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1、气象雷达与卫星探测信息与控制学院2024/7/23主要内容主要内容气象雷达气象雷达主要主要内容内容卫星探测卫星探测2024/7/23气象雷达气象雷达（1）雷达发展概况）雷达发展概况（2）雷达工作的基本原理）雷达工作的基本原理（3）雷达工作的基本频率）雷达工作的基本频率（4）雷达的用途及其分类）雷达的用途及其分类（5）气象雷达基本原理与概念）气象雷达基本原理与概念 （6）多普勒天气雷达）多普勒天气雷达气象气象雷达雷达2024/7/231 雷达雷达发展史展史v起步阶段起步阶段 （1）1903-1904，克里斯琴，克里斯琴 赫赫尔斯斯迈耶研制出原始的船用防撞雷达并耶研制出原始的船用防撞雷达并获得得专
2、利利权。 （2）1935年，雷达之父沃森年，雷达之父沃森 瓦特瓦特出版出版采用无采用无线电方法探方法探测飞机机，当年研制出探当年研制出探测距离达到距离达到80公里的公里的米波防控雷达。米波防控雷达。 （3）二）二战期期间雷达大放异彩。逐步雷达大放异彩。逐步由由军用用民用，雷达在气象中的民用，雷达在气象中的应用从天气雷达开始。用从天气雷达开始。沃森瓦特2024/7/231 雷达雷达发展史展史v发展阶段发展阶段 （1）二）二战后，雷达技后，雷达技术获得了巨大的得了巨大的发展，主要原展，主要原因因归于两个非常重要的器件于两个非常重要的器件发明：明：T/R（收（收/发）开关）开关和磁控管。和磁控管。
3、（2）收）收发开关使雷达的探开关使雷达的探测成功地从双（多）基成功地从双（多）基变成成单基雷达。也就是从基雷达。也就是从发分分别用一个天用一个天线，到共用，到共用一个天一个天线。大大。大大简化了雷达系化了雷达系统。 （3）磁控管的出）磁控管的出现使雷达的探使雷达的探测功率大大提高，从功率大大提高，从而大大提高了雷达的探而大大提高了雷达的探测能力。能力。2024/7/231 雷达雷达发展史展史v成熟阶段成熟阶段 20世世纪60年年代代以以来来，航航空空、航航天天技技术、飞机机、导弹、人人造造卫星星、宇宇宙宙飞船船等等对雷雷达达提提出出了了高高精精度度、远距距离离、高分辨率及多目高分辨率及多目标测
4、量等要求。量等要求。 （1）技技术上上：脉脉冲冲压缩技技术、单脉脉冲冲雷雷达达、相相控控阵雷雷达、目达、目标识别、目、目标成像、成像、SAR、脉冲多普勒雷达。、脉冲多普勒雷达。 （2）结构工构工艺上：微波高功率放大管，如速上：微波高功率放大管，如速调管。管。 （3）雷雷达达的的工工作作波波长：从从短短波波扩展展至至毫毫米米波波、红外外线和和紫紫外外线领域域。在在这个个时期期，微微波波全全息息雷雷达达、毫毫米米波波雷雷达、激光雷达和超达、激光雷达和超视距雷达相距雷达相继出出现。2024/7/232 雷达工作基本原理雷达工作基本原理v雷达：无线电探测和测距，即用无线电方法发现雷达：无线电探测和测距
5、，即用无线电方法发现目标并测定他们在空间的位置。目标并测定他们在空间的位置。2024/7/233 雷达工作的基本频率雷达工作的基本频率2024/7/233 雷达工作的基本频率雷达工作的基本频率2024/7/234 雷达的用途及分雷达的用途及分类v军用军用p预警雷达（警雷达（发现洲际导弹，尽早地发出预警警报）发现洲际导弹，尽早地发出预警警报）p搜索和警戒雷达（发现飞机）搜索和警戒雷达（发现飞机）p引导指挥雷达（歼击机的引导和指挥作战）引导指挥雷达（歼击机的引导和指挥作战）p火控雷达（控制火炮或导弹对空中目标进行瞄准）火控雷达（控制火炮或导弹对空中目标进行瞄准）p战场监视雷达（坦克或军车）战场监视
