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1、论文（设计）题目：学生姓名学 号专 业 电子信息工程一班年 级 摘要 :本文从气彖雷达的作用，分类和特点三方而先总体概述了气彖雷达的一 些基本内容，再通过介绍儿种新型气象雷达来具体说明气象雷达的工作原理，应 用及其特点和未来发展趋势。关键字：雷达；气象雷达；应用SUMMARY： In this paper, the role of weather radar, classification and characteristics of the three first a general overview of some of the basic contents of the weather
2、radar, and through theintroduction of several new weather radar weather radar to specify the working principle,applications and their characteristics and future trends.Keywords： radar, weather radar, applications目录引言11. 气象雷达的概述12. 气象雷达的分类12.1按雷达工作频率（波长）及对应功能分类12.2按不同的用途分类12.3按不同的体制分类12.4按不同的工作原理分类13
3、. 气象雷达的特点23. 1是雷达家族中的_个重要成员23. 2几乎不受天气条件的影响23.3具有极大的工作半径23.4坐标精度高23. 5可同时观测多个目标24. 各种气象雷达的介绍24. 1脉冲多普勒气象雷达24. 2双偏振气象雷达24. 3双波长气象雷达34.4多参数气象雷达34.5双/多基地天气雷达44. 6机载天气雷达44. 7相控阵天气雷达4总结与展望5参考文献5引言：气象雷达是探测降水系统的主要工具，是对暴雨、胞线、冰雹和龙卷等强 对流天气进行监测和预警的强冇力工具Z-O通过分析雷达接收到的降水系统 回波的特征，不仅能反演降水回波的位置、范围、强度和高度，确定降水的性 质，以及其
4、影响的程度和影响的地区，还能够随时对所发现的气象目标进行观 测和跟踪。同吋，雷达观测述具有很高的空间和吋间分辨率。自20世纪70年 代以来，我国便开始了对天气雷达的研究和应用。也因此对中小尺度天气的探 测和研究取得了重大突破一一建立了三维空间大气结构的准实时变化系统，这 一系统的建立标志着短时临近预报进入了一个新的阶段。建设新一代天气雷达 系统业务网是我国天气雷达发展的重头戏。该系统的建设是我国20世纪末至 21世纪初的一项跨世纪的气象现代化工程。新一代天气雷达系统主要应用于对 灾害性天气，特别是与风害和冰雹相伴随的灾害性天气的监测和预警。我国气 彖领域目前的研究重点还在丁对新型雷达技术的研究
5、，其中包括激光雷达、偏 振雷达、毫米波雷达以及相控阵天气雷达。目前，国内这四种雷达已经在科研 阶段取得了一定的成果，并在积极地向应用化研究和业务化发展的方向转变。、气象雷达的概述气象雷达用于探测气象要素和各种天气现象。为天气预报、火箭、导弹和航 天器的发射与飞行提供必要的气象资料；可提供飞机前方气象情况的准确和连续 的图像并以距离和方位的形式显示出來，为飞机改变航道、避开颠簸区域和飞行 安全提供保障；为机场气象保障和气象研究提供资料。二、气象雷达的分类2.1按雷达工作频率（波长）及对应功能分类：2. 1. 1用X （波长2. 43. 75厘米）、C （波长3. 757. 5厘米）和S （波长7
