多普勒天气雷达原理与应用6雷达探测算法(3)PPT课件
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雷达气象学课件：第八章多普勒天气雷达资料在天气预警预报中
对流云阵性降水包括阵雨、雷雨、冰雹、暴雨等 一般出现在快速移行锋面上、冷锋前暖区、气团内 部、副高边缘、台风外围等； 持续时间在十几到几十分钟，平均约20－30min （与单体的尺度大小有关）；
对流风暴云降水回波特征
PPI回波特征:
对流云降水回波呈块状、尺度小, 仅几公里--几十公里,内部结构密 实,边缘清晰。
典型多单体回波图
PPI
RHI
ABCD四个单体组成。A处于消亡阶段， 虽云体仍十分高大，但中心强度明显减 弱。B处于成熟阶段，云体强度较大、 开始降水；C处于发展阶段，云体强度 较弱、无降水产生；D处于初生阶段， 云体较小，强度较弱。
图中单体A,B,C,D,E,F排列成线状。 A的强中心结构比较散乱，处于消 散阶段；B的结构紧密、强度较强， 处于成熟阶段；C的强度处于发展 阶段；D,E,F的面积较小、强度较 弱，处于新生阶段。
多单体风暴云RHI强度、RHI速度回波图
图为一个刚刚发展的强多单 体风暴RHI图，由成熟、发 展、初生三个阶段的单体组 成，单体组织排列紧密，云 体发展旺盛。
RHI的速度图上可见风暴 云的上层和下层有明显 风切变。
超级单体风暴云特征
1、强垂直风切变环境条件中发展起来的强大中尺度系统， 水平尺度可达几十--上百公里，成熟期准定常维持1小时， 上升气流速度可达几十米/秒量级； 2、仅有一个强回波中心； 3、云中有完整的斜升和下沉气流； 4、它是对流风暴云中最强大、壮观的一种对流云； 5、产生在强风垂直切变的环境气流中，强风中的不稳定层 结也是必要条件； 6、形成一个相对弱的有界回波区-----“穹窿”区。因为强 上升气流，云底还来不及扩大就被带入上升气流，故环绕 “穹窿”区边缘的地带常伴有强风、局地暴雨、下击暴流， 甚至龙卷。 7、以不同仰角探测超级单体风暴云的回波特征，可能出现： 钩状回波、空洞回波（无回波穹窿）、指状回波。
对流风暴云降水回波特征
PPI回波特征:
对流云降水回波呈块状、尺度小, 仅几公里--几十公里,内部结构密 实,边缘清晰。
典型多单体回波图
PPI
RHI
ABCD四个单体组成。A处于消亡阶段， 虽云体仍十分高大，但中心强度明显减 弱。B处于成熟阶段，云体强度较大、 开始降水；C处于发展阶段，云体强度 较弱、无降水产生；D处于初生阶段， 云体较小，强度较弱。
图中单体A,B,C,D,E,F排列成线状。 A的强中心结构比较散乱，处于消 散阶段；B的结构紧密、强度较强， 处于成熟阶段；C的强度处于发展 阶段；D,E,F的面积较小、强度较 弱，处于新生阶段。
多单体风暴云RHI强度、RHI速度回波图
图为一个刚刚发展的强多单 体风暴RHI图，由成熟、发 展、初生三个阶段的单体组 成，单体组织排列紧密，云 体发展旺盛。
RHI的速度图上可见风暴 云的上层和下层有明显 风切变。
超级单体风暴云特征
1、强垂直风切变环境条件中发展起来的强大中尺度系统， 水平尺度可达几十--上百公里，成熟期准定常维持1小时， 上升气流速度可达几十米/秒量级； 2、仅有一个强回波中心； 3、云中有完整的斜升和下沉气流； 4、它是对流风暴云中最强大、壮观的一种对流云； 5、产生在强风垂直切变的环境气流中，强风中的不稳定层 结也是必要条件； 6、形成一个相对弱的有界回波区-----“穹窿”区。因为强 上升气流，云底还来不及扩大就被带入上升气流，故环绕 “穹窿”区边缘的地带常伴有强风、局地暴雨、下击暴流， 甚至龙卷。 7、以不同仰角探测超级单体风暴云的回波特征，可能出现： 钩状回波、空洞回波（无回波穹窿）、指状回波。
多普勒天气雷达原理与业务应用
多普勒天气雷达原理与业务应用
摘要：多普勒雷达是世界上目前为止最先进的雷达，有“超级千里眼”之称。相较于传统天气雷达，多普勒天气雷达能够监测到与地面垂直距离在8－12公里
范围内的对流云层的产生和变化，能够判断云层的移动速度，对于天气的预报结
果而言会极大的减小误差。为了对天气进行精准预测，各类型的天气探测设备不
断涌现，本文主要是对多普勒天气雷达的原理和应用范围进行简单分析。
关键词：多普勒天气雷达、原理、应用
引言：随着科学技术的发展和社会的进步，人们对不可控事物的掌控欲望逐
步增强。天气的变化是影响人们劳作、改变人们生活规律的主要原因，以前天气
的不可预测性使人们不能够根据天气进行合理的劳作安排。因此人们开始向探测
天气方面进行研究，多普勒天气雷达是目前为止最有效的天气探测设备。其应用
范围宽泛，探测效果优良。
天气雷达的工作原理和普通的雷达一样，通过定期向高空发射电磁脉冲，之
后通过接收器接受被高空气象反射回来的电磁脉冲，并通过计算机进行处理和显示，达到探测天气的目的。
1842年，奥地利数学家多普勒在经过铁路交叉处时，发现了火车由远及近时
汽笛声变响，反之亦然。他对这种现象进行研究，研究表明这种现象时由于震源
与观察者之间产生了相对运动。后人为了纪念，将这种现象称之为多普勒现象。
二十世纪七十年代以来，多普勒效应被广泛用于武器火控和天气探测等方面。多
普勒天气雷达比一般天气雷达发射的电磁脉冲波长更短，并且能够在探测降雨位置、强弱基础上可以帮助分析天气的性质以及对流天气等[1]。
多普勒天气雷达的主要应用领域
天气雷达的基本工作原理和参数
体扫模式 (VCP:Volume Cover Pattern） 扫描方式确定一次体积扫中使用多少个仰角，
