第二章多普勒天气雷达原理
多普勒天气雷达原理与应用2-雷达图象识别基础
图4c.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图2.4仰角 fig.4c May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 2.4deg
图4d.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图3.4仰角 fig.4d May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 3.4deg
图4a.2002年5月27日08:55(gmt) 风暴相对速度图0.5仰角 fig.4a May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 0.5deg
图4b. 2002年5月27日08:55(gmt)风暴相对速度图1.5仰角 fig.4b May.27.2002 08:55 (gmt) SRM Elev= 1.5deg
7月2日 01：12
太阳的雷达显示
2.2 多普勒径向速度场流型的识别
2.2.1 大中尺度风场特征的识别
基本原则：根据径向风的分布反推实际 风，主要依据是零等速度线的分布 2.2.1.1 大中尺度连续风场的识别
2.2.1.2 大中尺度不连续风场的识别
2.2.2 2-20公里小尺度风场特征的识别
2. 雷达图基本识别
2.1 反射率因子图 2.2 速度图
2.1 反射率因子图
• PPI
• 垂直剖面
• CAPPI
2005年5月31日14点47分在北 京产生大冰雹的超级单体风暴
黑格比台风
2004年4月22日冷空气爆发（合肥雷达）
基 反 射 率 因 子
大尺度连续风场的识别
确 定 雷 达 上 空 大 尺 度 流 场 风 向 的 原 理
大 尺 度 连 续 风 场 的 识 别
提供风场信息
大尺度不连续风场的识）流场特征的识别
多普勒天气雷达原理
多普勒天气雷达原理嘿，朋友们！今天咱来聊聊多普勒天气雷达原理。
你说这玩意儿就像一个超级厉害的“天气侦探”！想象一下，这天气就像个调皮的小孩子，一会儿哭一会儿笑，一会儿晴天一会儿下雨，可难捉摸啦！那多普勒天气雷达呢，就是专门来对付这个调皮鬼的。
它是怎么工作的呢？就好像它有一双特别厉害的眼睛，能发射出一种特殊的波，然后这些波碰到云层、雨滴啥的，就会反弹回来。
这雷达就根据这些反弹回来的波，来了解天气的各种情况。
你说神奇不神奇？它就像能看透天气的心思一样！比如说，它能知道云团移动的速度和方向，哇，这可太重要啦！要是能提前知道云团正快速朝我们这边移动，还带着大雨，那我们不就能提前做好准备啦，该收衣服的收衣服，该找地方躲雨的躲雨。
这还不算啥呢，它还能分辨出不同的天气现象。
就像我们能一眼认出苹果和香蕉一样，它也能分辨出是下雨、下雪还是刮大风。
这多厉害呀！而且啊，这多普勒天气雷达可不会偷懒，它一直坚守岗位，一刻不停地观察着天气。
它就像一个忠诚的卫士，默默地守护着我们的天空。
咱平时出门，要是有它帮忙，那可就方便多啦。
不用再担心突然被雨淋成落汤鸡，也不用害怕刮大风把我们吹得东倒西歪。
它就像我们的贴心小助手，随时给我们提醒。
你说，要是没有这多普勒天气雷达，我们的生活会变成啥样？那估计得经常被天气弄得措手不及吧！所以啊，我们得好好珍惜这个厉害的“天气侦探”，让它为我们的生活保驾护航。
总之呢，多普勒天气雷达原理就是这么神奇，这么重要。
它让我们能更好地了解天气，更好地应对各种天气变化。
咱可得感谢那些发明和使用它的人，让我们的生活变得更加有保障，更加美好呀！你们说是不是呢？原创不易，请尊重原创，谢谢!。
多普勒雷达原理
多普勒雷达原理多普勒雷达是一种利用多普勒效应进行目标探测与测速的雷达系统。
它基于多普勒效应的原理，通过测量目标相对于雷达的速度变化，实现对目标的探测和跟踪。
本文将介绍多普勒雷达的原理以及其在实际应用中的作用。
一、多普勒效应的基本原理多普勒效应是由奥地利物理学家克里斯托夫·多普勒于1842年发现的。
它描述的是当发射器和接收器相对于运动的目标靠近或远离时，频率会发生变化的现象。
在雷达系统中，这种频率变化可以用来确定目标运动的速度。
当雷达向目标发送电磁波时，如果目标与雷达靠近，接收器收到的回波会发生频率上升的变化。
反之，如果目标与雷达远离，则回波的频率会下降。
