雷达气象讲座

1第章雷达气象讲座§1气象雷达概况在1904年，德国工程师Hűlsmeyer得到一个能检测由船舶反射无线电波的装置，1922年英国科学家马可尼Marconi制造了一个利用收发连续CW波的检测在雾中或恶劣天气条件下船舶的雷达，而雷达在第二次世界大战侦察敌情中发挥了重要作用。但是那时天气降水回波是作为干扰雷达探测空中飞行目标的对待，为此希望能消除这种干扰信号。然而获取降水分布是气象部门长期无法解决的难题，利用雷达能得到降水分布有重要价值，到二次世界大战后1946年，美国天气局得到25部退役的军用雷达，经改装建立天气雷达站，雷达技术引用到气象部门。至上世纪五十年代中期，开始建造专用于天气观测的雷达。至今已有60多年历史，目前约有1000部以上的天气雷达布设在全世界各地，用于监测强对流天气和洪水监测预报，是气象部门监测、预警突发灾害性天气的有效手段之一。随着近几年中国新一代天气雷达投入业务运行，我国短时临近天气预报水平上了一个新台阶，极大地满足了社会对冰雹、龙卷、突发强降水、台风等灾害性天气临近预警需求。2007年7月3日16时42分江苏省高邮市天山镇发生了龙卷风，南京新一代天气雷达从16时18分已监测到龙卷风可能发生的信息，并提前半小时左右发出预警服务。2006年8月10日温州新一代天气雷达对“桑美”台风成功进行了无缝隙监测和预警服务。现已建成的多普勒天气雷达预测强对流灾害性天气的短时预报准确率比原来至少提高3％～5％，时效能提前几十分钟到数小时，为政府各部门及人民群众采取准确、及时的防范措施提供了科学依据，每年减少经济损失上千亿元。新一代天气雷达除在灾害性天气预警预报、人工影响天气和云水资源利用发挥着越来越重要作用外，还在军事保障、防汛抗洪、航空安全保障、兵团与农垦的防灾减灾、林业生态建设与保护海洋环境等领域起着重要作用。随着我国自动气象站、雷达雨量校准站、乡镇雨量站大批量布设以及激光雷达、风廓线雷达、毫米波雷达等新型雷达投入业务使用，我国雷达资料应用开始向广度和深度发展，为精细化天气预报（准确、及时、定量、定点）提供了有力地支撑，我国天气雷达资料应用开始步入发达国家先进水平行列。雷达（RADAR）是利用目标物物对发射的电磁辐射反射，探测目标物方位和距离的无线电工具，又名为无线电定位，用于气象探测目的雷达称为气象雷达，目前在气象台站业务中的气象雷达主要是测降水分布，这种用于测量降水的雷达称为测雨雷达。一、气象雷达和类别主要的气象雷达有：①测云雷达。是用来探测未形成降水的云层高度、厚度以及云内物理特性的雷达。其常用的波长为1.25厘米或0.86厘米。②天气雷达。是用来探测降水的发生、发展和移动，并以此来警戒和跟踪降水天气系统的雷达。③圆极化雷达。一般的气象雷达发射的是水平极化波或垂直极化波，而圆极化雷达发射的是圆极化波。雷达发射圆极化波时，球形雨滴的回波将是向相反方向旋转的圆极化波，而2非球形大粒子（如冰雹）对圆极化波会引起退极化作用，利用非球形冰雹的退极化性质的回波特征，圆极化雷达可用来识别风暴中有无冰雹存在。④调频连续波雷达。它是一种探测边界层大气的雷达。有极高的距离分辨率和灵敏度，主要用来测定边界层晴空大气的波动、风和湍流（见大气边界层）。⑤气象多普勒雷达。利用多普勒效应来测量云和降水粒子相对于雷达的径向运动速度的雷达。⑥甚高频和超高频多普勒雷达。利用对流层、平流层大气折射率的不均匀结构和中层大气自由电子的散射，探测1～100公里高度晴空大气中的水平风廓线、铅直气流廓线、大气湍流参数、大气稳定层结和大气波动等的雷达。在研究试验的雷达中还有双波长雷达和机载多普勒雷达等。70年代以来，利用一个运动着的小天线来等效许多静止的小天线所合成的一个大天线的合成孔径雷达的新发展，必将加速机载多普勒雷达今后的发展进程。机载多普勒雷达的机动性很强，可以用来取得分辨率很高的对流风暴的多普勒速度分布图。目前用于业务气象观测的雷达主要有以下几种：1、天气雷达：天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波），它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播，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），在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等的特征。