而具体是哪些仰角则由体扫模式来规定。WSR-88D 可有20个不同的VCP，目前只定义了其中的4个： VCP11 -- VCP11（scan strategy #1，version 1） 规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。 VCP21 -- VCP21（scan strategy #2，version 1） 规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。 VCP31 --- VCP31 （scan strategy #3，version 1）规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。 VCP32 --- VCP32（scan strategy #3，version 2）确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP31相同。 不同之处在于VCP31使用长雷达脉冲而VCP32使用 短脉冲。 WSR-98D未定义VCP32。
多普勒天气雷达除常规天气雷达功能 之外，还可利用降水回波频率与发射频率 之间变化的信息来测定降水粒子的径向速 度，并通过此推断风速分布，垂直气流速 度，大气湍流，降水粒子谱分布，降水中 特别是强对流降水中风场结构特征。
常规天气雷达仅能提供反射率 因子资料。多普勒天气雷达将提供 两种附加的基本资料，径向速度和 速度谱宽，它们将增强对强风暴的 探测能力，也能改进对中尺度和天 气尺度系统的预报。
天气雷达的基本工作原理和参数
波段 K
X C
S
8-12 4-8
2-4
4-2.5 8-4
15-8
探测降水
探测降水
常用天气雷达的主要技术参数
波束宽 度
天线增益G
雷达的 PPI 扫描方式
PPI 显示结果的空间分布
多普勒天气雷达工作原理
来自百度文库
多普勒天气雷达
常规数字化天气雷达利用的是降水回 波的幅度信息，即利用信号强度来探测雨 区的分布、强度、垂直结构等。 多普勒天气雷达除常规天气雷达功能 之外，还可利用降水回波频率与发射频率 之间变化的信息来测定降水粒子的径向速 度，并通过此推断风速分布，垂直气流速 度，大气湍流，降水粒子谱分布，降水中 特别是强对流降水中风场结构特征。
剖面产品
•谱宽剖面(SCS) •速度剖面(VCS)
•反射率剖面(RCS)
长沙 2004年4月23日11:44时实测的强度剖面图
2、物理量产品
物理量产品：是指雷达以各种探测方式获取 的回波强度、径向速度和速度谱宽数据， 经过一定的计算和处理。转化为有明显气 象意义的物理量，进而把这些物理量的分 布显示出来的图像和图形产品。 它有助于用户直接和某些天气现象联系起来 进行分析和应用。
天气雷达原理示意图
天气雷达组成框图
天气雷达主要技术参数
1、波束宽度θ
2、天线增益G 3、天线有效面积Ac 4、脉冲长度h、脉冲宽度τ 5、脉冲重复周期T(PRT) 6、脉冲重复频率PRF 7、最大探测距离Rmax、
第二章多普勒天气雷达原理
后向散射公式为
i
5 4
K 2 Di6
其中λ为投射在粒子表面的电磁波波长；D为圆球形粒子的直径；K=(m21)/(m2+2), m为复折射指数。
雷利散射时小球形粒子的后向散射截面与粒子直径的6次方成正比，与波 长的4次方成反比。
由于云滴的直径很小，后向散射能力很弱，所以天气雷达通常观测不到 纯粹由云滴组成的云。对同一降水粒子，天气雷达的波长越短，它所产生的 后向散射越强。所以，波长较短的3cm雷达最善于发现弱的降水目标。波长较 长的雷达，如果要具有同样的探测能力，则在其他参数相同时，就要采用较 大的发射功率。后向散射截面还与|K|2有关，小水球的|K|2值为0.93左右，小 冰球的|K|2值为0.197，所以小冰球的后向散射截面大约只有同样大小的小水 球的1/5。
与发射机有关的参数
§ 发射机触发信号产生器周期性地产生一个触发 脉冲，输送到发射机，使发射机开始工作。
§ 在一个脉冲内信号的高频振荡频率叫工作频率 。
§ 每秒产生的触发脉冲的数目，称为脉冲重复频 率，用PRF表示。
§ 两个相邻脉冲之间的间隔时间，称为脉冲重复 周期，用T表示，它等于脉冲重复频率的倒数。
后向散射截面是一个虚拟的面积，它可用来定量地表示粒子后向散射能
力的强弱。后向散射截面越大，粒子的后向散射能力越强，在同样条件下， 它所产生的回波信号也越强。利用后向场散射截面的概念，可以对后向散射 能流密度和回波功率进行定量的计算。如以Si表示到达降水粒子的入射波能 流密度，Ss(π)表示粒子后向散射到雷达天线的能流密度，r表示粒子离雷达 的距离，则有
新一代天气雷达介绍wwwPPT课件
发射机 天线 接收机 信号处理器 RDA内的数 据记录 宽带通讯 雷达监控系统
CINRAD雷达与常规 天气雷达相比的优势
1.灵敏度提高 2.分辨率提高 3.具有风场探测 4.具有三维数据的自动采集能力 5.具有一套科学的数据处理的能力
频率控制精 度10-9 ！
10
•较合理的硬件工作模式和观测模式
为了能够获得最大不折叠距离探测范围同时获得最大 的不模糊径向速度，在雷达硬件工作模式方面，采用了连 续监测模式CS、连续Doppler模式CD和批模式B，对雷达脉 冲对数、脉冲宽度、脉冲重复频率等雷达参数进行了组合 ，以适应上述要求。在观测模式方面，设有四种观测模式 ，其中：降水模式有VCP11模式和VCP21模式两种，以适应 不同降水类型的需要。CINRAD-SA雷达由于发射机功率强大 ，接受机灵敏度高，还设有晴空模式：VCP31模式和VCP32 模式，用以探测晴空湍流、风切变等。在上述降水观测模 式中，为了达到获得最大探测不折叠距离和最大不模糊径 向速度，雷达采用了扫描方式与雷达参数相结合的办法实 现上述目标。
中国气象局颁发了新一代多普勒天气雷达 统一型号命名规定：
CINRAD产品型号，分为两类八种型号
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中美合资生产
国内独立研制
SA — S波段增强型 SB — S波段标准型
SC ( 714SDN )
CA — C波段增强型 CB — C波段标准型
CINRAD雷达与常规 天气雷达相比的优势