这种频率变化被称为多普勒频移，它与目标的速度成正比。
二、多普勒雷达的工作原理多普勒雷达的基本工作原理是利用多普勒效应测量目标的速度。
它通过发射器发送高频的电磁波，并接收目标回波的信号。
接收到的信号经过信号处理后，可以得到目标相对于雷达的速度信息。
具体而言，多普勒雷达系统包括一个发射器和一个接收器。
发射器发射高频的连续波或脉冲波，这些波在空间中以一定的速度传播。
当波与运动的目标相遇时，发生回波。
接收器接收到回波信号后，通过频率分析等方法，提取出其中的多普勒频移。
多普勒频移的大小与目标相对于雷达的速度成正比。
根据多普勒频移的大小可以确定目标的运动状态，包括向雷达靠近或远离以及速度大小等信息。
这些信息对于目标的跟踪、识别和定位非常重要。
三、多普勒雷达在实际应用中的作用多普勒雷达在许多领域都有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 气象雷达：多普勒雷达被广泛用于天气预报中的降水预测和风暴跟踪。
通过测量降水物体的速度和方向，可以预测降水的类型和强度，并及时发出预警，保护人们的生命和财产安全。
2. 空中交通管制：多普勒雷达可以用于监测飞机的速度、航向和高度，为航空机构提供实时的飞行信息。
这些信息对于空中交通管制的安全和效率非常重要。
3. 汽车雷达：多普勒雷达广泛应用于汽车领域的自动驾驶和智能安全系统中。
第二章多普勒天气雷达原理
§ 在雷达波束中，与天线等距离的粒子同时被探 测脉冲所照射，同时开始产生回波，并同时回 到雷达天线。与天线距离不相等的回波信号， 也有可能同时回到雷达天线。这是因为探测脉 冲具有一定的宽度τ，因而在它通过粒子时产 生的回波信号也有宽度τ。这样，距离较近的 两个粒子虽然它们开始产生回波的时间并不相 同，但是，它们的回波信号仍然有一部分能够 同时回到雷达天线。
§ 可以证明，在径向方向上，粒子的回 波信号能同时返回雷达天线的空间长度
为 h/2，称为雷达的有效照射深度。
有效照射深度
§ 天线开始收到A粒子的回波信号的时间为
t1
2r1 c
§ 开始收到B粒子的回波信号的时间为
t2
2r2 c
§ 最后收到A粒子回波信号的时间为
t3
2r1 c
§ 若天线开始收到B粒子回波的时间恰好是 最后收到A粒子回波的时间
波束截面半径
§r100km=0.87km §r200km=1.745km §r300km=2.618km
与接收机有关的参数
§ 雷达天线所收到的回波信号是非常微弱的。所以， 雷达接收机必须具有接收微弱信号的能力。这种能 力常称为灵敏度，它用接收机的最小可辨功率Pmin来 表示。所谓最小可辨功率，就是回波信号刚刚能从 噪声信号中分辨出来时的回波功率。我国新一代天 气雷达（S波段）接收机的最小可测灵敏度对于短脉 冲(1.57μs)是-107dbm,对于长脉冲（4.71μs）是113dbm。
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。
多普勒天气雷达原理与应用2-数据质量控制
Problems with Legacy Technique
Applying Legacy Clutter Suppression
Filtering of normal vs. transient (AP) clutter Bypass Map for normal clutter
杂波过滤器旁路图。注意极坐标网格中标出了 那些需要实施抑制的库。
槽口宽度
1-- 3.4节；2 -- 4.8节；3 -- 6.8节
对杂波信号的去除过程。杂波信号最窄的位置有最大的信号衰减。
在雷达控制台（UCP）的杂波抑制区屏幕
当上图中的文件被下载时形成的滤波型。
2.5.1.5 残留杂波
距离折叠与速度模糊
最大不模糊距离与距离折叠 最大不模糊速度与速度模糊 多普勒两难
Notes
Note: there should be numbers along the color bar, but I did not allow enough space to plot the numbers out properly and so they appear as „*‟ Note: I will follow up on Jim‟s suggestion of doing only the lowest elevation angle and report later on that.
