雷达--地物回波系统分
天气雷达回波分类处理技术研究与应用
天气雷达回波分类处理技术研究与应用近年来,随着气候变化和极端天气事件的增加,天气雷达技术在气象预测、灾害预警和航空等领域发挥着重要作用。
天气雷达回波分类处理技术作为其中的关键环节,对于准确分析、评估和预测天气现象具有重要意义。
本文将对天气雷达回波分类处理技术进行研究与应用探讨。
天气雷达回波是指雷达系统接收到的从大气中反射回来的微波信号。
天气雷达回波分类处理技术旨在将这些信号按照其特征进行区分和分类,以获得有关天气现象的信息。
回波分类处理的关键在于设计有效的特征提取方法和分类算法。
首先,特征提取是天气雷达回波分类处理技术中的重要环节。
传统的特征提取方法主要基于回波的统计特征,如强度、速度和谱宽等。
然而,这些特征无法充分描述回波的时空变化特性。
因此,研究人员提出了一系列改进的特征提取方法,如散射矩阵分解、小波变换和人工智能等。
这些方法能够更准确地将回波信号转化为可用于分类的特征向量。
其次,分类算法是天气雷达回波分类处理技术中的另一个关键环节。
常用的分类算法包括朴素贝叶斯、支持向量机和神经网络等。
这些算法基于不同的分类原理和假设,能够对回波进行有效分类。
此外,研究人员还提出了一些基于深度学习的分类方法,如卷积神经网络和循环神经网络等。
这些方法在一定程度上改善了回波分类的准确性和鲁棒性。
天气雷达回波分类处理技术的应用领域广泛。
首先,在气象预测方面,回波分类技术能够提供更准确的降雨量和强度信息,为天气预报提供重要参考。
其次,在灾害预警方面,回波分类技术能够准确判断降水类型和强度,为城市排水、防洪和山洪灾害预警等提供支持。
此外,回波分类技术还可以应用于航空、农业、环境监测等领域,提供相关的天气信息和决策支持。
然而,天气雷达回波分类处理技术仍面临一些挑战和问题。
首先,由于天气雷达回波的复杂性和多样性,回波分类算法仍存在误判和漏判的问题。
其次,由于回波信号的模糊性和数据量的庞大,特征提取和分类算法的计算效率有待进一步提高。
雷达模拟器中地物回波的模拟实现
仔 细 分 析 地 物 回 波 的 特 性 L : 移 动 、 距 离 】不 ] 近
等。 根据 其计 算模 型 , 以单 片机 及软 件来 实 现地物 可
收 稿 日期 : 0 7 0 — 6 2 0— 71 修 回 日期 :0 7 0 — 6 2 0 — 9 0
文 章 编 号 : 0 2 0 4 ( 0 8 0 — 1 90 1 0 —6 0 2 0 ) 90 1— 3
雷 达模 拟器 中地 物 回波 的模 拟 实现
李 如 年 , 新 鹏 , 国 旗 王 倪
( 林空军学 院 , 西 桂 广 桂林 510) 4 0 3
摘
要 : 达 地 物 回波 信 号 是 雷 达 模 拟 器 信 号 仿 真 的 关 键 性 因 素 , 的产 生 样 式 直 接 影 响 到 仿 真 的效 果 。阐 述 了 地 物 回 雷 它
波 的仿 真模 型 , 绍 了 两 种 地 物 回波 的实 现方 法 。主要 从 硬 、 件 方 面 介 绍 雷 达 地 物 回波 信 号 的产 生 原 理 及 实 现 方 法 , 有 很 介 软 具
强 的实 践 意 义 。 关 键 词 : 达 模 拟 器 , 物 回 波 , 拟 实 现 雷 地 模
s mul t r t e e a i de d r c l f e t f e to he s mul ton.Th s pa e ic s s t i a o .Is g n r tng mo ie t y a f c s e f c ft i ai i p r d s us e he mod lo e f
要 的意义 。
的, 因此 , 散 射元 的散 射 信 号也 是 相 互独 立 的 , 各 其
在 雷达 上 的 回波 信 号就 构成 回波 群 。假如被 照射 的
经典雷达资料-第12章__地物回波讲解
第12章 地 物 回 波Richard K. Moore12.1 引言雷达地物回波用微分散射截面积或散射系数(单位面积的散射截面积)σ 0来描述,而不用描述离散目标的总散射截面积σ[1]。
因为某一地面的总散射截面积σ 是随照射区域而变化的,而照射区域又取决于雷达的几何参数(脉冲宽度、波束宽度等)。
σ 0的引入就是为了得到一个与这些参数无关的系数。
使用微分散射截面积意味着,地物回波是由大量相位彼此独立的散射单元产生的。
这主要是由于各散射单元的距离差异所致,尽管这个差别仅是总距离的很小一部分,但却是波长的数倍。
并且,功率的叠加可用于计算平均回波强度。
如果该条件不适用于一些特殊的地面目标,那么微分散射截面积的概念对这些目标也就失去了意义。
例如,高分辨力雷达可以分辨出小轿车的各部分,则σ0就不能正确地描述小轿车的光滑表面。
另一方面,分辨力较差的雷达看到的是大型停车场上的很多小轿车,这时测得的停车场的σ0就是有效的。
假定在某一时刻某个雷达照射区域内有n 个散射单元,并且也满足上述条件,因此功率可以相加,其雷达方程则变为∑π∆∆=∑π=n i i i i i ri ti ti n i i i ri ti ti r R A A A G P R A G P P )4()/()4(2222σσ 式中,ΔA i 为面积元;P ti ,G ti ,A ri 是与ΔA i 相应的P t ,G t ,A r 值。