1.灵敏度提高 2.分辨率提高 3.具有风场探测 4.具有三维数据的自动采集能力 5.具有一套科学的数据处理的能力
频率控制精 度10-9 ！
10
•较合理的硬件工作模式和观测模式
为了能够获得最大不折叠距离探测范围同时获得最大 的不模糊径向速度，在雷达硬件工作模式方面，采用了连 续监测模式CS、连续Doppler模式CD和批模式B，对雷达脉 冲对数、脉冲宽度、脉冲重复频率等雷达参数进行了组合 ，以适应上述要求。在观测模式方面，设有四种观测模式 ，其中：降水模式有VCP11模式和VCP21模式两种，以适应 不同降水类型的需要。CINRAD-SA雷达由于发射机功率强大 ，接受机灵敏度高，还设有晴空模式：VCP31模式和VCP32 模式，用以探测晴空湍流、风切变等。在上述降水观测模 式中，为了达到获得最大探测不折叠距离和最大不模糊径 向速度，雷达采用了扫描方式与雷达参数相结合的办法实 现上述目标。
中国气象局颁发了新一代多普勒天气雷达 统一型号命名规定：
CINRAD产品型号，分为两类八种型号
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
中美合资生产
国内独立研制
SA — S波段增强型 SB — S波段标准型
SC ( 714SDN )
CA — C波段增强型 CB — C波段标准型
新一代天气雷达简介
发射机
取得雷达数据的第一步是发射一个射频（rf） 信号。这主要由速调管放大器（相当于老式雷达中的 的磁控管）来完成。该放大器产生一个高功率（峰值 功率750kw）非常稳定的10厘米的射频（rf）脉冲。
在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲必 须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒信息 能够被提取。一旦rf脉冲被产生，就被送到天线。
• 距离折叠（模糊）
最大径向速度与速度模糊
• 最大径向速度 Vmax：最大不模糊速度是雷达能够不模糊地 测量的最大平均径向速度，其对应的相移是180度。
• 速度模糊 •多普勒两难
PRF
Vmax
4
WSR-88D概述
• 雷达的主要构成和数据流 • 雷达数据采集子系统 • 雷达产品生成子系统 • 雷达产品的用户 • 雷达产品的获取和显示
式提供初始场
多普勒天气雷达原理
• 反射率因子 • 径向速度和谱宽 • 最大探测距离与距离折叠（模糊） • 最大径向速度与速度模糊
反射率因子 Z
Z R 2 Pr C
Z=∫N(D)D6dD
dBZ 10 • lg Z Z0
Z0 1mm 6 / m3
径向速度和谱宽
• 多普勒效应 • 频率变化难以直接测量 • 脉冲对相移 • 全相干雷达：每个发射脉冲的位相相对于一个
雷达数据采集子系统
RDA 是用户所使用的雷达数据的采集单元。WSR-88D 的RDA由四个部分构成：发射机，天线，接收机和信号处理器。 它的主要功能是产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲 的反射能量，并通过数字化形成基本数据（base data）。 • 发射机 • 天线 • 接收机 • 信号处理器 • RDA内的数据记录 • 宽带通讯
新一代天气雷达演示
超级单体风暴的垂直结构
超级单体的垂直结构：低层回波上，反射率因子核心区偏向于低层偏南风暖湿入流额，存在一个明显的弧形入流缺口，入流缺口左 侧为钩状回波；沿着低层弧形入流缺口，反射率因子梯度很大。中层回波较强回波区，只有一小部分位于低层强回波区上，另一部分位 于低层入流缺口即弱回波区上，呈现出低层的弱回波区和中高层的回波悬垂。当一个风暴加强到超级单体阶段，其上升气流变成基本竖 直的，回波顶移过低层反射率因子的高梯度区，位于一个持续的有界弱回波区之上。低层的弱回波区右侧的强反射率因子梯度区，在回 波悬垂内部存在一个凹进去的空洞，称为有界弱回波区；风暴顶位于BWER上，强上升气流在风暴顶产生强烈辐散。
一般雷暴（单个单体雷暴）
单个单体雷暴—在其生命发展史中自始至终只有一个孤立单体的风暴。 水平尺度：5-10km； 生命史：<1小时；雷达回波特征：回波较垂直，单体对称，少移，冰 雹小，灾害小。回波强度相对较弱，回波面积小，发展高度低、生命史较短，上升与下沉气流 无明显的倾斜性，气流结构易受损坏，不易发展强盛。
新一代天气雷达系统
新一代天气雷达由三个通过电脑控制的子系统构成
1 雷达数据采集子系统（RDA）
2 雷达产品生成子系统（RPG）
3
主用户处理器（PUP）
PUP的主要功能：产品请求；产品数据存储和管理；产品显示； 状态监视；产品编辑注释
新一代天气雷达观测方式
天气雷达的基本工作原理和参数-168页文档资料
在这里稳定是非常重要的，产生的每个脉冲 必须具有相同的初位相以保证回波信号中的多普勒 信息能够被提取。一旦fd脉冲被产生，就被送到天 线。
全相干发射机
天线
天线是RDA的一个部件，它将发射机产 生的RF信号以波束的形式发射到大气并接受 返回的能量（粒子的后向散射能量）。
WSR-88D雷达的天线仰角范围:-10~600。天 线仰角的设置取决于天线的扫描策略（scan strategy 共 有 三 种 ） 、 体 扫 模 式 （ volume coverage pattern ： VCP ） 和 工 作 模 式 （operational mode 分为晴空和降水两种模 式）。 雷达操作员不能手动调节天线仰角， 天线仰角只能通过上述三要素预设。
自相干多普勒天气雷达结构框图
全相干多普勒天气雷达结构框图
fo 发射脉冲的载频 fd 多普勒频率
发射频率 Vs 多普勒频移
发射频率 多普勒频移
中国新一代天气雷达系统简介
• 1、雷达数据采集系统（RDA） • 2、雷达产品生成子系统（RPG） • 3、主用户处理器子系统（PUP）
雷达的三部分
雷达站
一、天气雷达工作原理
• 天气雷达间歇性地向空中发射电磁