2）异常传播回波发生在距雷达不同的距离上
3）超折射一般发生在温度随高度升高而增加和（或） 湿度随高度增加而减少的大气层次内
地物残留
7月2日 01：12
郑州 20080519 0800
抑制地物杂波的基本思路
天气雷达的基本工作原理和参数-168页文档资料
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。
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。
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）
多普勒天气雷达：原理、应用与收获总结
多普勒天气雷达：原理、应用与收获总结以下是多普勒天气雷达原理与应用课程的总结：1.雷达基本原理与组成雷达是一种利用无线电波探测目标的电子设备。
它通过发射电磁波，并接收目标反射回来的电磁波，根据反射回来的电磁波的特性，推断出目标的位置、速度、形状等信息。
雷达主要由发射机、接收机、天线和显示器等组成。
发射机产生高频电磁波，并通过天线向空间发射。
当电磁波遇到目标时，它会被反射回来并被天线接收。
接收机接收到反射回来的电磁波后，对其进行处理和分析，以推断出目标的位置、速度、形状等信息。
2.多普勒天气雷达原理多普勒天气雷达是一种专门用于探测天气目标的雷达。
它利用多普勒效应原理，测量目标的速度和方向。
当雷达发射的电磁波遇到运动目标时，反射回来的电磁波的频率会发生变化。
多普勒天气雷达通过测量这种频率变化，可以推断出目标的速度和方向。
同时，根据反射回来的电磁波的振幅和相位等信息，还可以推断出目标的形状和大小。
3.多普勒天气雷达的应用多普勒天气雷达在气象领域有着广泛的应用。
它主要用于探测台风、暴雨、冰雹等恶劣天气，为气象预报和灾害预警提供重要依据。
此外，多普勒天气雷达还可以用于空气质量监测、气候变化研究、航空航天等领域。
4.课程收获与总结通过学习多普勒天气雷达原理与应用课程，我们了解了雷达的基本原理和组成，以及多普勒天气雷达的工作原理和应用。
我们学会了如何利用雷达数据分析和推断天气信息，并掌握了雷达在气象领域中的应用方法和技巧。
在本课程中，我们学习了很多有用的知识和技能，包括：雷达方程和散射截面、电磁波的传播特性、多普勒频移和速度估计、气象目标的识别和处理等。
这些知识和技能不仅可以帮助我们更好地理解雷达的工作原理和应用，还可以为我们的后续学习和工作打下坚实的基础。
总之，学习多普勒天气雷达原理与应用课程，不仅让我们深入了解了雷达的工作原理和应用，还提高了我们的数据处理和分析能力，为我们的后续学习和工作打下了坚实的基础。
雷达气象学原理多普勒天气雷达
多普勒天气雷达除此之外，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。
以前，用常规天气雷达进行的天气预报 仅仅使用反射率因子资料。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。
多普勒频率与径向速度的关系
假设多普勒雷达发射脉冲的工作频率为f0，目标与雷达的距
离为r，则雷达波发往目标到返回天线所经过的距离为2r。这 个距离用波长来度量，相当 个波长；用弧度来衡量相当于 个弧度。若所发射的电磁波在天线处的位相为 ，那么电磁波 被散射回到天线时的相位应是
位相的时间变化率
由于目标物的径向运动引起 的雷达回波信号的频率变化，它 就是多普频移或多普勒频率。
多普勒雷达是通过直接测量多普勒 频率来得到径向速度的吗?