在等式右面分子中,括号内的因子是第i 个单元的散射截面积增量,但此概念只适用于平均值。
于是,平均回波功率由下式给出:∑π∆=n i i i ri ti ti r R A A G P P )4(220σ 式中,σ0用来表示σi /ΔA i 的平均值。
n →∞ 时,得到的形式为⎰π=照射区R A A G P P t t t r 402d )4(1σ (12.1) 式中,P r 上面的一横表示平均值。
这种积分实际上并不正确,因为任何实际的独立散射中心都有一个最小尺寸。
经典雷达资料-第12章 地 物 回 波
---------------------------------------------------------------最新资料推荐------------------------------------------------------1 / 3经典雷达资料-第12章 地 物 回 波第 12 章 地 物 回 波 Richard K. Moore 12.1 雷达地物回波用微分散射截面积或散射系数(单位面积的散射截面积)来描述, 而不用描述离散目 标的总散射截面积。
因为某一地面的总散射截面积是随照射区域而变化的, 而照射区域又取决于雷达的几何参数(脉冲宽度、 波束宽度等)。
的引入就是为了得到一个与这些参数无关的系数。
使用微分散射截面积意味着, 地物回波是由大量相位彼此独立的散射单元产生的。
这主要是由于各散射单元的距离差异所致, 尽管这个差别仅是总距离的很小一部分, 但却是波长的数倍。
并且, 功率的叠加可用于计算平均回波强度。
如果该条件不适用于一些特殊的地面目标, 那么微分散射截面积的概念对这些目标也就失去了意义。
例如, 高分辨力雷达可以分辨出小轿车的各部分, 则就不能正确地描述小轿车的光滑表面。
另一方面, 分辨力较差的雷达看到的是大型停车场上的很多小轿车, 这时测得的停车场的就是有效的。
假定在某一时刻某个雷达照射区域内有 n 个散射单元, 并且也满足上述条件, 因此功率可以相加,其雷达方程则变为式中, Ai为面积元; Pti,Gti,Ari是与 Ai相应的Pt,Gt,Ar值。
在等式右面分子中,括号内的因子是第 i 个单元的散射截面积增量,但此概念只适用于平均值。
于是,平均回波功率由下式给出:ntirGPP4 (式中,用来表示的平均值。
时,得到的形式为照射区(12.1)式中,Pr上面的一横表示平均值。
这种积分实际上并不正确,因为任何实际的独立散射中心都有一个最小尺寸。
然而,这种概念还是被广泛采用,并且只要照射面积大到足以包含许多这样的散射中心,这一概念就是可用的。
雷达回讲义波识别分析
连续性降水回波
0 ℃层亮带对天气有一定的指示意义:
如果在对流云产生强雷雨时,出现 0 ℃ 层亮带,说明雷雨将要结束,变为 稳定性降水。
对流云降水
对流云降水回波和层状云降水有着不同 的特征。
回波强度较强,水平尺度可由几公里及 到 几十公里,发展的高度一般在6~7公里以上, 随着地区,季节和天气过程的不同,回波顶 高的差异很大,观测到最高的顶高有20公里 左右。单体生消过程也较快。
当降水回波和地物回波混杂在一起,不 容易区分,新一代天气雷达(抬高仰角) 与气象回波混在一起不好区分。
非气象回波
超折射回波
非气象回波
奇异回波:
层状奇异回波 点状奇异回波 窄带状奇异回波 蜂窝状奇异回波 波状奇异回波
层状奇异回波
现象:出现高度在摩擦层内几百米-1千 米回波很弱,有时出现多层结构。
在一般情况下,对流云降水回波中看不到零度层亮带, 这表明对流云降水与层状云降水在机制上是不相同的 (在雷雨消亡阶段,气流较稳定,有时也可观测到亮 带),由于雷暴、冰雹、龙卷等剧烈的天气现象都出 现在对流云降水的情况下,所以对对流云回波的观测 应特别重视,从高度、强度、外形等方面综合分析, 判断是否会出现灾害性天气。
1、由雪花、冰晶转化成水滴时,介电常数增大,对电磁的反射作 用约强了五倍;
2、冰晶、雪花在转化的过程中,碰并的机会增加,形成大的颗粒, 增强了反射作用;
3、雪花、冰晶转化成水滴时,外形由不规则形状变成了近似球形, 反射作用增加;
4、水滴的下降末速度要比雪花、冰晶大得多,在雪花、冰晶完全 变成水滴后,由于速度增加,反射作用又迅速的减小,造成亮 带以下回波变弱。 这四种原因综合的结果,在0℃附近的回波比上面和下面都强, 形成了亮带。
雷达回波识别分析
在一般情况下,对流云降水回波中看不到零度层亮带, 这表明对流云降水与层状云降水在机制上是不相同的 (在雷雨消亡阶段,气流较稳定,有时也可观测到亮 带),由于雷暴、冰雹、龙卷等剧烈的天气现象都出 现在对流云降水的情况下,所以对对流云回波的观测
应特别重视,从高度、强度、外形等方面综合分析,
判断是否会出现灾害性天气。
单块回波和整个回波体的移速往往不一 致,观测时主要取回波区的移动。对一 些特殊服务要求和中、小尺度天气系统 的观测,除了需要回波区的移动外,还 要注意单块回波的移动情况,观测时要 特别注意。
由于气象目标物时刻都在变化,象局地 热雷雨生消很快,几十分钟可以是面貌 全非,所以,确定回波单体移动时,要 注意回波生消跳变的现象,以免发生判 断上的错误。 另外,回波在减弱消散过程中,往往会 产生回波范围缩小的现象,观测中不应 把边缘缩小误认为移动。
