传送给天线，辐射到空中去；同一部天线所接收的雷达回波信 号，也是经过同一波导系统传送给雷达收发组中的接收机的。 结构：由刚性波导和软波导组成。在有的气象雷达的波导系 统中，还装设有一个波导开关和等效负载。 v三、气象雷达的基本工作原理（一）气象雷达对目标

8、的探测1目标对雷达信号的反射 机载气象雷达之所以选择频率为93009400MHZ范围内的波 段的信号，其基本原因之一就是因为雨区及其它空中降水气象 目标能够对这一波段的信号产生有效的反射。 不同气象目标对雷达信号的反射程度,还与它们本身的含水密 度及状态等有关 气象雷达所辐射的是能量集中在极短时间内的射频脉冲信号 。采用脉冲发射信号，可以有效地探测和区分空中的气象目标 。2回波信号的接收 雷达的接收机和发射机是共用一部雷达天线工作的。信号的 发射与回波信号的接收过程交替进行。雷达发射机在极短时间中 产生的功率强大的脉冲信号，通过天线辐射出去。在这短短的几 微秒内，雷达接收机的输入端是关闭的，不

9、与天线连通。雷达发 射过程结束后，雷达工作于接收状态，此时天线与接收机输入端 相连接，不同距离处目标所产生的回波信号由天线接收而加至接 收机进行复杂的处理。雷达工作在接收状态的时间远远大于它的发射时间，几乎等 于脉冲的周期，一般为20008000。在这段接收时间中，距离飞 机约400 n mile范围内的明显气象目标所产生的回波信号，都能 够被雷达所接收。3天线波束及其扫掠 雷达发射机所产生的脉冲射频信号，由雷达天线汇聚成束后向 空中某一方向辐射出去。 在某一瞬间，雷达天线指向空间某一方向，此时，我们可以简 单认为只有在这一方向的目标才会被雷达波束照射到，从而产生 相应的回波信号而被雷达所探测

10、；其它方位的目标，由于不可能 被雷达信号照射到，所以在这一瞬间是不会产生回波而被雷达探 测到。 为了探测飞机航路前方及其左右两侧 的气象情况，气象雷达天线在一定范围 内进行往复方位扫掠。通过天线的周期 性方位扫掠，雷达就可以探测这一方位 范围内被波束所依次照射到的目标。气 象雷达对目标的上述探测过程如左图v（二）气象雷达对目标距离的测定 雷达天线所辐射的电磁波是以光速c在空中向前传播的。在气象 雷达中，通过度量所接收到的目标回波信号与发射脉冲之间的时 间间隔，就可以确定目标相对于飞机的距离。设目标的距离为R，则信号往返于飞机与该目标之间所需的时 间t为：例如，对于距离为1km的目标来说，信号往

11、返所需的时间为 6.67s。这样，对于距离为10km，100km的目标来说，回波信号 相对于发射脉冲的时间延迟就是66.7，667s 。同样，对于距离为 1n mile的目标，其回波延迟为12.36；10n mile，100n mile处的 目标则为123.6和1236s ，以此类推。 v（三）雷达显示目标方位的基本原理 前已说明，由于雷达天线所形成的辐射波束是宽度很窄的圆锥 形波束，因而可以认为当天线指向某一方位时只有该方位的目标 回波才能被雷达所接收。基于这一事实，只要把接收到回波信号 时的天线方位值正确地传送到显示器中去，使回波图像显示在荧 光屏上的对应方位，就能正确地显现出该目标的实际

12、方位。 在模拟式的机载气象雷达中，是利用同步器或旋转变压器一类 机电式同步系统来实现上述目的的。在现代数字式气象雷达中， 实现上述显示目标方位的过程和电路要复杂得多，但其基本思想 则是一致的。v四、雷达信号及其基本参数 气象雷达发射机所产生的雷达发射信号，是一种工作频率在 93009400MHz之间的周期性脉冲射频信号，如下图所示。 在雷达短暂的发射期内，雷达发 射机产生功率很大的等幅正弦振 荡，形成包络形状为矩形的周期 性脉冲发射信号；在两次发射脉 冲的间隔期内，接收机接收来自 由不同距离的目标所反射回来的 回波信号。 回波信号的幅度远远小于发射信 号，在时间上延迟于发射脉冲一 定的时间，但