4.2 多普勒雷达径向速度探测方法
Pulse-Pair Method 脉冲对方法
取两个连续的脉冲然 后测量接收脉冲的相位， 这种脉冲对位相变化可以 比较容易并且比较准确地 测量
DΦ/dt 实际上就是角 速度 = w = 2πfd
假定当第一个脉冲遇到目标物时，该目标物距雷达的距离为r，则该目标物 产生的回波到达雷达时的位相为：
2、平均多普勒频移及频谱宽度
3、平均多普勒速度和速度谱宽度
注意：脉冲对方法并没有从回波信号中提取频谱或功率谱，从而 不能按以上公式计算和，而是直接对回波信号作简便计算求得。
(8.43)
影响速度谱宽的气象因子
谱宽表征着有效照射体内不同大小的多普勒速度偏离其平 均值的程度。谱宽可以用做速度估计质量控制的工具：当谱宽 增加，速度估计的可靠性就减小。对气象目标物而言，影响谱 宽的主要因子有四个：
多普勒天气雷达产品的识别与分析(天气雷达基础知识)
3.2 强对流天气发生的背景环境
• 大气垂直稳定度 • 水汽条件 • 抬升 • 垂直风切变
3.3 垂直风廓线及其对对流风暴的作用
• 普通单体风暴的风向随高度的分布杂乱无章，基本上是一 种无序分布，而且风速随高度的变化也较小；
• 多单体强风暴和超级单体风暴的风向风速随高度变化分布 是有序的，风向随高度朝一致方向偏转，而且风速随高度 的变化值也比普通单体风暴的大。
• 影响速度谱宽的主要因子有四个： 1. 垂直方向上的风切变； 2. 大气的湍流运动； 3. 不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀分布； 4. 由波束宽度引起的横向风效应。
1.8 标准大气雷达测高公式 • H=h0+R*sinθ+R2/17000，单位：千米
1.9 PPI图上距离与高度
1.10 天气雷达的局限性
衰减的暂时的解决办法
• 结合S波段雷达使用 波长:10cm, 强天气的衰减不明显
衰减的暂时的解决办法
课间休 息
3、多普勒天气雷达识别对流风暴及其强烈天气
单元重难点： • 1、风暴的运动 • 2、对流风暴的模型 • 3、个例分析
3.1 对流风暴的分类
普通单体风暴 多单体风暴 超级单体风暴 线风暴（飑线）
• 多普勒频移与目标物在雷达径向方向上的速度分量v有关，满足如下 关系： fd= 2v∕λ (式中λ是雷达波长，fd是多普勒频移)
• 多谱勒速度是径向速度，垂直于雷达波束的速度分量（切向速度）不 能直接测量。
1.7 多谱勒速度谱宽W
• 多谱勒速度谱宽 表征着雷达有效照射体积内不同大小的多谱勒速度偏离其平均值的 程度，实际上它是由散射粒子具有不同的径向速度所引起的。
1.1 天气雷达基本结构
多普勒天气雷达原理与应用
第六部份 多普勒天气雷达原理与应用（周长青）我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特点；新一代天气雷达产品第一章 我国新一代天气雷达原理一、了解新一代天气雷达的三个组成部份和功能新一代天气雷达系统由三个要紧部份组成：雷达数据搜集子系统（RDA ）、雷达产品生成子系统（RPG ）、主用户处置器（PUP ）。
二、了解电磁波的散射、衰减、折射散射：当电磁波束在大气中传播，碰到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。
衰减：电磁波能量沿传播途径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理缘故是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部份能量被散射，另一部份能量被吸收而转变成热能或其他形式的能量。