当降水回波和地物回波混杂在一起,不 容易区分,新一代天气雷达(抬高仰角) 与气象回波混在一起不好区分。
非气象回波
超折射回波
非气象回波
奇异回波:
层状奇异回波 点状奇异回波 窄带状奇异回波 蜂窝状奇异回波 波状奇异回波
层状奇异回波
现象:出现高度在摩擦层内几百米-1千 米回波很弱,有时出现多层结构。 成因:大气中折射指数的突变,湍流混合 强烈的地方,逆温层的存在等原因。
连续性降水回波
形成0℃层亮带的原因:
1、由雪花、冰晶转化成水滴时,介电常数增大,对电磁的反射作 用约强了五倍; 2、冰晶、雪花在转化的过程中,碰并的机会增加,形成大的颗粒, 增强了反射作用; 3、雪花、冰晶转化成水滴时,外形由不规则形状变成了近似球形, 反射作用增加; 4、水滴的下降末速度要比雪花、冰晶大得多,在雪花、冰晶完全 变成水滴后,由于速度增加,反射作用又迅速的减小,造成亮 带以下回波变弱。 这四种原因综合的结果,在0℃附近的回波比上面和下面都强, 形成了亮带。
雷达回波的分析
生活中的多普勒效应
多普勒雷达的探测显示
4.机载气象雷达
• 机载气象雷达是供飞行人员在飞行 中探测航线上的积雨云、雷暴等危 险天气的雷达 • 能有效探测的仅仅是 “湿性”气 象目标 • 气象目标回波在显示器上以多种色 彩显示
机载气象雷达的探测
机载气象雷达的显示
(三)天气雷达对气象目标的探测
一般的云、雾中虽含有大量的微细水珠, 但因其直径过于微小,也不能在天气雷达 上产生回波,因而不能被有效检测。
(四)雷达的显示
1.目标距离的测定: 时间以微秒为单位, C=3×100000千米/秒, L=0.15△t(千米)
2.目标方位角和仰角的测定
雷达天线的方位角和仰角,就是 目标相对于雷达的方位角和仰角
1.对降水区的探测
2.对湍流的探测 3.一般的云、雾不能被有效检测
对降水区的探测
• 雷达能透过近距离目标的遮挡发现较 远的目标 • 雨滴的直径越大,产生的回波就越强 湿雪和湿冰雹,能形成很强的回波。 • 干雪和干冰雹对雷达波的反射能力很 差。
不同气象目标的反射特性
对湍流的探测
通过夹杂在湍流中的水滴反射雷达波时的 多普勒效应来检测湍流 天气雷达不能直接深测晴空湍流区
1.天气雷达
• 用于探测降水的发生、发展和移动, 并以此来跟踪降水系统的天气雷达
• 工作波长为3~5cm,它能探测200~ 400• 千米
雷达工作过程示意图
2.测云雷达
• 主要用以探测未形成降水的云层高度、 厚度以及云中物理特性的雷达 • 测云雷达选用比较短的波长
3.多普勒气象雷达
• 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气 象雷达 除具有一般天气雷达的功能外,还 可以测出各高度上的风向风速
如何使用激光雷达进行地物分类和识别
如何使用激光雷达进行地物分类和识别激光雷达是一种常用的遥感技术,可以通过向地面发射激光束并接收反射回来的信号来获取地面表面的高程和形状信息。
近年来,激光雷达的应用范围逐渐扩大,不仅可以用于地形测绘和三维建模,还可以进行地物分类和识别。
本文将探讨如何使用激光雷达进行地物分类和识别。
首先,激光雷达可以通过获取地面表面的高程信息来进行地物分类。
地物的高程信息是其最基本的特征之一,不同的地物在高程上具有不同的分布规律。
通过对激光雷达获取的点云数据进行分析,可以提取出地物的高程变化信息,进而将地物分类为不同的类型。
例如,树木在激光雷达数据中呈现出较高的高程值,而建筑物和道路则呈现出较低的高程值。
通过对高程信息的分析,可以实现对地物的初步分类。
除了高程信息,激光雷达还可以获取地物的形状信息。
通过测量激光束的回波时间和反射强度,可以获取地物表面的几何形状信息。
不同的地物在形状上具有不同的特征,通过对激光雷达数据进行形状分析,可以进一步对地物进行分类和识别。
例如,建筑物通常具有规则的矩形形状,而树木则呈现出不规则的分叉形状。
通过对形状信息的分析,可以进一步细化地物的分类结果。
此外,激光雷达还可以通过获取地物的反射强度信息来进行分类和识别。
地物的反射强度是指地物表面对激光束的反射程度,不同的地物在反射强度上具有不同的特征。
通过对激光雷达获取的点云数据进行反射强度分析,可以提取出地物的反射强度分布信息。
例如,道路和建筑物通常具有较高的反射强度,而树木和水体则具有较低的反射强度。
通过对反射强度信息的分析,可以进一步区分不同类型的地物。
除了以上三种基本信息外,激光雷达还可以获取地物的纹理信息。
地物的纹理信息是指地物表面的细节特征,通过对激光雷达获取的点云数据进行纹理分析,可以提取出地物的纹理特征。
例如,建筑物通常具有规则的墙壁纹理,而树木则具有不规则的树皮纹理。
通过对纹理信息的分析,可以进一步细化地物的分类和识别结果。
经典雷达资料-第12章 地 物 回 波-5
海面冰层冰层是非常复杂的介质。
观察者用许多不同的类别来描述冰层的特征。
而这些类别由冰层厚度、年代和形成过程决定[109]。
因此,人们不能用任何一种简单的方式来描述冰层的雷达回波,在这种意义上它和植被的散射类似。
从雷达观测的角度看,最重要的冰层类型是首年冰层(FY,1~2m厚),多年冰层(MY,大于2m厚),混合冰层(小于1m厚)。
与雪地相似,阳光融化和结冰温度之上的冰层所散射的微波,与正常结冰表层的散射相差很大。
在冬天,MY冰层的散射远大于FY冰层。