波列（称为探测脉冲），它以近似 直线的路径和接近光速在大气中传 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）在屏幕回波图上显示出气象目 标的空间位置和特征
全相干发射机
天线
天线是RDA的一个部件，它将发射机产 生的RF信号以波束的形式发射到大气并接受 返回的能量（粒子的后向散射能量）。
WSR-88D雷达的天线仰角范围:-10~600。天 线仰角的设置取决于天线的扫描策略（scan strategy 共 有 三 种 ） 、 体 扫 模 式 （ volume coverage pattern ： VCP ） 和 工 作 模 式 （operational mode 分为晴空和降水两种模 式）。 雷达操作员不能手动调节天线仰角， 天线仰角只能通过上述三要素预设。
自相干多普勒天气雷达结构框图
全相干多普勒天气雷达结构框图
fo 发射脉冲的载频 fd 多普勒频率
发射频率 Vs 多普勒频移
发射频率 多普勒频移
中国新一代天气雷达系统简介
• 1、雷达数据采集系统（RDA） • 2、雷达产品生成子系统（RPG） • 3、主用户处理器子系统（PUP）
雷达的三部分
雷达站
一、天气雷达工作原理
• 天气雷达间歇性地向空中发射电磁
波列（称为探测脉冲），它以近似 直线的路径和接近光速在大气中传 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）在屏幕回波图上显示出气象目 标的空间位置和特征
雷达气象学之第三章(多普勒天气雷达探测原理和方法)
• 脉冲多普勒天气雷达能直接测量得到的是 降水粒子群相对于雷达的平均径向速度， 它与我们需要的实际水平风速有关但又不 同。①径向速度总是小于或等于实际目标 物速度②当目标物运动垂直雷达径向或静 止是径向速度为零。
径向速度与水平实际风的关系
二、多普勒雷达脉冲参数的选择 及最大不模糊速度
1.多普勒雷达脉冲参数的关系
第三章
多普勒天气雷达探原理及方法
本章重点
1、多普勒雷达测量原理 2、最大不模糊速度 3、多普勒雷达信息的提取方法（傅立
叶变换法和脉冲对处理器） 4、VAD技术测量原理及其在测量水平
流场及降水量的应用
§ 1 多普勒雷达测量原理
• 多普勒雷达的工作原理是以多普勒效应为 基础的。
• 所谓多普勒效应就是，当声音，光和无线 电波等振动源与观测者以相对速度相对运 动时，观测者所收到的振动频率与振动源 所发出的频率有所不同。
• 回波强度-- 反射率因子 • 回波位相 -- 径向速度 • 回波信号—多普勒谱
• 从回波信号中获得多普勒的方法有很多种， 目前比较典型的有三种方法：
1、傅里叶变换法（FFT）：
它的优点是精度较高，而且能够获得多普 勒频谱，由此可得到平均多普勒频率相频 谱宽度等信息。但出于计算的数据量很大， 即使应用快速傅里叶变换（FFT）也要用高 集成芯片才能对全域做到实时处理。
• 所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能 力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。
径向速度与水平实际风的关系
二、多普勒雷达脉冲参数的选择 及最大不模糊速度
1.多普勒雷达脉冲参数的关系
第三章
多普勒天气雷达探原理及方法
本章重点
1、多普勒雷达测量原理 2、最大不模糊速度 3、多普勒雷达信息的提取方法（傅立
叶变换法和脉冲对处理器） 4、VAD技术测量原理及其在测量水平
流场及降水量的应用
§ 1 多普勒雷达测量原理
• 多普勒雷达的工作原理是以多普勒效应为 基础的。
• 所谓多普勒效应就是，当声音，光和无线 电波等振动源与观测者以相对速度相对运 动时，观测者所收到的振动频率与振动源 所发出的频率有所不同。
• 回波强度-- 反射率因子 • 回波位相 -- 径向速度 • 回波信号—多普勒谱
• 从回波信号中获得多普勒的方法有很多种， 目前比较典型的有三种方法：
1、傅里叶变换法（FFT）：
它的优点是精度较高，而且能够获得多普 勒频谱，由此可得到平均多普勒频率相频 谱宽度等信息。但出于计算的数据量很大， 即使应用快速傅里叶变换（FFT）也要用高 集成芯片才能对全域做到实时处理。
• 所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能 力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。
2DU简介双偏振多普勒天气雷达原理与应用 PPT课件
Thank You
在别人的演说中思考，在自己的故事里成长
Thinking In Other People‘S Speeches，Growing Up In Your Own Story
讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
1、。ZDR定义式为 ：
ZDR=10log（ZHH/ZVV）=10log ZHH-10logZVV （8） 在信号处理器RVP8中用给出的求ZDR的公式为：
ZDR=10loS gHH=
S VV
2、ZDR值的范围：一般为-0.5—— +6.0dB （1）一般雨滴呈扁旋转椭球，ZHH＞ZVV，故常为ZDR＞0 。 （2）大雨滴时 ，呈更扁的椭球形，故ZDR值可达3~5dB。 （3）冰雹 ，由于翻转作用总体效果接近球形，ZDR值在零附近 ，可以是小的负值或小的正值。
• • • • • • • • •
（二）、实例 2007年7月2日溧水解放军理工大学气象学院S波 段双线偏振多普勒天气雷达物理量产品图。 下面四幅图是探测到南京（方位311.60，斜距 60―95KM）上空强雷暴降水时偏振参数在RHI上 的分布情况，当时南京实况是有雷电及
1、左图是强度ZdB。 在R=90KM左右、H=8KM以
ZH1 ZH2 ZH3 ZV1 ZV2 ZV3