6、雷达（坦克或军车）p机载雷达机载雷达俄制舰载型的“美洲狮”火控雷达 F-35机载雷达 2024/7/234 雷达的用途及分雷达的用途及分类v民用民用p气象雷达气象雷达p航空管制雷达等航空管制雷达等2024/7/234-1 气象雷达分气象雷达分类v按工作原理分类按工作原理分类p常规天气雷达；常规天气雷达；p多普勒雷达多普勒雷达p双波长雷达双波长雷达p双偏振雷达双偏振雷达p双（多）基地雷达双（多）基地雷达v按用途分类，测风、测雨、测云等按用途分类，测风、测雨、测云等v按体制分类，脉冲、调频、多普勒等按体制分类，脉冲、调频、多普勒等2024/7/234-1 气象雷达分气象雷达分类v常规天气雷达常规天
7、气雷达其探测对象主要是降水和含水量较大的云体。这类雷达大多工作在波长为310cm之间的微波波段。它主要由发射机、接收机、显示器和天线系统组成。有的雷达还配备有数据处理系统，以实现彩色回波图象显示，回波外推预报，和回波资料远距离传送等功能。天气雷达对雨区的有效探测半径为 300400km。由于探测范围广，不受时间限制，并能提供一定精度的定量数据等优点，已成为临近天气预报的主要工具。 2024/7/234-1 气象雷达分气象雷达分类v多普勒天气雷达多普勒天气雷达2024/7/234-1 气象雷达分气象雷达分类v双波长雷达双波长雷达同时在两个不同波长上发射和接收电磁波的雷达 2024/7/234-1
8、 气象雷达分气象雷达分类v双偏振雷达双偏振雷达我国首台多普勒偏振天气雷达既能发射和接收水平偏振波又能发射和接收垂直偏振波的雷达。 2024/7/234-1 气象雷达分气象雷达分类v双地基雷达双地基雷达美国海基X波段雷达在进行依靠自身动力航行 一般的雷达是单基地的，即发射机和接收机安装在一起，且通常共用一个天线。而双基地或多基地雷达是将发射机和接收机分别安装在相距很远的两个或多个站址上。它能有效地捕捉雷达反射波，借助高速计算机标绘出隐形战机飞过时留下的航迹，并预测之后的航向。 2024/7/234-2 气象雷达的气象雷达的发展展v20世纪世纪40年代年代萌芽阶段，主要观测回波的形状、移动速度、描
9、述回波的形成发展。v20世纪世纪50-60年代年代定量分析阶段，这一阶段也是常规雷达的发展时期，主要用来分析回波的降水强度和雷达反射率之间的定量关系。v20世纪世纪70-80年代年代雷达的数字化发展时期，将数字技术和计算机技术大量的应用气象雷达。v20世纪世纪80年代后年代后新一代天气雷达的发展时期，多普勒雷达、双波长雷达、偏振雷达、风廓线雷达等一大批新型雷达被用于气象探测。2024/7/234-3 我国天气雷达我国天气雷达发展展v我我国国天天气气雷雷达达发发展展大大致致经经历历了了从从模模拟拟天天气气雷雷达达、数数字字化化天天气气雷雷达达到到多多普普勒勒天天气气雷雷达达的的三三个个发发展展阶
10、段。阶段。v未来：双极化、相控阵、多地基雷达。未来：双极化、相控阵、多地基雷达。2024/7/234-4 我国新一代天气雷达布点我国新一代天气雷达布点2024/7/235 气象雷达基本原理和概念气象雷达基本原理和概念2024/7/235 气象雷达气象雷达基本原理和概念基本原理和概念v气象雷达工作原理气象雷达工作原理 气气象象雷雷达达通通过过方方向向性性很很强强的的天天线线向向空空间间发发射射脉脉冲冲无无线线电电波波，它它在在传传播播过过程程中中和和大大气气发发生生各各种种相相互互作作用用。如如大大气气中中水水汽汽凝凝结结物物（云云、雾雾和和降降水水）对对雷雷达达发发射射波波的的散散射射和和吸吸