在夏天,MY冰层的σ0衰减到约等于FY 冰层的σ0。
图12.43[110]示出这种变化和典型的角度响应。
这些结果是在13.3GHz频率下测量得到的,但低至S波段频率,它们的结果也与此相似。
图12.44[91]示出不同冰层的σ0随频率的变化。
在海岸线上,与海岸紧紧相连的冰层位于海底之上,在这种情况下冰层可能是MY 类冰层。
灰色冰层是一种厚度小于FY类的冰层。
图12.43 当频率为13.9GHz时,海面冰层在夏季和冬季散射的比较(引自Gray等人[110])第12章地物回波·460·图12.44 不同类型海面冰层σ0的频率响应举例(引自Kim[53])Kim[53]提出一种理论来解释海面冰层σ0的大范围变化。
根据该理论和大量关于冰层特性的文献资料,图12.45[91]示出冬天FY和MY类冰层散射的变化范围。
很明显,较高频率在识别冰层类型上优于较低频率,并且当频率约低于5GHz时不能识别冰层的类型。
在L波段和更低的频率时,MY和FY类冰层的散射即使在冬天也相差无几。
这也意味着,较高频率的成像雷达在冬天(而非夏天)仅通过回波的强度就能轻易地区分冰层的类型。
这是前苏联和加拿大冰层监视系统的基础,其中前苏联采用Toros Ku波段侧视机载雷达(SLAR)[111],加拿大采用改进型的X波段APS—94侧视机载雷达,最近加拿大采用STAR—1 X波段合成孔径雷达。
雷达回波三维特征
雷达回波三维特征一、引言雷达是一种常见的探测和测量设备,广泛应用于军事、民用和科学研究等领域。
雷达回波是指雷达向目标发送信号后,目标反射回来的电磁波信号。
通过对雷达回波的分析,可以获取目标的位置、速度、形状等信息。
本文将介绍雷达回波的三维特征。
二、雷达回波基础知识1. 雷达回波分类根据目标反射能力不同,雷达回波可以分为强回波和弱回波。
强回波通常表示目标较大或反射能力较强,而弱回波则表示目标较小或反射能力较弱。
2. 雷达方程雷达方程描述了雷达系统中发射功率、接收信号功率和距离之间的关系。
它包括以下几个参数:发射功率、接收天线增益、目标散射截面积、距离和大气衰减等。
3. 雷达图像化处理为了更好地理解和分析雷达数据,需要将其图像化处理。
常见的处理方法包括:平面图像化处理、立体图像化处理和三维图像化处理。
其中,三维图像化处理可以更直观地展示雷达回波的特征。
三、雷达回波三维特征1. 目标形状通过对雷达回波的三维可视化处理,可以直观地观察目标的形状。
例如,球形目标在雷达图像中呈现出圆形,而长方体目标则呈现出矩形。
2. 目标大小通过对雷达回波强度的分析,可以判断目标的大小。
通常情况下,反射能力强的目标会产生强回波,而反射能力弱的目标则会产生弱回波。
3. 目标速度通过比较不同时刻的雷达回波数据,可以计算出目标的速度。
例如,在航空领域中,飞机在飞行时会产生多个雷达回波信号,在比较这些信号之间的时间差时就可以计算出飞机的速度。
4. 目标位置通过测量雷达发射信号和接收信号之间的时间差,并根据雷达方程计算距离,可以确定目标在空间中的位置。
5. 目标材质不同材质的物体对电磁波有不同程度的反射和吸收,因此可以通过分析雷达回波的强度和形状来判断目标的材质。
例如,金属表面通常会产生反射信号,而木材表面则会产生吸收信号。
四、应用案例1. 航空领域在航空领域中,雷达回波三维特征广泛应用于飞机的导航、飞行控制和防撞预警等方面。
通过分析飞机的位置、速度和形状等信息,可以帮助飞行员更好地掌握飞机的状态,并及时做出相应的调整。
气象雷达回波
雷达所接收到的回波系雷达波所照射的空间有效散射体积中所有散射元(如云和降水粒子)的回波的总和,由 于散射元之间的相对位移,到达雷达天线处的回波具有不同相位,这些波叠加的结果,造成了回波的随机起伏。 分析起伏参数,可以得到关于粒子的运动信息和被测空间的湍流强度。
谢谢观看
通过对雷达回波的分析,可以判断由一般对流云过渡到强雷暴的阶段,但单纯根据回波形态结构,难以可靠 地判断一个强雷暴云是否会产生龙卷或地面降雹。普遍认为,回波顶的高度和强回波核的反射率能较好地用作识 别冰雹云的判据。例如,中国的华北地区,夏季雹云的回波顶常出现在10~12公里的高度,灾害性雹云中强回波核 对3厘米雷达的反射因子(见),常超过10毫米 /米。
在距离高度显示器 (RHI)上的回波图象中,可以看到对应于大气温度为0℃的高度附近的强回波带,称为零度 层亮带(图3[稳定性暖锋降水在距离高度显示器上的典型回波图象])它的形成是由于缓慢降落的冰晶和雪花在零 度层附近发生表面融化而使反射率增大的结果。在亮带下面,粒子融化成雨滴,下落速度较大,使粒子浓度减小, 反射率降低。雷达屏幕上观测到的零度层亮带,可估计0℃层的高度,也可在一定程度上验证大气的稳定性。在不 稳定性暖锋降水的距离高度显示器回波图象中,可以看到水平的零度层亮带和垂直柱状的对流单体回波结构同时 存在。此外,在雷暴减弱之后的残余降水中,也可看到零度层亮带。暖锋系统降水强度的变化较缓慢,雷达回波的 时空变化也较小,这有利于验证降水强度和回波功率之间的定量关系。
回波的分类
0 1
冷锋回波
0 2
暖锋回波
0 4
强雷暴回波
0 6
回波的利用
0 3
低气压系统 回波
0 5
其他回波