ZH2i ZV2i
•Ts •Ts
……
……
《雷达基本工作原理》PPT课件(2024)
毫米波受大气吸收和散射影响较小，适用于近程和中程探测。
28
毫米波/太赫兹频段在雷达中应用前景
01
02
03
可用于高精度测距、测速和成 像等应用。
太赫兹雷达应用前景
2024/1/28
太赫兹波具有极高的频率和带 宽，可实现超高分辨率成像和 探测。
29
毫米波/太赫兹频段在雷达中应用前景
01
对于微小目标和隐身目标具有较 强的探测能力。
• 多功能集成：可集成多种雷达功能于一体，如搜索、跟踪、制导等。
23
相控阵雷达技术特点及应用前景
军源自文库领域
用于导弹防御、战场侦察、目标跟踪等 。
VS
民用领域
应用于气象观测、航空管制、遥感探测等 。
2024/1/28
24
合成孔径雷达（SAR）成像原理及优势分析
2024/1/28
01
成像原理
02
利用雷达与目标之间的相对运动，形成大的合 成孔径，提高方位向分辨率。
2024/1/28
频率捷变技术
通过快速改变雷达工作频 率，使干扰信号难以跟踪 和干扰。
天线波束形成技术
利用天线阵列形成多个波 束，对干扰信号进行空间 滤波和抑制。
17
隐身原理和实现方法
减少雷达反射截面（RCS）
通过改变目标形状、使用吸波材料等方式，减少目标对雷达波的反射。
28
毫米波/太赫兹频段在雷达中应用前景
01
02
03
可用于高精度测距、测速和成 像等应用。
太赫兹雷达应用前景
2024/1/28
太赫兹波具有极高的频率和带 宽，可实现超高分辨率成像和 探测。
29
毫米波/太赫兹频段在雷达中应用前景
01
对于微小目标和隐身目标具有较 强的探测能力。
• 多功能集成：可集成多种雷达功能于一体，如搜索、跟踪、制导等。
23
相控阵雷达技术特点及应用前景
军源自文库领域
用于导弹防御、战场侦察、目标跟踪等 。
VS
民用领域
应用于气象观测、航空管制、遥感探测等 。
2024/1/28
24
合成孔径雷达（SAR）成像原理及优势分析
2024/1/28
01
成像原理
02
利用雷达与目标之间的相对运动，形成大的合 成孔径，提高方位向分辨率。
2024/1/28
频率捷变技术
通过快速改变雷达工作频 率，使干扰信号难以跟踪 和干扰。
天线波束形成技术
利用天线阵列形成多个波 束，对干扰信号进行空间 滤波和抑制。
17
隐身原理和实现方法
减少雷达反射截面（RCS）
通过改变目标形状、使用吸波材料等方式，减少目标对雷达波的反射。
《雷达多普勒效应》课件
03
信号处理系统对接收到 的信号进行处理，提取 目标物体的信息。
04
显示器将目标物体的信 息以图像形式显示出来 。
雷达多普勒效应的实现方式
01
02
03
04
发射机产生高频电磁波信号， 通过天线发射出去。
目标物体反射电磁波，接收机 接收反射回来的信号。
信号处理系统对接收到的信号 进行处理，提取目标物体的信
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02
03
04
发射机
产生高频电磁波信号，用于照 射目标并获取反射信号。
接收机
接收反射回来的信号，并进行 处理。
天线
定向发射和接收电磁波。
显示器
将处理后的信号以图像形式显 示出来。
雷达的工作原理
01
发射机产生高频电磁波 信号，通过天线发射出 去。
02
目标物体反射电磁波， 接收机接收反射回来的 信号。
雷达多普勒效应的应用
速度测量
利用雷达多普勒效应可以测量 目标的运动速度，广泛应用于 交通监控、气象观测等领域。
距离测量
通过测量多普勒频移可以计算 出目标与雷达之间的距离，常 用于雷达测距、导航等领域。
运动轨迹跟踪
利用雷达多普勒效应可以实现 对运动目标的轨迹跟踪，用于 导弹制导、无人驾驶车辆等领 域。
雷达多普勒效应将与人工智能、 大数据等先进技术相结合，推动 雷达技术的智能化和自动化发展
雷达卫星分析(课堂PPT)
– 一个距离库中后向散射的大小 – 粒子尺度的大小
• 径向速度
– 相对于雷达站的移动速度
• 谱宽
– 速度谱宽，反映速度离散程度
4
2 雷达产品及其识别基础
• 常用的雷达产品
– 3个基数据产品
• 反射率因子（R） • 径向速度（V） • 谱宽（S）
– 组合反射率因子（CR）ห้องสมุดไป่ตู้– 垂直液态水含量（VIL） – 回波顶高（ET）
（只出现在可见光图象上）
54
55
纹理
云顶表面光滑程度
多起伏、多斑点、皱纹 纤维状
光滑和均匀
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
3 天气现象的卫星云图
• 冷空气 • 大雾 • 降水 • 台风 • 强对流（雷暴）
68
可见光
69
红外
70
中红外
71
水汽
72
常见的天气系统
– 结构形式：带状、涡旋状、团状、细胞状 – 范围大小 – 边界形状：直线、圆形、气旋性弯曲 – 色调 – 暗影 – 纹理
39
2 卫星资料处理与分析基础
• 卷云
– 温度低、反照率高 – 红外与水汽云图上白亮、可见光图像上由深灰色到白
色 – 纹理呈现纤维状或羽状
• 径向速度
– 相对于雷达站的移动速度
• 谱宽
– 速度谱宽，反映速度离散程度
4
2 雷达产品及其识别基础
• 常用的雷达产品
– 3个基数据产品
• 反射率因子（R） • 径向速度（V） • 谱宽（S）
– 组合反射率因子（CR）ห้องสมุดไป่ตู้– 垂直液态水含量（VIL） – 回波顶高（ET）
（只出现在可见光图象上）
54
55
纹理
云顶表面光滑程度
多起伏、多斑点、皱纹 纤维状
光滑和均匀
56
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58
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61
62
63
64