在雷达探测中，气象目标的空间位置是用雷达天线至目标物的直线距离R（亦称斜距），雷达天线的仰角和方位角来表示。斜距R可根据电磁波在大气中的传播速度C和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔来确定。电磁波在大气中传播速度是略小于它在真空中的传播速度，但对斜距精度影响不大，故近似用C来表示天气雷达多为脉冲雷达，它以一定的重复频率发射出持续时间很短（0.25～4微秒）的脉冲波,然后接收被降水粒子散射回来的回波脉冲。降水对雷达发射波的散射和吸收同雨滴谱、雨强、降水粒子的相态、冰晶粒子的形状和取向等特性有关（见云和降水粒子的微波散射、云和降水粒子的微波吸收）。因此，分析和判定降水回波，可以确定降水的各种宏观特性和微物理特性。在降水回波功率和降水强度之间已建立有各种理论和经验的关系式，利用这些关系，可以根据回波功率测定雷达探测范围内的降水强度分布和总降水量。2、脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达是利用多普勒效应制成的雷达。1842年，奥地利物理学家C·多普勒发现波源和观测者的相对运动会使观测到的频率发生变化，这种现象被称为多普勒效应。脉冲多普勒雷达于20世纪60年代研制成功并投入使用。20世纪70年代以来，随着大规模集成电路和数字处理技术的发展，脉冲多普勒雷达用于气象观测，对气象回波进行多普勒速度分辨，可获得不同高度大气层中各种空气湍流运动的分布情况。此外，这种雷达还广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面，成为重要的军事装备。装有脉冲多普勒雷达的预警飞机，已成为对付低空轰炸机和巡航导弹的有效军事装备。3、双偏振多普勒雷达：通过测量水平反射率、水平垂直反射率差、差分传播常数、零延迟和线性退极化比，反演出有关粒子形状、尺寸、指向角和介电常数等参数，实现对目标3特性的识别。可测量气象目标的强度、速度和极化信息，从而更准确地进行气象预报。该雷达适用于航空气象保障、气象科学研究和人工影响天气等不同领域。4、激光雷达：激光雷达用激光器作为发射光源，工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达。它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器。将紫外线脉冲发射到大气层，沿着它的轨迹，光被小颗粒散射开。空气中颗粒物越多，所反射的光越多。而反射到激光雷达系统的光被望远镜和敏感的检测器接收，激光雷达是激光技术与现代光电探测技术结合的先进探测方式。由发射系统、接收系统、信息处理等部分组成。发射系统是各种形式的激光器，如二氧化碳激光器、掺钕钇铝石榴石激光器、半导体激光器及波长可调谐的固体激光器以及光学扩束单元等组成；接收系统采用望远镜和各种形式的光电探测器，如光电倍增管、半导体光电二极管、雪崩光电二极管、红外和可见光多元探测器件等组合。激光雷达采用脉冲或连续波2种工作方式，探测方法按照探测的原理不同可以分为米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射、荧光、多普勒等激光雷达5、风廓线雷达：这是通过向高空发射不同方向的电磁波束，接收并处理这些电风廓线雷达基础上增加声发射装置构成无线电——声探测系统，可以遥感探测大气中温度的垂直廓线磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的信息进行高空风场探测的一种遥感设备。风廓线雷达利用多普勒效应能够探测其上空风向、风速等气象要素随高度的变化情况，具有探测时空分辨率高、自动化程度高等优点。在。风廓线雷达能够提供以风场为主的多种数据产品。