通常由紧密排列成带的许多回波单体组成(图1[平面位置显示器上冷锋的云系和降水回波]),当冷锋由远 处移至距雷达站约300公里时,在平面位置显示器 (PPI)上,一般先能看到排成一行的离散回波块。这是由于地 表曲率和大气折射的原因,即使以接近0°的仰角发射的波束,在300公里处,也只能探测到云体的较高部分。当冷 锋移近时,雷达波束能够扫视到云的下部比较宽大的部分,这时,回波带中的单体变大,形成一条比较连贯的回 波带。在冷锋经过雷达站而向远处移去时,回波的变化则与上述过程相反。通常,一个完整的冷锋降水系统的长度, 可以达到600公里以上,因此一个站仅能探测到整个冷锋系统的一部分。有时雷达观测到的冷锋系统不止包含一条 雨带。冷锋的回波带一般自西北向东南方向移动,但锋前或冷锋上空的暖区常吹西南风,因而回波带中的单体常 向东北或偏东方向移动,与回波带的整体移动方向之间有一夹角。
雷达回波的识别技术优秀课件.ppt
(二)风速不变、风向随高度变化的各种图象
当风速随高度保持不变时,各种颜色的多普勒速度带 都收敛于显示区的中心,即雷达所在处。多普勒速度 零值带的曲率表明了风向随高度的变化,逆转风产生 一个反型S的零值带而顺转风产生一个S型的零值带。 当风向随高度先顺转后逆转时,S 型带随雷达距离的 增加(高度增加)而转变为反S带。
一、回波强度分析技术
由雷达反射率因子Z值大小即可判别回波强弱.
瑞利散射
另外,回波形态特征、回波特殊结构和形态、 回波移动特点可知回波强度
雷达回波的识别技术优秀
二、脉冲多普勒天气雷达径向速度场分析技术与方法
对多普勒径向速度场基本特征的研究,可按
•零径向速度线; •朝向雷达分量(负)、离开雷达分量(正)范围、分布及中心; •强多普勒径向速度梯度带
Perpendicular
(a)环境风场的平面图:固定风速为40海里/小时,风向在地面为 南风(图象中心),均匀地经西南风变为图象边缘处的西风。(b) 相应的单多普勒速度图象。(c)说明如何利用多普勒零值曲线来解 释水平均匀流场的风向。(a)中的箭头长度正比于风速。颜色表示 多普勒速度值:正值(红色,桔黄色)表示离开雷达,负值(绿色, 兰色)表示朝向雷达。
雷达回波的识别技术优秀
风速随高度增加(地面为0)、风向随高度顺转的垂直风廓线(左图) 以及相应的多普勒速度图象(右图)。多普勒速度负值是朝向雷达 而正值是离开雷达,图象东部和西部边缘的颜色突变代表了己被了 混淆的更大的速度值,因为它们超出了±50海里/小时的奈科斯特速 度间隔。雷达位于图象中心。
雷达回波的识别技术优秀
雷达回波的识别技术优秀
Single Doppler Interpretation
雷达回波识别
7月2日 01:12
2.3同波长干扰
产生原因:近距离有两部以上波长相同的雷达同时工作,一 部雷达发射出来的电磁波能量通过地物或降水的散射,进 入另一部雷达接收机。 特点:单条或多条线状,点线状回波带,从中心以等间隔 呈螺旋状向四周放射。
(/groups/birdrad/COMMENT.HTM)
Laughlin, TX (KDLF) Precipitation Mode Bat Roost Rings
(/groups/birdrad/COMMENT.HTM)
Class 1 雷达回波的识别和分析
内容
回波探测 非气象回波 降水回波 非降水回波
1.回波探测
h h 0 rsi n r 2 /2 ( R m ')
1.1探测内容
1、回波位置(PPI、RHI对应地理位置) 2、回波高度 (1)PPI测高公式(2)RHI直接计算 注:a无回波!=无降水(衰减)b地物遮挡 影响最大探测距离 3、回波强度(Z)显示方式色阶 4、回波形状 a均匀片状;b孤立块状;c涡旋结 构;带状 5、回波性质 a气象目标物 b非气象目标物 6、回波移向、移速 7、回波演变趋势(新生->成熟->消亡(强度、 范围、高度)
台湾气象 部门有四部S 波段多普勒天 气雷达,均设 置在沿海,常 年易覌测到海 浪回波,给出 典型的回波图 像。
34
0311 号热带风暴“环高”
2.6天线辐射特性造成的虚假回波
形成原因:天线旁瓣、尾瓣发射的电磁波在近距离遇到特别强的降 雨中心,产生回波,此外主瓣的宽度也会造成虚假回波。
雷达--地物回波系统分析
衰落速率的计算计算多普勒频率是求衰减落速率〔Fading rate 〕最容易的方法。
为了在一个特定的多普勒频移范围内计算回波信号的幅度,必须将所有具有这些频移的信号相加。
这就需要了解散射面上的多普勒频移等值线〔等值多普勒频移〕。
对于每一种特殊形状的几何体都必须建立起这种多普勒频移等值线。
下面用一个沿地球外表水平运动的简单例子来说明。
它是普通巡航飞行飞机的一个典型实例。
假定飞机沿y 方向飞行,z 代表垂直方向,高度〔固定〕z = h 。
于是有v =1v vh y x z y x 111R -+=式中,1x ,1y ,1z 为单位矢量。
因而 h y x vy R v r 222++==•R v式中,v r 是相对速度。
等相对速度曲线也就是等多普勒频移曲线。
该曲线的方程为0222222=+--h v v v y x rr 这是双曲线方程。
零相对速度的极限曲线是一条垂直于速度矢量的直线。
图12.7示出这样一组等多普勒频移曲线。
只要把雷达式〔〕略加整理就可用来计算衰落回波的频谱。