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3 天气现象的卫星云图
• 冷空气 • 大雾 • 降水 • 台风 • 强对流（雷暴）
68
可见光
69
红外
70
中红外
71
水汽
72
常见的天气系统
– 结构形式：带状、涡旋状、团状、细胞状 – 范围大小 – 边界形状：直线、圆形、气旋性弯曲 – 色调 – 暗影 – 纹理
39
2 卫星资料处理与分析基础
• 卷云
– 温度低、反照率高 – 红外与水汽云图上白亮、可见光图像上由深灰色到白
色 – 纹理呈现纤维状或羽状
多普勒天气雷达原理与应用-雷达探测算法
阴影区：反射率≥ TZ
雷暴特征分析
反射率因子权重 质心（雷暴中心） 体积 雷暴投影到水平 面上的面积大小和形 状（最佳适应形状是 多边形和椭圆）
雷暴追踪
假设T1和T2是相邻的两个雷达体扫资料时间
追踪思路： 1. 宁短不长（考虑
到体扫间隔为56分钟） 2. 特征相似（尺寸 和形状等） 3. 设置雷暴移动速 度上限
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
14 雷暴和降水的临近预报系统
• TITAN • TREC • Auto-Nowcaster
跟踪和外推算法
雷暴或降水的临近预报系统的基础是跟踪和外 推。主要分为两种类型：
• 单体质心跟踪和外推： 将雷暴或降水单元视为三维 单体加以识别、跟踪和外推。典型的例子有WSR-88D 和WDSS中的风暴单体识别与跟踪、以及TITAN等， 下面我们会对TITAN重点进行介绍；
最早版本完成于1986年，1990年代中期得到改进和完善
坐标系
算法采用三维直角坐标系统，由雷达体扫反射率因 子数据得到三维直角坐标系中的反射率因子数据。
雷暴特征分析
反射率因子权重 质心（雷暴中心） 体积 雷暴投影到水平 面上的面积大小和形 状（最佳适应形状是 多边形和椭圆）
雷暴追踪
假设T1和T2是相邻的两个雷达体扫资料时间
追踪思路： 1. 宁短不长（考虑
到体扫间隔为56分钟） 2. 特征相似（尺寸 和形状等） 3. 设置雷暴移动速 度上限
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况
14 雷暴和降水的临近预报系统
• TITAN • TREC • Auto-Nowcaster
跟踪和外推算法
雷暴或降水的临近预报系统的基础是跟踪和外 推。主要分为两种类型：
• 单体质心跟踪和外推： 将雷暴或降水单元视为三维 单体加以识别、跟踪和外推。典型的例子有WSR-88D 和WDSS中的风暴单体识别与跟踪、以及TITAN等， 下面我们会对TITAN重点进行介绍；
最早版本完成于1986年，1990年代中期得到改进和完善
坐标系
算法采用三维直角坐标系统，由雷达体扫反射率因 子数据得到三维直角坐标系中的反射率因子数据。
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雷暴分裂：对于在t1时 刻所有的风暴，预报它 们在t2时刻的椭圆投影 的位置、取向和尺寸， 然后根据t2时刻识别的 所有雷暴判断哪些是新 的路径，即没有历史的 雷暴。如果这些没有历 史的雷暴的质心位于某 一个t1时刻雷暴的预报 的在t2时刻的投影椭圆 的区域范围内，则确认 发生了雷暴分裂。
10
雷暴移动的预报
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 16
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 17
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 18
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 19
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 20
“区域”尺寸的选择不宜太大也不宜太小，太大会导致回 波移动向量的分辨率太粗，“区域”太小则包含的数据点 太少，不足以产生稳定的相关系数。发现对于1km ×1km 的分辨率，m取值在3-7之间比较合适。
34
将平面直角 坐标内的二 维坐标排列 成一维，然 后计算相关 系数：
主要思路：对于较短的时间间隔，1）一个雷暴倾向于 沿着一条直线运动；2）风暴的增长和衰减遵循线性趋 势；3）会出现对上述线性行为的随机偏差。
根据演变历史加权线性拟合外推：预报量包括以反射 率因子为权重的雷暴质心、体积、和投影椭圆的参数。
最近，改用多边形（原来为椭圆）对雷暴的水平投影 的面积和形状进行表达。
14 雷暴和降水的临近预报系统
• TITAN • TREC • Auto-Nowcaster
1
整体概述
概述一
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概述二
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概述三
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2
跟踪和外推算法
雷暴或降水的临近预报系统的基础是跟踪和外 推。主要分为两种类型： • 单体质心跟踪和外推： 将雷暴或降水单元视为三维 单体加以识别、跟踪和外推。典型的例子有WSR-88D 和WDSS中的风暴单体识别与跟踪、以及TITAN等， 下面我们会对TITAN重点进行介绍； • 区域跟踪和外推：对反射率因子超过某一阈值的二维 区域进行跟踪和外推。典型的例子有TREC等，我们 下面给以重点介绍。
3
TITAN
Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis, and Nowcasting 雷暴识别、追踪、分析和临近预报 一个基于雷达观测的雷暴临近预报系统