其基本数据产品包括径向速度、谱宽、信噪比、水平风向、水平风速、垂直速度和反映大气湍流善的折射率结构常数Cn2等的廓线。6、雷达高度计：主要用于测量海面至卫星高度的微波遥感器7、散射计：一种用于测量目标表面（有时是体积）的散射或反射特性的有源微波遥感器。它不用于成像，对空间分辨率要求不高，但比成像雷达能更详细地观测目标的散射特性。各种物体对电磁波有不同的散射特性。散射特性与物体的复介电常数、表面粗糙度以及散射计工作频率、极化、入射角等有关。通过大量的理论和实验工作，确定这些参数之间的定量关系，求出表征物体性质的散射系数，可以分辨出不同性质的物体。雷达散射计常用来测量雷达目标随入射角变化的散射系数，和不同极化对散射系数的影响，用来观测海面、海浪，监视海面污染，探测土壤湿度和地面粗糙度。散射计的体制有连续波、脉冲、多普勒连续波和调频连续波。天线有扇形波束和锐波束二种，以适应机载和地面测8、合成孔径雷达：利用雷达与目标的相对运动把尺寸较小的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达，也称综合孔径雷达。合成孔径雷达的特点是分辨率高，能全天候工作，能有效地识别伪装和穿透掩盖物。所得到的高方位分辨力相当于一个大孔径天线所能提供的方位分辨力。§2几种重要气象雷达的工作原理一、测雨雷达的工作原理当测雨雷达发射的电磁波辐射遇到云中测量的水滴或冰晶时，水滴或冰晶要对入射的电磁波吸收和向四周散射，其中部分又重新返回到雷达天线，雷达测量到的是水滴或冰晶对雷达发射电磁辐射的后向散射辐射，也就是雷达降水回波，这种后向散射辐射越大，讯号越强，4回波强度Z也越大。雷在波强度取决于云中水滴的数目和水滴尺度，也就是云中的含量水量有关。当出现降水时，传统的雷达由天线、天线转换开关（用于发射讯号与接收讯号间转换）、触发信号发生器、发射机、接收机和显示器组成，为控制天线的转动还需求天线伺服系统。1天线：测雨雷达天线是用于发射探测电磁辐射脉冲和接收由云雨粒子对雷达发射电磁辐射的后向散射辐射，天线的作用是将由发射机发出的电磁波辐射集中为窄的波束，向某一方向发射，因此雷达天线具有强的方向性，由此可以确定目标的方向。为由雷达确定云雨粒子的方向和距离，也必须以与发射方向同一相反方向接收雷达发出的电磁波辐射，因此只有当雷达发出的电磁波辐射遇到云雨粒子时，雷达才能接收到返回的电磁波，这种返回的电磁波称为雷达回波。此时雷达发射和接收电磁波的方向就是云雨粒子目标的方向（方位和仰角）。(1)波束的宽度：天气雷达的天线具有很强的方向性，它所辐射的功率集中在波束所指的方向上，波束主轴附近能流密度大，波束的边缘能流密度小，能流密度的相对分布曲线，称为天线方向图，曲线上各点与坐标原点的连线长度，代表该方向相对能流密度大小。能流密度最大方向上的波瓣称为主波瓣，侧面和相反方向能流密度均小得多，分别称为旁瓣和尾瓣。在天线方向图上，两个半功率点方向的夹角，称为波束宽度。波束宽度越小，定向角度的分辨率越高，探测精度越高。天气雷达的波束宽度通常不超过2度，多普勒雷达的波束宽度一般不超过1度。波束宽度的大小取决于抛物面反射体的直径和雷达工作波长。（2）天线增益：在相同辐射功率条件下，在波束方向上定向天线的能流密度与各向均匀辐射的天线的能流密度之比，称为天线增益，以G表示，天线增益与天线波束宽度具有一定的关系。天线增益以分贝（dB）表示：分贝（dB）=10log（定向天线的能流密度）/（各向均匀辐散天线的能流密度）。2、天线转换天关：由于雷达只使用同一个天线发射和接收电磁波辐射，必须使用一个天线转换开关。交替发射和接收电磁波辐射讯号，在雷达发射期间，断开接收机通路，在雷5达接收期间又与发射通路断开，完成发射和接收电磁波辐射的任务。天线转换开关是将天线、发射机和接收机连接起来的一种装置。当天线和发射机接通时，发射机输出的特高频振荡脉冲电磁波顺利地到达天线，在这个时间内天线与接收机切断连通，电磁波不能进入接收机。在探测脉冲发射的间歇期，转换开关接通接收机，使天线接收到的回波信号能全部进入接收机。波导管是一种空心矩形金属管状导体，其内径大小随所携带信号的波长而异，脉冲信号经它传送到天线其损耗极小。3、触发讯号发生器：雷达发射的电磁波是由一个称之为雷达