这样,如果W r (f d )是频率f d 和f d +d f d 之间接收到的功率,那么雷达方程变为⎰π=积分区R A A G P f f W r t t d d r 402d )4(1d )(σ ⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-π=d r t t df A R A G P f d d )4(d 402σ 〔〕图12.7 在地球平面做水平运动时的多普勒频移等值线 图12.8 计算复数衰落的几何关系图 〔引自Ulaby,Moore 和Fung [21]〕 上式的积分区是频率f d 和f d +d f d 间被雷达照射到的区域。
在此积分式中,f d 和f d +d f d 之间的面积元用沿着等值多普勒频移曲线的坐标和垂直于等值多普勒频移曲线的坐标来表示。
对每一种特定情况都必须建立这两个坐标。
图12.8示出水平传播的几何形状。
其中,坐标ξ 是等值多普勒频移曲线方向;η 是垂直方向。
雷达系统原理框图及编程思想
雷达系统原理框图及编程思想图1 雷达系统原理图1、回波信号回波信号由目标回波(动目标),地物杂波(静目标),及系统高斯白噪声组成。
线性调频信号:x=rect(t/mk)exp(jπkt²) (k=B/mk)目标回波:y=rect(t/mk)*exp(j*2*pi*((f1+k*t/2).*t+fd*i*T))地物杂波(静目标):y=rect(t/mk)*exp(j*2*pi*((f1+k*t/2).*t))系统噪声(高斯白噪声):z=0.2*randn(1,N)。
参数:载频f0=30MHz,线性调频信号带宽B=4MHz,脉宽mk=5us,周期Tr=30us;多普勒频移fd=1000,选取回波数:n=5其波形如图:图2 回波2、高放高放采用50阶FIR滤波器,中心频率为30MHz,通带为20MHz。
高放后的波形图:图3 高放后时域频域图形3、混频+中放混频的参考频率为20MHz中放采用50阶FIR滤波器,中心频率为10MHz,通带为4MHz。
图4 混频+中放后时域频域图形4、相干检波参考源的时钟频率f0=10MHz;I 路:I=0.5*X*cos(Φ(t));Q路:Q=0.5*X*sin(Φ(t));原理图:波形图:图5 相位检波后I、Q两路时域图5、A/D转换采样频率为5MHz。
x0=(Vmax/2ª)*int{xi*2ª / Vmax };其中,a为AD位数图6 AD采样后后I、Q两路时域图6、脉冲压缩采用发射信号作为匹配滤波。
匹配滤波的脉冲响应:H(k)=X*(k)exp(-j2πkN), k=0,1,2…N线性调频信号:x(n)=rect(n/N)exp(jπkn²) (k=B/tao);图7 脉冲压缩时域图8、MTIMTI采用一次对消:y(n)=x(n)-x(n-1); n=1,2,3…N图8 MTI9、取模+积累对20个回波信号取模并积累,此处是视频相参积累,y(n)= |∑x(n)| n=1,2, 3…N图9 取模加积累10、CFAR(恒虚警检测)恒虚警处理时利用的是前8后8的处理方法。
天气雷达回波的分类与识别
回波:雷达发射的电磁波,在传播过程中遇到目标物以后目标物对电磁 波产生反射、散射,通过雷达屏幕显示的雷达接收机能接收到的那部分 反射、散射能量。天气雷达探测时,只要接收到的回波信号功率大于雷 达接收机的最小可测功率,则雷达都会在天线指向方向的相应距离处显 示出回波。
非气象回波
气象回波
降水回波 非降水回波
非气象回波
• 地物回波 • 海浪回波 • 同波长干扰回波 • 昆虫和鸟兽的回波
地物回波:当雷达探测的仰角比较低时,雷达站周围的山脉、 高大建筑物都可能反射雷达电磁波,形成地物回波
• 现代气象雷达通过设计硬件或软件消除地物回波, 但常常很难处理干净。地物回波受地理位置影响, 位置固定不变,故需要熟知本站在各种探测状态、 各种天气条件下的地物回波
• 在RHI图上云顶高度比较平整,也有一条强 度特别大的窄带呈水平分布(即零度层亮 带)。
零度层亮带:层状云降水的重要特 征
• 当冰晶下落通过溶化层时,它们的外表面 开始溶化。正好位于溶化层(0°层面)下 面,这些包着水外衣的冰晶反射率因子是 高的,产生增强的雷达信号,在PPI上象弧 形结构,在常规天气雷达上叫做“亮带”, 亮带会造成降水率的过高估计
对流云降水回波:对流云发展到一定程度时,云中粒子在对 流运动中不断增强,知道已不能被上升气流所托住而降落形 成的
• 范围小、强度大、分布不均、生命史短、随时间变化快。
• 在PPI上特征为:对流云降水回波呈块状,尺度较小(从 几公里到几十公里),对流辐合体也可达几百公里,内部 结构密实,边缘清晰。
• 在RHI上特征为:对流云降水回波呈柱状,近处降水时底 部及地,云顶高度较高一般都在6-7km以上,随地区和季 节差异很大。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
衰落速率的计算计算多普勒频率是求衰减落速率(Fading rate )最容易的方法。
为了在一个特定的多普勒频移范围内计算回波信号的幅度,必须将所有具有这些频移的信号相加。
这就需要了解散射面上的多普勒频移等值线(等值多普勒频移)。
对于每一种特殊形状的几何体都必须建立起这种多普勒频移等值线。
下面用一个沿地球表面水平运动的简单例子来说明。
它是普通巡航飞行飞机的一个典型实例。
假定飞机沿y 方向飞行,z 代表垂直方向,高度(固定)z = h 。