11、收收；非非球球形形粒粒子子对对圆圆极极化化波波散散射射产产生生的的退退极极化化作作用用，无无线线电电波波的的空空气气折折射射率率不不均均匀匀结结构构和和闪闪电电放放电电形形成成的的电电离离介介质质对对入入射射波波的的散散射射，稳稳定定层层结结大大气气对对入入射射波波的的部部分分反反射射；以以及及散散射射体体积积内内散散射射目目标标的的运运动动对入射波产生的多普勒效应等。对入射波产生的多普勒效应等。 2024/7/235 气象雷达气象雷达基本原理和概念基本原理和概念 气气象象雷雷达达回回波波不不仅仅可可以以确确定定探探测测目目标标的的空空间间位位置置、形形状状、尺尺度度、移移动动和和发发展展变变
12、化化等等宏宏观观特特性性，还还可可以以根根据据回回波波信信号号的的振振幅幅、相相位位、频频率率和和偏偏振振度度等等确确定定目目标标物物的的各各种种物物理理特特性性，例例如如云云中中含含水水量量、降降水水强强度度、风风场场、铅铅直直气气流流速速度度、大大气气湍湍流流、降降水水粒粒子子谱谱、云云和和降降水水粒粒子子相相态态以以及及闪闪电电等等。此此外外，还还可可利利用用对对流流层层大大气气温温度度和和湿湿度度随随高高度度的的变变化化而而引引起起的的折折射射率率随随高高度度变变化化的的规规律律，由由探探测测得得到到的的对对流流层层中中温温度度和和湿湿度度的的铅铅直直分分布布求求出出折折射射率率的的铅
13、铅直直梯梯度度，并并通通过过分分析析无无线线电电波波传传播播的的条条件件，预预报报雷雷达达的的探探测测距距离离，也也可可根根据据雷雷达达探探测测距距离离的的异异常常现现象象（如如超超折折射射现现象象）推推断断大大气气温温度度和和湿湿度的层结度的层结。2024/7/236 多普勒天气雷达多普勒天气雷达v工作原理工作原理 多多普普勒勒天天气气雷雷达达的的工工作作原原理理即即以以多多普普勒勒效效应应为为基基础础，具具体体表表现现为为：当当降降水水粒粒子子相相对对雷雷达达发发射射波波束束相相对对运运动动时时，可可以以测测定定接接收收信信号号与与发发射射信信号号的的高高频频频频率率之之间间存存在在的的差
14、差异异，从从而而得得出出所所需需的的信信息息。运运用用这这种种原原理理，可可以以测测定定散散射射体体相相对对于于雷雷达达的的速速度度，在在一一定定条条件件下下反反演演出出大大气气风风场场、气气流流垂垂直直速速度度的的分分布布以以及及湍湍流流情情况况等等。这这对对研研究究降降水水的的形形成成，分分析析中中小小尺尺度度天天气气系系统统，警警戒戒强对流天气等具有重要意义。强对流天气等具有重要意义。 2024/7/236 多普勒天气雷达多普勒天气雷达v主要组成部分主要组成部分 （1）触触触触发发发发信信信信号号号号发发发发生生生生器器器器：触触发发信信号号发发生生器器(控控制制钟钟)是是整整个个雷雷达
15、达的的控控制制系系统统，它它周周期期性性地地产产生生一一个个脉脉冲冲式式的的触触发发信信号号，触触发发脉脉冲冲输输送送到到调调制制解解调调器器和和显显示示器器，指指挥挥它它们们开开始始工工作作。每每秒秒种种产产生生的的触触发发脉脉冲冲数数目目，称称为为脉脉冲冲重重复复频频率率，以以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表表示示。两两个个相相邻邻脉脉冲冲之之间间的的时时间间间间隔隔，称称为为脉脉冲冲重重复复周周期期，用用表表示示，它它等等于于脉脉冲冲重重复复频频率率的的倒倒数数。实实际际工工作作中中，可可用用公式计算脉冲重复周期的数值。公式计算脉冲重复周期的数值。 20