最早版本完成于1986年，1990年代中期得到改进和完善
4
坐标系
算法采用三维直角坐标系统，由雷达体扫反射率因 子数据得到三维直角坐标系中的反射率因子数据。
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 21
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 22
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 23
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 24
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 25
7
雷暴追踪
假设T1和T2是相邻的两个雷达体扫资料时间
追踪思路： 1. 宁短不长（考虑
到体扫间隔为56分钟） 2. 特征相似（尺寸 和形状等） 3. 设置雷暴移动速 度上限
将雷暴路径的确定作为一个最优化问题来处理 8
雷暴合并与分裂的处理
雷暴合并：t1时刻的 雷暴多余t2时刻雷暴 数，或者有雷暴消失， 或者有雷暴合并。如 果t1时刻的2个以上雷 暴质心的预报位置在 t2时刻识别的某个雷 暴范围内，可以判断 雷暴合并。
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 26
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 27
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 28
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 29
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 30
在直角坐标系中的TREC称为CTREC。
33
CTREC中的跟踪方法
CTREC使用一定时间间隔内的雷达资料，将反射率因子 场分成若干个大小相当的“区域”，每个“区域”包含 m×m个像素。将这些在上一时刻的“区域”分别与下一 时刻的各个“区域”作空间交叉相关，以找出此刻与上一 个时刻的特定区域相关系数最大的“区域”，从而来确定 整个回波的移动矢量，实现回波的跟踪。
该项技术利用交叉相关方法跟踪雷达某一个仰角扫描构 成的锥面上某一个二维回波型。即初始的算法是在由某 一仰角扫描构成的2维圆锥面上进行回波的跟踪。后来， 将该技术应用于直角坐标情况，考虑在某一等高面上的 二维直角坐标系中进行回波跟踪。首先需要将雷达体扫 资料内插到某一等高面（如2.5km）上的直角坐标系中。
11
12
TITAN分析和追踪预报的个例
2004 年 7 月 29 日 飑 线 的 60 分 钟 预报和实况检验
2004年“7.10”暴雨的30分钟预报 和实况检验
京津地区
13
Βιβλιοθήκη Baidu
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 14
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 15
雷暴定义：反射率因子TZ ≥ 35dBZ；体积TV ≥ 50km3
5
雷暴识别
考虑二维格点，先识 别x方向，再识别y方 向， 再拓展到三维 识别z方向（之上或 者之下）
阴影区：反射率≥ TZ
6
雷暴特征分析
反射率因子权重 质心（雷暴中心） 体积 雷暴投影到水平 面上的面积大小和形 状（最佳适应形状是 多边形和椭圆）
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 31
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 32
TREC
TREC 是Tracking of Radar Echo with Correlations 的缩 写，既“利用相关跟踪雷达回波”。
1978年由Rinehart和Garvey提出这项技术，用来反演雷 达回波区的气流流场。
雷暴分裂：对于在t1时 刻所有的风暴，预报它 们在t2时刻的椭圆投影 的位置、取向和尺寸， 然后根据t2时刻识别的 所有雷暴判断哪些是新 的路径，即没有历史的 雷暴。如果这些没有历 史的雷暴的质心位于某 一个t1时刻雷暴的预报 的在t2时刻的投影椭圆 的区域范围内，则确认 发生了雷暴分裂。
10
雷暴移动的预报
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 16
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 17
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 18
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 19
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 20
“区域”尺寸的选择不宜太大也不宜太小，太大会导致回 波移动向量的分辨率太粗，“区域”太小则包含的数据点 太少，不足以产生稳定的相关系数。发现对于1km ×1km 的分辨率，m取值在3-7之间比较合适。
34
将平面直角 坐标内的二 维坐标排列 成一维，然 后计算相关 系数：
主要思路：对于较短的时间间隔，1）一个雷暴倾向于 沿着一条直线运动；2）风暴的增长和衰减遵循线性趋 势；3）会出现对上述线性行为的随机偏差。
根据演变历史加权线性拟合外推：预报量包括以反射 率因子为权重的雷暴质心、体积、和投影椭圆的参数。