13、其频率仍可认为与 发射信号相同。1工作频率雷达的工作频率即雷达发射信号的频率。工作频率也可以称 为射频频率，通常用 来表示。气象雷达的工作频率是固定的，通常在93009400范 围内选择，例如9333MHZ，9345MHZ，9375MHZ。只有少数气象雷达 的工作频率为波段的5440MHZ。 2脉冲重复周期或脉冲重复频率雷达发射机所产生的周期性脉冲射频信号的重复频率称为 雷达的脉冲重复频率，常记为PRF。有时，也习惯用脉冲重复周 期PRT来表示雷达脉冲信号的发射间隔时间。脉冲重复周期是周 期性脉冲信号相邻两个脉冲之间的间隔时间，应从脉冲的前沿 测量到下一个脉冲的前沿时刻，如图所示。3脉冲宽度通

14、常所定义的脉冲宽度，指高 频脉冲包络半功率点（0.707电压点） 之间或前后沿0.5点之间的时间间隔。 在需要进一步说明脉冲波形的特性时 ，则以脉冲最大值的10%处的时间间隔 为脉冲底部宽度；脉冲最大值的90 处的间隔为脉冲顶部宽度。 4脉冲功率与平均功率 雷达发射机在脉冲期间所输出的信号功率称为脉冲功率，常用 符号 来表示。脉冲功率是决定雷达探测范围的主要因素之一 。提高脉冲功率，所发射的信号能量增大，远距离目标所产生的 回波信号能量也相应增大，因而能够增大雷达的探测范围。 机载气象雷达的脉冲功率为100瓦至几十千瓦。旧式雷达的功率 较大，通常为几十千瓦。新式雷达在探测范围相同的情况下，发

15、射功率远低于旧式雷达。 平均功率指在整个发射周期中雷达发射信号的功率，常用 表 示。气象雷达的平均功率从1瓦左右到几十瓦不等。5占空比脉冲占空比也叫脉冲占空系数或脉冲工作比，占空比等于脉 冲宽度与脉冲重复周期的比值，即脉冲宽度与脉冲重复频率的乘 积。v五、气象雷达的工作方式（一）气象方式 气象方式是机载气象雷达最基本的工作方式。气象方式在苏式 雷达中称为“障碍物”方式。 雷达工作于气象方式时，显示器上所呈现的是空中气象目标及 其它目标的平面位置分布图形。此时，天线波束在飞机前方及左 右两侧的扇形区域内往复扫掠，以探测飞机航路前方扇形平面中 的气象目标，通常是飞机所处的飞行高度层中的目标。天线所

16、辐 射的是很窄的锥形波束，俗称“铅笔波束”。 雷达发射机产生周期性射频脉冲信号，经由波导系统输往天线 辐射。天线所接收的空中气象目标及其它目标的回波，经由波导 系统输入到接收机进行放大及其它处理。v（二）地图工作方式地图方式是各型机载气象雷达所共有的一个基本工作方式， 在苏式雷达中称为“观察”方式。雷达以地图方式工作时，呈现在荧光屏上的是飞机前下方地 面的地表特征。在一些旧式气象雷达中，地图方式时的天线波束 形状是不同于气象方式的余割平方波束，俗称为“宽波束”。这 种波束在水平面内仍然是很窄的，其水平波束宽度与探测空中目 标时的窄波束相同；所不同的是宽波束的能量在垂直平面内分布 范围较宽，向天线电轴前下方约30俯角的范围内辐射。利用这 种余割平方波束，就可以照射飞机前下方较宽范围内的地面区域 ，达