6、. 5 15厘米）波段雷达探测降水，其中S波段最适用于探测暴阳和冰雹，K （波 长0. 752. 4厘米）波段雷达探测各种不产生降水的云。2.1.2用高灵敏度的超高频和甚高频雷达可以探测对流层一平流层-中层的晴空 流场。2. 2按用途分：测风、测雨雷达、测云雷达、特种气象雷达。2. 3按体制分：脉冲雷达、调频雷达、多普勒雷达、脉冲压缩雷达、噪声雷达。2. 4按工作原理分：常规天气雷达、多普勒雷达、双波长雷达、偏振雷达、双基 地雷达。三、气象雷达的特点3.1是雷达家族中的一个重要成员，它所探测的对象是覆盖整个地球的大气。3. 2几乎不受季节、昼仅和天气条件的影响，能全天时、全天候工作。3. 3采
7、用大功率发射机、高增益天线、高灵敏接收机，可大大增加雷达威力，探 测数千千米以外的目标。汕头气象雷达探测最大半径达460公里。3. 4现代机电一体化和数据处理技术可使雷达测定目标的坐标精确度很高，能口 动搜索和跟踪目标。3. 5可同吋观测多个口标。U!各种气象雷达的介绍4. 1脉冲多普勒气象雷达：当机载雷达发射机以一特定频率发射高频能量脉冲吋，在同一距离门内接收 的不同径向速度目标冋波有不同的多普勒频移。因此，脉冲多普勒雷达具有精确 测速和速度分辨能力。发射的脉冲信号谱由载频齐和边频f.nft，上的若干条离 散谱线组成，是发射脉冲重复频率，刀为整数。频谱的包络由发射脉冲形状决 定。通常采用矩形
8、脉冲，其频谱包络为sin%/%o接收站要从主波束杂波、垂线杂波和旁瓣杂波的杂波谱背景中分离出有用口标的 谱线。接收机中设有多个并联的距离门，每一距离门对应一个距离单元和相应的 一条距离通道。每一距离通道中有一个单边带滤波器，通过滤波器后的频谱再经 过窄带滤波器组取出所需运动目标回波的一根谱线。这样脉冲多普勒雷达不仅冇 测量和分辨距离的能力，而且述具有测量和分辨速度的能力。多普勒气彖雷达的应用：4.1.1探测降水区中气流的垂直速度平均值天线垂直指向天顶的多普勒天气雷达，可以测量降水粒了的平均多普勒速度 曲于多普勒速度V是降水粒子降落末速度和气流的垂直速度之和，所以，若已知 降水粒子在静止大气中的
9、降落速度，即可确定气流的垂直速度。4. 1.2雨滴谱的测量不同大小的降水粒子具冇不同的降落末速度，产生的回波功率也不同。利用 垂直指向的多普勒天气雷达可以测定回波信号的多普勒谱。若已知气流的垂直速 度，则曲多普勒速度减去垂直速度，可以得到回波随降水粒子末速度的分布。4. 1.3湍流的估计多普勒谱的宽度是由下列四个因素决定的：降水粒子的末速度、空气的湍流 谱、波束截而上风速的垂直切变、波束宽度的影响。总的谱宽方差是上述四个因 素产生的方弟Z和。因此，当多普勒雷达的波束宽度小于1，并进行垂直指向 探测时，总的方差就由降水粒子末速度的散布和被测体积中小尺度的空气湍流的 垂直分量所引起。若确定了第一个
10、因子，则测定了总的方差，就可以推出空气的 湍流情况。4. 2双偏振气象雷达偏振又叫极化，它是指电磁波的电场或磁场的方向。偏振分为线性偏振，I员I 和椭圆偏振。线性偏振是指屯场矢量终端的轨迹沿着一条直线运动，它具冇磁场 电场大小随吋间方向变化，电场矢量或磁场矢量终端的轨迹为一条直线等性质。 线偏振乂分为水平线偏振和垂直线偏振。雷达发射的电磁波在大气中传播，遇到气溶胶粒子时，产生后向散射，雷达 接收后向散射回波。影响散射波和极化的主要因素有：降水粒了的形状、尺寸、 轴长、入射屯场与粒子指向的夹角、材料的介电常数等。双偏振天气雷达就是利 用不同的粒子对不同极化回波的影响不同来估算降水粒子的形状、尺寸
11、、指向角 等特征，来实现对降水进行分类与识别的。I员I偏振雷达，主要用丁识别冰筍:云的研究。直径2cm的冰锤大都是非球形的, 因此利用圆偏振技术口J以很好地区分云内大冰檯区。也可用于云中气流的传输和 扩散研究，在云中播洒铝箔条，由雷达观测其传输路径和扩散变化。这对空气污 染、沙尘暴和人工影响天气的研究工作很有帮助。另外，它还被成功地用于雷暴、 云的起电机制、风切变、龙卷风、人工增雨、气溶胶在对流云中的传输等研究方 面。4. 3双波长气象雷达降水粒子的后向散射截面与雷达波长有关。如果同-粒子对两种不同波长的 反射率的比值随粒子大小而改变，就可以用不同波长的雷达的测量结果来推测被 测粒子的大小。雹
