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1、第三章天气雷达系统 设计要求和指标,散射普遍现象 瑞利(Rayleigh)散射 米(Mie)散射 有效反射面 气象粒子反射 反射率因子与气象雷达方程,其他因素 大气吸收与衰减 地物与超折射回波 雷达综合设计参数 雷达信号处理内容 天气雷达组成,天气雷达系统,3.1 气象数据遥测系统雷达,雷达探测大气靠气象目标对电磁波的散射 散射成因：大气介质，云、降水粒子等 大气介质的散射包括： 大气气体分子的散射 大气介质折射指数分布不均匀引起的散射与反射 雷达能探测和监测降雨、冰雹、暴风雪、飓风、龙卷风等重要及灾害性天气过程 天气雷达：激光、微波（X/C/S波段）、VHF、UHF、超声、无源被动雷达等,3
2、.2 电磁波在大气中的传播,散射现象,散射现象：当电磁波束遇到障碍物，或在大气中传播，遇到空气介质或云滴、雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些介质或粒子上向四面八方传播开来 散射开来的电磁波称为散射波,散射成因,障碍物漫反射； 微粒粒子在入射电磁波极化下作强迫的多极振荡，从而发出次波（散射波）。 电磁波传播中的吸收：能量转换为热量，电磁波能量受到衰减 散射取决于电磁波波长和粒子等效直径d的比例关系,后向散射截面,设有一理想的散射体，其截面为：它能全部接收射到其上的电磁波能量，并全部均匀地向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流
3、密度，则该理想散射体的截面就称为实际散射体的后向散射截面。,NEXT,瑞利散射(Rayleigh),对于d的小球形粒子的散射 是复折射指数；n是普通的折射指数，K是吸收系数，散射截面：,米散射（Mie散射）,d的大球形质点的散射 米散射条件： （1）粒子是球形的，粒子内外都不含自由电荷，散射粒子不是导电体； （2）粒子内、外介质是均匀各向同性的，粒子外介质一般是空气或真空； （3）入射电磁波随时间作简谐变化。,米散射性质： （1）散射波是以粒子为中心的球面发散波； （2）散射波是横波，且是椭圆偏振波； （3）散射波和入射波同频率； （4）散射波能流密度是各向异性的； （5）散射波性质与入射波波
4、长、散射粒子 半径r、粒子及环境的物理特性等有关。,粒子群的散射,各粒子的散射波符合叠加原理 合成回波的场强 ： 平均回波功率,3.3 球形水滴和冰粒的散射,大气中气象粒子的尺寸分布滴谱极广，因此散射归属不好确定 雷达回波为全部粒子散射的综合，难于得到完全意义上的解析公式和解析解 反射率（因子）与滴谱只有定性关系,雷达截面或后向散射截面,单个球形粒子的瑞利散射雷达截面： 米散射的后向散射函数： 其中，an、bn为散射场的系数,雷达反射率与反射率因子,雷达反射率: 反射率因子： 关系：,雨滴谱与Z,瑞利后向散射截面 和米后向散射截面,/ 与a的关系,滴谱与雷达截面,云滴半径：只有510，最大也不
5、超过50 雨滴半径：一般都在0.251.5mm之间，其中以0.35 0.45mm范围内为最多。也有大于2mm的，但当半径大于3mm时水滴有时会在气流作用下发生破裂 厘米波测雨雷达对于云滴，瑞利公式完全适用 C波段5.6cm和S波段10cm雷达，瑞利公式对绝大多数的雨滴也适用 3.2cm波长雷达，要订正 水滴半径在0.51.0mm内时，用瑞利公式计算的雷达截面误差不超过20%30%,等效反射率因子,等效反射率因子气象雷达方程保持瑞利散射的简单形式,NEXT,球形干冰粒对雷达波的散射,瑞利散射:水滴散射是同半径冰粒散射的五倍 米散射: 大冰球粒子的雷达截面甚至比同体积水球大10倍,大冰雹时回波特别
6、强,NEXT,3.4 晴空回波的散射和反射机制,湍流大气对雷达波的散射,不同尺度的湍流块相当于具有不同间距的空间衍射光栅，而不同间距的衍射光栅对于不同的散射角上的散射能量有明显的贡献，也即恰巧可以在该方向上形成衍射的“亮点” 湍流大气对雷达波的反射率: L0是湍流外尺度；M是水平折射率的垂直梯度；a为一无量纲常数,大气的镜式反射,当大气中折射率水平分布比较均匀，而垂直方向存在很大梯度结构时，会引起雷达波的反射，这种反射称为费涅尔反射，也称作部分反射或镜式反射 对于两侧具有一定差值的过渡层而言，层越薄，或者波长越长，反射系数也就越大,3.5 气象目标的雷达方程,接收功率 ： 分贝表示反射率因子：
7、,3.6 设计所要考虑的其他因素,影响气象雷达回波探测的因素： 衰减 距离-速度模糊度 地杂波,标准大气衰减,水汽主要的吸收带，水汽对雷达波的衰减还与水气密度、气压、温度等大致有如下关系：,氧气对雷达波的吸收,云的衰减,雨的衰减,雹、雾的衰减,雹的衰减： 雹的衰减是雨的l，雪的衰减也很小，表面溶化的冰情况不一样 雾的衰减,距离-速度模糊,最大不模糊距离： Rmax=C/(2*PRF) C为光速，PRF为脉冲重复频率 最大不模糊速度： Vmax=*PRF/4 为波长，PRF为脉冲重复频率 多普勒两难（Doppler Dilemma）：,不同波长的最大测速、测距,地杂波的影响,低仰角地物等目标反射