折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率散布的不均匀性（密度不同、介质不同），使电磁波传播途径发生弯曲的现象，称为折射。
2/3730/776.0T e T P N +=波束直线传播波束向上弯曲波束向下弯曲000=><dz dN dzdN dzdN三、了解雷达气象方程其中Pr 表示雷达接收功率，Z 为雷达反射率，r 为目标物距雷达的距离。
Pt 表示雷达发射功率，h 为雷达照射深度，G 为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，K 表示与复折射指数有关的系数，C 为常数，之决定于雷达参数和降水相态。
四、了解距离折叠最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=PRF, c 为光速，PRF 为脉冲重复频率。
距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种识别错误。
当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（可是可估量它的正确位置）。
当目标位于最大不模糊距离（Rmax ）之外时，会发生距离折叠。
换句话说，当目标物位于Rmax 之外时，雷达却把目标物显示在Rmax 之内的某个位置，咱们称之为‘距离折叠’。
6多普勒天气雷达原理与应用
6多普勒天气雷达原理与应用多普勒天气雷达是一种利用多普勒效应来探测降水、风速和风向等气象参数的雷达，广泛应用于气象预报、水资源管理、防灾减灾等领域。
下面将从多普勒天气雷达的原理和应用两个方面进行详细介绍。
一、多普勒天气雷达原理：多普勒天气雷达利用物体回波的多普勒频移来测量物体的运动状态。
其原理可以通过以下几个步骤来理解：1.信号发射与接收：雷达通过天线向大气中发射脉冲信号。
脉冲信号是一种特殊的波形，其特征是能够精确测量反射信号的时延。
雷达波束探测的范围称为体积样积分区（VCP）。
2.对流层的多次散射：当雷达脉冲信号遇到大气中的物质（如雨滴、冰晶等）时，部分能量会被这些物质散射反射回来，形成回波。
3.多普勒频移的测量：回波信号中包含了大气物质运动的信息。
相对于静止的物体而言，当物体以一定速度向雷达或远离雷达运动时，回波信号的频率会发生变化，这就是多普勒频移效应。
4.频谱分析与信号处理：雷达对回波信号进行频谱分析，可以得到回波信号频率的分布情况。
通过计算信号的频移量，可以得到大气物体沿径向的速度和方向。
二、多普勒天气雷达的应用：多普勒天气雷达主要应用于气象预测、水资源管理和防灾减灾等领域，具有以下几个方面的应用：1.气象预报：多普勒天气雷达可以精确测量降水的强度、区域分布和降雨类型（如雨、雪、冰雹等），有助于提高天气预报的准确性。
通过观测和分析雷达回波，可以及时预警并预测强降水、洪水、暴风雨等极端天气事件，为防范和减轻灾害提供重要数据支持。
2.水资源管理：多普勒天气雷达能够实时监测和测量降水的强度和分布，在水资源管理中起到重要作用。
通过对降水数据的分析，可以为城市供水、水库调度、灌溉农业等方面的决策提供准确的水资源量和雨量预测信息。
3.风速与风向测量：多普勒天气雷达还可以测量大气中的风速和风向。
利用雷达的多普勒频移原理，可以从回波中获取风场流场的信息，包括垂直风速的分布、风向的变化等，为气象、航空、海洋等领域提供有关风的数据。
多普勒气象雷达工作原理
多普勒气象雷达工作原理小伙伴们！今天咱们来唠唠超级厉害的多普勒气象雷达。
你可别小看这个雷达哦，它就像气象界的超级侦探，能发现好多关于天气的小秘密呢。
你知道吗？多普勒气象雷达主要是靠发射和接收电磁波来工作的。