最近，改用多边形（原来为椭圆）对雷暴的水平投影 的面积和形状进行表达。
14 雷暴和降水的临近预报系统
• TITAN • TREC • Auto-Nowcaster
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整体概述
概述一
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跟踪和外推算法
雷暴或降水的临近预报系统的基础是跟踪和外 推。主要分为两种类型： • 单体质心跟踪和外推： 将雷暴或降水单元视为三维 单体加以识别、跟踪和外推。典型的例子有WSR-88D 和WDSS中的风暴单体识别与跟踪、以及TITAN等， 下面我们会对TITAN重点进行介绍； • 区域跟踪和外推：对反射率因子超过某一阈值的二维 区域进行跟踪和外推。典型的例子有TREC等，我们 下面给以重点介绍。
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TITAN
Thunderstorm Identification, Tracking, Analysis, and Nowcasting 雷暴识别、追踪、分析和临近预报 一个基于雷达观测的雷暴临近预报系统
最早版本完成于1986年，1990年代中期得到改进和完善
4
坐标系
算法采用三维直角坐标系统，由雷达体扫反射率因 子数据得到三维直角坐标系中的反射率因子数据。
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 21
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 22
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 23
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 24
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 25
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雷暴追踪
假设T1和T2是相邻的两个雷达体扫资料时间
追踪思路： 1. 宁短不长（考虑
到体扫间隔为56分钟） 2. 特征相似（尺寸 和形状等） 3. 设置雷暴移动速 度上限
将雷暴路径的确定作为一个最优化问题来处理 8
雷暴合并与分裂的处理
雷暴合并：t1时刻的 雷暴多余t2时刻雷暴 数，或者有雷暴消失， 或者有雷暴合并。如 果t1时刻的2个以上雷 暴质心的预报位置在 t2时刻识别的某个雷 暴范围内，可以判断 雷暴合并。
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 26
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 27
安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 28
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安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 30
在直角坐标系中的TREC称为CTREC。
33
CTREC中的跟踪方法
CTREC使用一定时间间隔内的雷达资料，将反射率因子 场分成若干个大小相当的“区域”，每个“区域”包含 m×m个像素。将这些在上一时刻的“区域”分别与下一 时刻的各个“区域”作空间交叉相关，以找出此刻与上一 个时刻的特定区域相关系数最大的“区域”，从而来确定 整个回波的移动矢量，实现回波的跟踪。
该项技术利用交叉相关方法跟踪雷达某一个仰角扫描构 成的锥面上某一个二维回波型。即初始的算法是在由某 一仰角扫描构成的2维圆锥面上进行回波的跟踪。后来， 将该技术应用于直角坐标情况，考虑在某一等高面上的 二维直角坐标系中进行回波跟踪。首先需要将雷达体扫 资料内插到某一等高面（如2.5km）上的直角坐标系中。
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12
TITAN分析和追踪预报的个例
2004 年 7 月 29 日 飑 线 的 60 分 钟 预报和实况检验
2004年“7.10”暴雨的30分钟预报 和实况检验
京津地区
13
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安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 14
安徽2002年8月24日飑线 TITAN 3 0分钟预报与实况 15
雷暴定义：反射率因子TZ ≥ 35dBZ；体积TV ≥ 50km3
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雷暴识别
考虑二维格点，先识 别x方向，再识别y方 向， 再拓展到三维 识别z方向（之上或 者之下）
阴影区：反射率≥ TZ
6
雷暴特征分析
反射率因子权重 质心（雷暴中心） 体积 雷暴投影到水平 面上的面积大小和形 状（最佳适应形状是 多边形和椭圆）
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安徽2004年7月7日强对流 TITAN 3 0分钟预报与实况 32
TREC
TREC 是Tracking of Radar Echo with Correlations 的缩 写，既“利用相关跟踪雷达回波”。
1978年由Rinehart和Garvey提出这项技术，用来反演雷 达回波区的气流流场。