气象雷达

气象雷达
专门用于大气探测的雷达
01 基本概况
03 组成 05 种类划分
目录
02 发展简史 04 工作原理 06 作用
气象雷达,是专门用于大气探测的雷达。属于主动式微波大气遥感设备。与无线电探空仪配套使用的高空风测 风雷达，只是一种对位移气球定位的专门设备，一般不算作此类雷达。气象雷达是用于警戒和预报中、小尺度天 气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一。常规雷达装置大体上由定向天线、发射机、接收机、天线控 制器、显示器和照相装置、电子计算机和图象传输等部分组成。气象雷达是气象监测的重要手段，在突发性、灾 害性的监测、预报和警报中具有极为重要的作用，
70年代，除联合使用多部多普勒雷达外，又相继发展了大功率高灵敏度的甚高频和超高频多普勒雷达和具有 多普勒性能的高分辨率调频连续波雷达；在雷达结构上，广泛采用了集成电路，配备有小型或微型电子计算机， 使气象雷达能对探测资料进行实时数字处理和数字化远距离传输；有的天气雷达已能按照预先编好的程序，由电 子计算机操纵观测，并逐步向自动化观测的方向发展。
3.1距离测定
气象雷达发射的电磁波是以光速c在空中向前传播，通过测量所接收到的目标回波信号与发射脉冲之间的时间 间隔t，可以算出目标相对于飞机的距离L =ct/2。它的距离分辨力决定于脉冲的宽度，要提高区分近距离目标的 能力，必须使用较窄的脉冲宽度。
3.2方位测定
它是通过测定雷达天线波束轴的瞬时方位来确定目标方位的。雷达天线所形成的辐射波束是宽度很窄的圆锥 形波束，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，把该信号的位置传输给显示器，使回 波图像显示在显示器的相应方位，就可以确定目标的实际方位。雷达的方位分辨能力取决于天线水平面内的波束 宽度，天线波束在水平面内的宽度越窄，其方位分辨力越好，为保障良好的方位分辨力，采用平板缝隙天线阵。
发展简史
气象雷达属于雷达领域中的一个重要分支,其发展至今大致经历了从模拟、数字到以美国NEXRAD为代表的新 一代气象雷达三个发展阶段。
第二次世界大战前雷达用于军事目的。当时云、雨等气象目标的回波被作为干扰看待。1941年在英国最早使 用雷达探测风暴。1942～1943年，美国麻省理工学院专门设计了为气象目的使用的雷达。在气象雷达发展初期， 一般都靠手工操作，回波资料只能作定性分析。60年代采用了多普勒技术，气象多普勒雷达具有对大气流场结构 的定量探测能力；常规雷达的数字显示和彩色显示也相继出现。
测雨雷达。又称天气雷达，是利用雨滴、云状滴、冰晶、雪花等对电磁波的散射作用来探测大气中的降水或 云中大滴的浓度、分布、移动和演变，了解天气系统的结构和特征。测雨雷达能探测台风、局部地区强风暴、冰 雹、暴雨和强对流云体等，并能监视天气的变化。
测风雷达。用来探测高空不同大气层的水平风向、风速以及气压、温度、湿度等气象要素。测风雷达的探测 方式一般都是利用跟踪挂在气球上的反射靶或应答器，不断对气球进行定位。根据气球单位时间内的位移，就能 定出不同大气层水平风向和风速。在气球上同时挂有探空仪，遥测高空的气压、温度和湿度。
基本概况
气象雷达
工作在30～3000兆赫频段的气象多普勒雷达。一般具有很高的探测灵敏度。因探测高度范围可达1～100公里， 所以又称为中层-平流层-对流层雷达 (MST radar)。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度（见 大气静力稳定度）等大气动力学参数的铅直分布。
气象雷达气象雷达使用的无线电波长范围很宽，从1厘米到1000厘米。它们常被划分成不同的波段,以表示雷 达的主要功能。气象雷达常用的1、3、5、10和 20厘米波长各对应于 K波段（波长0.75～2.4厘米）、X波段 （波长 2.4～3.75厘米）、C波段（波长3.75～7.5厘米）、S波段（波长7.5～15厘米）和 L波段（波长15～30 厘米），超高频和甚高频雷达的波长范围分别为10～100厘米和100～1000厘米。雷达探测大气目标的性能和其工 作波长密切有关。把云雨粒子对无线电波的散射和吸收结合起来考虑，各种波段只有一定的适用范围。常用K波段 雷达探测各种不产生降水的云，用X、C和S波段雷达探测降水,其中S波段最适用于探测暴雨和冰雹，用高灵敏度 的超高频和甚高频雷达可以探测对流层－平流层-中层的晴空流场。