12、云对两种波长的等效反射因了 Zc的比值的变化关系。右图表明，等效反 射因子Ze的比值随冰雹最大直径的变化而变化，因此，可由两种波长的等效反 射因子Ze的比值判断云内是否存在直径大于1厘米的大冰雹。双波长天气雷达的基本原理是建立在测量两种波长在相同空间的等效反射 因子的基础上，因此，对工作在两种不同波长上的雷达的波束形状、波束宽度、 波束的同轴性和定距性能的一致性提出了严格的要求，对回波强度的定量测量性 能也提出了很高的要求。用双波长原理來探测冰雹云的更可靠的方法还冇待于进 一步的研究。此外，因为双波长原理使用了两种不同的波长，因此冋波信号必然包含了更 多的与散射粒子特性相联系的信息，如何从这些
13、信息中合理地捉取反映重要特性 的资料，也是需要继续深入研究的。4. 4多参数气象雷达多普勒天气雷达为气象探测提供了许多有用气象口标的信息，多参数雷达通 过极化分集和多波长分集技术提供了冰雹检测和其它信息，如云和降水目标的尺 寸、相态和类型的方法。通常超短波长的雷达用來探测新生成的发展云，而长波长的雷达用来研究大的风 暴，研究者们通常需要一种同时拥有上述功能的应用很广的雷达，多参数天气雷 达则具有这方面的能力。多参数天气雷达集全相参、极化分集、波段分集技术于一体，设备的复杂程度较 高，在美国NCAR （国家气象研究中心）就架设了一部S波段和X波段极化分集 的多普勒雷达。这套系统口J以同吋测量两种
14、波段的反射率因子及单波段（S波段） 的多普勒参数，两种波段下的极化分集测量。多普勒测量和极化分集测量与单多普勒雷达和极化分集雷达相同，波段分集 技术则是利用不同波段电磁波对不同粒子的后向散射回波效应不同作为识别目 标的依据。卜面以此为重点介绍波段分集技术的主要原理。波段分集技术作目标识别的原理是，利用不同波长的电磁波同时测量粒子的 等效反射率因子，不同的降水粒子对此的后向散射截面不同，其回波信号中包含 能够反映冰雹粒子的分布尺寸和相态信息。但这种测量方法还受南衰减影响。在 强对流天气中观测，两种不同波段的雨衰减差达10分贝，这会影响反射率差的 测量，因此衰减的订止是不可缺少的。多波段雷达还利用
15、回波的衰减差异来对H 标的回波进行分析。除了进行冰雹粒子的识别外，利用多波长技术还可以进行降雨主率、降雨量 和滴谱的估算。其主要原理与上述方法相似，两种波长下接收冋波的功率的对数 比的变化主要取决于平均衰减率的大小，当选择一种波长与另一种波长相比可忽 略的时候，衰减率、反射率因了与降雨率R、降水量M以及滴谱N（D）Z间存在 某种假设或经验公式，利用这些关系进行估算。多波长技术主要受雨衰减影响，除此外还涉及两种波长波朿一致性问题、衰 减差问题及测量的不同时性问题。多参数天气雷达汇集了多波长技术、极化分集技术和多普勒技术，充分利用各种 技术和长处，准确识别降水类型和降水估算。4. 5双/多基地天气雷达双基地雷达是世界上最早出现的军用雷达。1936年，美国海军实验所发明了 天线收发开关之后，才有了单基雷达。1950年以后的冷战年代，促使双多基地 雷达系统又获得发展。主要应用有：从70年代开始研制多基的无源空中监视系 统和有源一一无源空中防御系统。美国NCAR在1993年进行了双基雷达应用于风 场测量的实验，获得成功并推广这一成果。利用单-部多普勒天气雷达也能进行三维风场的反演，但要求对风场的特性作 很强的假设。利用多部多普勒天气雷达布阵也能测出三维风场矢量，但价格过于 昂贵。而对双/多基地多普勒天气雷达来说，由于被动接收站不含昂贵的发射机、 天线转动机构和控制部分，所