于是有v =1v vh y x z y x 111R -+=式中,1x ,1y ,1z 为单位矢量。
因而 h y x vy R v r 222++==•R v式中,v r 是相对速度。
等相对速度曲线也就是等多普勒频移曲线。
该曲线的方程为0222222=+--h v v v y x rr 这是双曲线方程。
零相对速度的极限曲线是一条垂直于速度矢量的直线。
图12.7示出这样一组等多普勒频移曲线。
只要把雷达式(12.1)略加整理就可用来计算衰落回波的频谱。
这样,如果W r (f d )是频率f d 和f d +d f d 之间接收到的功率,则雷达方程变为⎰π=积分区R A A G P f f W r t t d d r 402d )4(1d )(σ ⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-π=d r t t df A R A G P f d d )4(d 402σ (12.12)图12.7 在地球平面做水平运动时的多普勒频移等值线图12.8 计算复数衰落的几何关系图(引自Ulaby,Moore 和Fung [21]) 上式的积分区是频率f d 和f d +d f d 间被雷达照射到的区域。
在此积分式中,f d 和f d +d f d 之间的面积元用沿着等值多普勒频移曲线的坐标和垂直于等值多普勒频移曲线的坐标来表示。
对每一种特定情况都必须建立这两个坐标。
图12.8示出水平传播的几何形状。
其中,坐标ξ是等值多普勒频移曲线方向;η是垂直方向。
若采用这种坐标,则式(12.12)可表示为ξσληd )4(d d 40232⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎥⎦⎤⎢⎣⎡π=积分带R G P f f W t d d r (12.13) 式中,积分式中的发射功率P t 只有在照射到地面期间是非零的,其他时间为零。
在脉冲雷达中,只有那些在特定时间内反射雷达回波的地面才被认为接收到有限的发射功率P t ,并且脉冲、天线和最大速度都限制了回波出现的频率范围。
图12.9示出另一个例子。
它是一种窄波束窄脉冲雷达系统在很小的照射区域时的情况。
在这种情况下线性近似不会有很大的误差。
波束宽度为φ0的天线发射一个宽度为τ的脉冲。
为了简化说明,在此假定将脉冲直接照射水平飞行飞机的前方。
此外,假定一个矩形照射区R φ0×c τ/(sin θ)以使问题简化,并进一步忽略多普勒频移等值曲线的曲率。
因此,可以认为所有最远点上和所有最近点上的多普勒频率都相同,即θλm ax m ax sin 2v f d =θλm in m in sin 2v f d = 于是,多普勒频谱的总宽度为)sin (sin 2m in m ax θθλ-=∆vf d对于窄脉冲和偏离垂直入射的情况,总宽度则为θθλcos 2∆≈∆v f d 若根据脉冲宽度计算,上式变为θθλτsin cos 23h vc f d =∆ (12.14)图12.9 机载搜索雷达多普勒频移计算的几何关系图如果在矩形照射区域内入射角的变化足够小,以至使σ0基本保持恒定,则多普勒频谱为一个由f min 到f max 构成的矩形。
实际上,天线波束并不是矩形。
这导致了侧视雷达的多普勒频谱和具有非矩形天线方向图(形状是沿径向分布的方向图)的多普勒频谱类似。
因而,若径向方向天线的方向图是G =G (β),式中β是偏离波束中心的角度,则β根据多普勒频率f d 可表示为v f d 2/λβ=频谱为 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡π=v f G R r P f W d xt d 2)4(2)(23303λσλ式中,r x 是距离方向的水平分辨力。
当然,它可用半功率点波束宽度来近似,结果产生式(12.13)给出的波束宽度。
检波的影响在文献中人们已广泛地讨论过窄带噪声检波的影响。
在这里仅需要说明上述例子中检波后的频谱和考虑每秒钟内独立衰减样本的个数。
图12.10分别示出检波前后的频谱。
如假定按平方律检波,则检波后的频谱是检波前频谱的自卷积。
图中仅示出通过检波器中低通滤波器部分。
矩形的射频频谱变成了三角形的视频频谱。
图12.10 来自均匀小区域频谱的衰落:(a )检波前;(b )检波后这一频谱描述了连续波雷达检波器输出端上的衰落。
对于脉冲雷达而言,它以脉冲重复频率对频谱抽样。
如果脉冲重复频率高到足以使整个频谱再现(脉冲重复频率高于奈奎斯特频率,2△f d ),那么图形就是在给定距离上所接收到脉冲的抽样频谱。
图12.11示出接收到的实际脉冲序列,以及在距离R 1上对这些脉冲进行抽样所得到的序列。
图12.10示出在距离R 1上的抽样包络的频谱(经低通滤波)。
根据式(12.13)可知,在不同距离(或垂直角)上频谱的衰落是不同的。
由于许多实用目的不同,独立的抽样个数是很重要的,这可利用不相关抽样的基本统计学原理确定。
对连续积累图12.11 地面目标在雷达顺序脉冲中的衰落而言,独立抽样的有效数为[55]⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=T sf e x x R T x TP N 02d )(12 (12.15) 式中,P e 是包络平均功率;T 是平均积累时间;R sf (t )是检波电压的自协方差函数。