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80年代以后，在多普勒雷达的基础上，科罗拉多州立大学电子工程系的教授提出了偏振气象雷达的思想，为 大气雷达探测，已经气象资料分析提供了一个更为先进的平台。偏振多普勒雷达参数为分析雨滴等降水信息分布， 以及降雨形状分布提供了更为精确的信息。科罗拉多州立大学的CSU-CHILL雷达也是世界上该领域最为先进的天 气雷达，CSU-CHILL是美国国家天气雷达设备，由NSF提供资金，科罗拉多州立大学负责。
飞机的气象雷达信息一般都显示在EFIS而不再用单独的雷达显示器。除可显示目标的强度及位置信息外，还 可以显示各种文字信息、辅助信息及系统状态等。用不同的颜色直观的表示出气象信息的强弱，以极坐标的方式 表示出探测的目标的距离及方位，通过距离标志圈可读出其数值。
天线主要作用是辐射和接收回波，同时还要进行方位扫略与俯仰、倾斜稳定，气象雷达天线组安装于飞机前 端的雷达罩内，天线的方向性越强，雷达的作用距离越远，测向精度和分辨率也越高。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。
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。
作用
气象雷达主要用于探测气象状况以及变化趋势，已广泛应用于天气预报以及农业、水文、林业、交通、能源、 海洋、航空、航天、国防、建筑、旅游、医疗等领域的专业气象服务。 它是人们为防范气象风险，保障飞行安 全而研制的航空电子产品。它是利用电磁波经过天线辐射后遇到障碍物被反射回来的原理，目标的导电系数越高， 反射面越大，则回波越强。它能够在飞行中连续地向飞行员提供航路前方及其两侧的气象状况，此外还提供飞机 前方地表特征的地图型显示，飞行员可据此选择安全的航线，避绕危险的气象区域或其它障碍物，识别地标以及 判断飞机的位置。
工作原理
气象雷达是通过目标对雷达波的反射来确定目标的位置和特性的。物体导电性好，对雷达波的反射能力越强， 反射面积越大，反射能量越高，物体的几何尺寸与波长相差很大时反射的能量变得非常微弱，而当反射面的直径 可与波长相比拟时，反射回来的能量会明显升高。常用的雷达一般工作频率为200~MHz，这主要取决于雷达的用 途和性能，而且必须在国际电信联盟所指定的频段内，航空公司一般选用X波段的机载气象雷达。
种类划分
凡是不具有多普勒性能的雷达称为非相干雷达或常规气象雷达，具有多普勒性能的雷达称为相干雷达或多普 勒雷达。
主要气象雷达有：
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。工作原理和测雨雷达相同，主要用来探测云顶、云底的高度。如空中出现多层云时，还能测出各层的 高度。由于云粒子比降水粒子小，测云雷达的工作波长较短。测云雷达只能探测云比较少的高层云和中层云。对 于含水量较大的低层云,如积雨云、冰雹等,测云雷达的波束难以穿透，因而只能用测雨雷达探测。
组成
控制面板、显示器、天线和收发机构成了气象雷达主要部件。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建提供，也可由惯性基准系统提供。
在控制面板上可以选择雷达的工作方式，显示距离范围，扫描区域，设置增益等各项功能。俯仰角控制开关 可调节天线在±15°内的俯仰变化，以便天线在适当的角度进行扫描。增益控制开关可以调节接收器的灵敏度， 接收器的自动(CAL位)灵敏度因雷达系统的不同而不同。稳定控制开关用于控制天线的稳定性，当飞机有俯仰、 倾斜动作时，通过R/T提供的补偿信号控制天线，使其保持在选定的俯仰位置。识别控制开关是为了消除地面的 杂波，使得对目标的探测更为准确。