16、24/7/236 多普勒天气雷达多普勒天气雷达v主要组成部分主要组成部分 （2）调制解调器）调制解调器 （3）发发射射机机：在在调调制制脉脉冲冲的的作作用用下下，发发射射机机产产生生短短促促又又强强大大的的特特高高频频振振荡荡，经经天天线线向向空空间间发发射射出出去去，即即探探测测脉脉冲冲。发发射射机机的的主主要要技技术术参参数数有有波波长长（或或振振荡荡频频率率F）和和脉脉冲冲发发射射功功率率。波波长长：天天气气雷雷达达通通常常使使用用的的波波长长是是厘厘米米波波，划划分分为为K、X、C和和S四四个个波波段段，K波波段段的的雷雷达达是是用用来来探探测测非非降降水水的的云云，X、C和和S波波段
17、段用用于于探探测测降降水水。脉脉冲冲发发射射功功率率：是是指指天天线线实实际际发发射射的的峰峰值值功功率率，如如果果忽忽略略了了波波导导管管和和天天线线的的损损耗耗，则则脉脉冲冲发射功率将近似地等于发射机输出峰值功率。发射功率将近似地等于发射机输出峰值功率。 2024/7/236 多普勒天气雷达多普勒天气雷达v主要组成部分主要组成部分 （4）天线转换开关、波导管）天线转换开关、波导管 （5）天线）天线 （6）接收机和显示器）接收机和显示器 2024/7/236 多普勒天气雷达多普勒天气雷达北京南郊S波段天气雷达塔全貌 南郊S波段多普勒天气雷达产品图（回波强度） 2024/7/23卫星探星探测气
18、象卫星实质上是一个高悬在太空的高级自动气象卫星实质上是一个高悬在太空的高级自动气象站，是空间、遥感、计算机、通信和控制气象站，是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。可连续、快速、大面等高技术相结合的产物。可连续、快速、大面积地探测全球的大气变化情况。积地探测全球的大气变化情况。卫星卫星探测探测2024/7/231 总体概况体概况v空基全球观测系统空基全球观测系统2024/7/231 总体概况体概况2024/7/231 总体概况体概况2024/7/231 总体概况体概况2024/7/232 气象气象卫星分星分类 由由于于轨轨道道的的不不同同，可可分分为为两两大大类类，即即：太太阳
19、阳同同步步极极地地轨轨道道气气象象卫卫星星和和地地球球同同步步气气象象卫卫星星。前前者者由由于于卫卫星星是是逆逆地地球球自自转转方方向向与与太太阳阳同同步步，称称太太阳阳同同步步轨轨道道气气象象卫卫星星；后后者者是是与与地地球球保保持持同同步步运运行行，相相对对地地球球是是不不动动的的，称称作作静静止止轨轨道道气气象象卫卫星星，又又称称地地球球同同步步轨轨道道气气象象卫卫星星。在在气气象象预预测测过过程程中中非非常常重重要要的的卫卫星星云云图图的的拍拍摄摄也也有有两两种种形形式式：一一种种是是借借助助于于地地球球上上物物体体对对太太阳阳光光的的反反向向程程度度而而拍拍摄摄的的可可见见光光云云图图，只只限限于于白白天天工工作作；另另一一种种是是借借助助地地球球表表面面物物体体温温度度和和大大气气层层温温度度辐辐射射的的程程度度，形形成成红红外外云云图图，可可以以全全天天候候工工作作。气气象象卫卫星星具具有有： 1轨轨道道（低低和和高高轨轨两两种种）；2短短周周期期重重复复观观测测；3成成像像面面积积大大，有有利利于于获获得得宏宏观观同同步步信信息息，减减少少数数据据处处理理容容量量；4资资料料来来源源连连续续实实时时性性强强成成本本低，等特点。低，等特点。 2024/7/232024/7/23