8、 电磁波在大气中的折射造成地物等目标反射 超折射造成地物等目标反射 干扰正常探测和判断,电磁波的反射,电磁波在大气中传播，若遇到大的物体，如山、建筑物、飞机和海浪等或大气结构发生突变(即存在大气折射率的突变层时)都会产生反射现象。反射现象也会造成回波，常见的有地物回波、海浪回波及窄带回波等。,电磁波在大气中的折射,n(h)：高度h上的大气折射指数 T(h)、P(h)、Pw(h)分别为这一高 度上的气温、气压和水汽压,等效地球半径,负 无 标 临 超,标准大气折射,在标准大气情况下， 为实际地球半径的4/3倍。 此时， 波束路径向下弯曲，这种折射称标准大气折射，亦称为正常折射。 在标准大气折射时
9、，曲率半径为25000km，约4倍于地球的半径。 标准大气折射时可能使最大探测距离增大了16。,临界折射,当波束路径的曲率与地球表面的曲率相同时，即波束传播路径与地表面平行，则称为临界折射。 等效地球半径,超折射,当波束路径的曲率大于地球表面的曲率时，即雷达波束在传播过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传播，然后，再弯曲到地面，再经地面反射，重复多次，雷达波束在地面和某层大气之间，依靠地面的反射向前传播，与波导管中的微波传播相似，故称大气波导传播，又称超折射。 等效地球半径,超折射形成的气象条件,超折射是因为大气中折射指数n随高度迅速减小造成。折射指数随高度迅速减小，必须是气温向上递增，同时
10、水汽压向上迅速递减，也就是常说暖干盖的大气层结。因此有人把早上雷达探测到超折射回波，作为午后可能发生强对流天气或晴天两种截然不同天气的一个指标,无折射,如果雷达波束沿直线传播，无折射现象，又可称为零折射。这时K=0，Rm=Re，大气是均质的。在一般情况下，大气不会出现这种情况,负折射,如果雷达波束不是向下弯曲，而是向上弯曲，出现这种折射时，称为负折射。这时的K0，等效地球半径实际的地球半径。这种折射现象在大气中有时可能出现。当暖湿气流沿冷锋面上爬时，可能造成，即(干绝热递减率)时，可使K0。 这时，正常折射时能观测到的目标观测不到了。,3.7 多普勒天气雷达 系统参数的选择,工作波长（频率及稳
11、定度速度分辨率） 脉冲重复频率速度、距离模糊 发射脉冲频谱（宽度距离分辨率、形状） 天线波瓣宽度角分辨率 极化方式,工作波长,工作频率fC： fC =c/ 1、主要考虑对降水物的反射率及衰减（穿透） 特性，其次是天线尺寸。 2、通常使用3个波段： S波段10cm：反射率低、衰减小、天线大； C波段5cm：折衷； X波段3cm：反射率高、衰减大、天线小。 3、有时也考虑多普勒频移的灵敏度。,多普勒频移 vs 径向速度/波长,频率稳定度,频率稳定度：f/f 长期频率稳定度： 几小时/天/月/年，公共频率源系统， 如卫星。 短期频率稳定度： 小于1S时间内的f/f，雷达中要求 f/f=10-910-
12、12。,速度分辨率,速度分辨率： 频率不定度造成的速度不可分辨范围 测速分辨率 vs 频率稳定度,脉冲重复频率,脉冲重复频率： PRF=1/T 距离模糊：距离超过Rmax=C/(2*PRF)的目标回波与下一周期近程回波混叠。 速度模糊：速度超过Vmax=*PRF/4的目标回波与低速目标回波有相同的测速值（速度不可分混叠）。 两难：,选用适当退模糊措施/算法,选用适当退模糊算法可减缓两难困境： 参差脉冲重复频率法：PRF1、PRF2 软件法：在脉冲多普勒雷达课程中讲述。,发射脉冲频谱,发射脉冲频谱与下面二者相关： 发射脉冲宽度距离分辨率：c /2 = R 发射脉冲形状： 矩形：谐波强，对发射机要
13、求高 高斯：谐波少，发射机效率低 升余弦：谐波少，发射机效率高 雷达发射/脉冲功率（峰值功率）：数百KW 提高峰值功率和提高灵敏度等价，但前者成本和难度更大。,天线波瓣宽度,天线波瓣宽度：反映雷达探测的角度分辨率这会影响强度/速度的测量精度，一般在0.8o 3.0o之间。 与波长、天线尺寸、天线类型有关 有旁瓣影响,极化方式,线极化： 单极化：一般采用水平极化。 双极化： 水平极化+ 垂直极化， 有周期轮换方式和并行方式等。 椭圆极化： 国外试验效果不理想 双极化多普勒雷达： 除具有多普勒雷达的测速功能外还能准确测量降雨，并可判断冰雹。,3.8 信号处理精度 及处理器实现考虑,相位测量 相位抖动镜频 速度估值：平均速度：m/S 速度谱宽：m/S 强度测量 幅度失衡镜频 强度估值：反射率（因子）/dBz 精度自学,NEXT,进入,进入,强度估值,1、干扰抑制（地物/超折射杂波处理） 2、距离订正 3、积分平滑：距离积分 + 脉冲积分 4、衰减订正 5、雷达常数订正 反射率（因子）/dBz,3.9 应用考虑,3.9 应用考虑,气象雷达用于测量： 后向散射功率 和 径向速度参数 降雨测量： 反射率因子与降雨率（Z-R）经验关系： a和b为拟合系数 强暴风雪报警：超短期/即时预报 微爆现象 ：航空躲避,NEXT,