在许多实际应用中,若N 足够大,上式可近似为BT N ≈ (12.16)式中,B 是有效的中频带宽。
短积累时间的影响可参见参考资料56。
当然,由于载体的运动使波束照射到地面上不同区域,则衰落抽样也可能是独立的。
因此,在特定的条件下,独立抽样率或由地面上照射区域的移动决定,或由多普勒效应决定,或者由两者的某种组合决定。
独立抽样的次数决定了运用瑞利分布或其他分布的方式。
因此,如果100个脉冲只给出10个独立的抽样,则这些脉冲积累所得到平均值的方差将远大于100个脉冲都独立时求得的值。
基于多普勒效应的系统,如多普勒导航设备及SAR 系统,是依靠检波前的频谱进行工作的,因为它们是相参的,不能采用一般的检波方法。
动目标表面有时杂波还具有内部运动。
当利用固定雷达观察海面和地面的运动时会出现这种现象。
在陆地上,虽然动物的移动以及机动车辆也会产生相同的效应,但它主要还是由植被的移动所引起的。
若雷达回波是由图12.8所示的反射体集合产生的,则由于各散射体之间的运动,如同雷达的运动一样,雷达回波将发生波动。
因此,如果每个反射体是一棵树,随风起伏的树木波动会使各散射体之间产生相对相移,其结果就是回波衰减。
对于固定雷达而言,除去由折射引起的缓慢衰减外,这是惟一能观察到的衰减。
而对于运动的雷达来说,目标的这种运动改变了雷达和目标之间的相对速度,因此,其频谱不同于固定表面的频谱。
由雷达运动所造成的频谱宽度决定了雷达探测这种目标运动的能力。
12.5 地物回波测量技术专用测试雷达和改装后的一般雷达可用来测量地物回波。
由于地物回波的变化几乎都是由散射作用引起的,因此,常把这些系统称做散射仪。
这种仪器既可以利用连续波信号(经多普勒处理或不经多普勒处理),也可用脉冲或调频测量技术。
具备测量大范围频率响应的散射仪则被称为频谱仪[57]。
它们可采用方向图从针状波束到扇形波束的各种天线。
连续波和调频连续波系统最简单的散射仪采用固定式连续波雷达。
虽然这种系统不很灵活,但这里仍要较为详细地予以讨论,从而阐明那些也适用于更复杂系统的校正方法。
图12.12是连续波散射仪的方框图。
为估算σ0,需知雷达发射功率与接收功率之比。
图12.12(a)所示的系统分别测量发射机功率和接收机灵敏度。
发射机通过定向耦合器将能量馈送到天线,从而将其中一小部分能量馈送到功率计上。
接收机具有单独的(与发射天线电气隔离)天线。
接收机的输出经检波、平均,并显示在仪表、示波器或其他显示或记录装置上。
接收机灵敏度的检查必须利用校准信号源。
校准信号在发射机关机时送入接收机。
图12.12(b)示出一个类似的装置,在此装置中将发射信号衰减为某一已知量,然后用来检查接收机。
通过比较衰减过的发射信号和接收到的地物回波信号,人们便可测出散射截面积,而不需要知道实际的发射功率和接收机增益。
图12.12 连续波散射仪系统框图:(a)独立的发射机和接收机校准法;(b)利用接收和发射功率比的校准方法由于天线方向图和绝对增益是未知的,图12.12所示的校准方法尚不完善。
而要精确测量增益是非常困难的,因而,绝对的校准可通过比较被测目标的接收信号(经适当的校正)和一个规范目标的接收信号获得。
规范目标可以是金属球、龙伯(Luneburg)透镜反射器、金属板、角反射器或有源雷达校准器(ARCs,即转发器)[58]。
在无源校准器中,龙伯透镜反射器是最佳的,这是由于它具有大的截面积(相对它的体积而言)和宽的方向图,从而使其校准不苛刻。
龙伯透镜反射器常用来生成小舰船的强雷达目标,并且它们可从市面上的公司中获得。
至于不同无源校准目标的相对指标可参阅Ulaby, Moore和Fung 等人的文献[59]。
理想接收机的输入与输出之间成线性响应关系,因此,在某一输入电平上校准一次,应对所有电平都有效。
但是,由于检波器特性和放大器被强信号饱和等原因,一般接收机具有非线性特性。
图12.13示出一条典型的接收机输入-输出关系曲线。
图中,输入信号中两个相等的增量(∆i)因曲线的非线性在输出端产生不同的增量。
由于这个原因,接收机必须在输入电平范围内进行校准,并在数据处理过程中对非线性加以补偿。
连续波散射仪依据天线波束来识别不同入射角度和不同目标。
对它们通常做如下假定:天线方向图在3dB点之内增益恒定,而在3dB点之外增益为零,显然,这是不准确的。
如果大目标出现在主瓣的两侧图12.13 典型的接收机输入-输出曲线(显示出非线性的影响)或出现在副瓣中,则它们产生的信号对回波影响很大,以至使回波发生明显的变化。
由于数据简化过程认为这个改变了的信号来自主瓣方向,所以得到的σ0值是错误的。
由于垂直入射的回波信号一般都很强,垂直入射方向的响应常常会引起麻烦。
故必须知道精确的天线方向图,并在数据分析时予以考虑。
具有高副瓣的方向图显然是不能采用的。
散射系数可用下式确定:⎰π=照射区R A G P P t t r 40232d )4(σλ 式中,积分区是雷达的主要照射面积,副瓣照射区域亦包括在内。
一般假定σ0在照射区域内为常数,因此,⎰π=照射区R A G P P t t r 42302d )4(σλ (12.17) 只有当天线将辐射能量限制在一个很小的角度和一个相当均匀的区域内,上述假定才是正确的。