就好像是雷达在对着天空大喊一声：“天气情况咋样呀？”然后等着天空回应它。
这个雷达会发射出一种特定频率的电磁波，这种电磁波就像一个个小小的信使，朝着天空中的云啊、雨滴啊之类的东西飞奔而去。
当这些电磁波碰到云里的小水滴或者雨滴的时候，有趣的事情就发生啦。
这些小水滴和雨滴就像调皮的小孩子，它们会把电磁波给反射回来。
就好像是它们接到了雷达的问候，然后赶紧回答：“我们在这儿呢！”雷达就会收到这些反射回来的电磁波。
那多普勒气象雷达的独特之处在哪呢？这就和多普勒效应有关啦。
想象一下，你站在路边，一辆汽车鸣着喇叭呼啸而过。
当汽车朝着你开过来的时候，你听到的喇叭声音是比较高的音调，等汽车开过去远离你的时候，你听到的喇叭声音音调就变低了。
这就是多普勒效应在生活中的体现。
在气象雷达里呢，当雨滴朝着雷达运动的时候，反射回来的电磁波的频率就会变高；要是雨滴是远离雷达运动的呢，反射回来的电磁波频率就会变低。
雷达就可以根据这个频率的变化，算出雨滴是朝着哪个方向运动的，运动的速度有多快。
这就好比雷达能知道那些雨滴是着急地朝着某个地方赶去，还是慢悠悠地在天空溜达呢。
而且呀，通过分析反射回来的电磁波的强度，雷达还能知道云里有多少小水滴或者雨滴呢。
如果反射回来的电磁波很强，那就说明云里的小水滴或者雨滴比较多，可能是那种厚厚的云层，说不定还会带来一场大雨呢。
要是反射回来的电磁波比较弱，那可能就是比较稀薄的云，也许就只是飘过几片小云彩，不会有啥大动静。
多普勒气象雷达还能对不同高度的天气情况进行探测。
它就像一个有着好多层的大蛋糕，每一层都能仔细地查看。
这样就能知道在低空是不是有大雾要形成啦，在高空是不是有强对流天气在酝酿呢。
这个雷达就像是气象工作者的得力小助手。
第二章多普勒天气雷达原理剖析
第二章 多普勒天气雷达原理
电磁波及其在大气中的传播 电磁波在大气中的衰减 电磁波在大气中的折射 雷达气象方程
一、电磁波及其在大气中的传播
电磁波及其在大气的传播
•气象目标对电磁波的散射
气象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测大气的 基础。雷达波速通过云和降水粒子时被散射，其中 有一部分向后的散射波要返回雷达方向，被雷达天 线接收。雷达接收的向后的散射可用振幅和位相来 表示，就可以提取气象目标物的反射率因子、径向 速度和速度谱宽等三种基本产品。
天线方向图
天线方向图：天线的水平和垂直面上的辐射能流密度的相对分布 图（主瓣、旁瓣和未瓣） 波束宽度（θ 和Ф ）：两个半功率点方向之间的夹角。波束宽度 越小，角度的分辨率越高，探测精度也越高。
天气增益G:辐射总能量相同时，定向天线在最大辐射方向的能流
密度与各项均匀辐射的天线的能流密度之比。
旁瓣回波
形成超折射时，雷达波遇到地物所产生的向后的反 射波也沿同样的路径返回天线。所以雷达显示屏上地物 回波增多增强，通常成为超折射回波。超折射回波常呈 辐砧状排列的短线，较大时也会呈片状。
表明暖干盖的气象条件存在：气温向上递增，水汽 压向上迅速递减。
超 折 射 回 波
四、雷达气象方程
一些重要的雷达参数
脉冲宽度τ
探测脉冲的振荡持续时间，称为脉冲宽 度τ。由于探测脉冲具有一定的持续时 间，因而它在空间也有一定的长度h。
h=τc
若脉冲宽度以μs为单位，则上式可以写 成
h=300τ(m)
我国新一代天气雷达（S波段）有两个 脉 冲 宽 度 ： 短 脉 冲 （ 1μs ） 和 长 脉 冲 （4μs）。
电磁波及其在大气中的传播
多普勒雷达工作原理
多普勒雷达工作原理
多普勒雷达是一种利用多普勒效应原理工作的雷达系统。
它通过发送和接收微波信号来探测目标物体的运动状态和速度。
多普勒效应是由于发射源和接收器之间的相对运动而引起的频率变化现象。
当一个运动的目标物体与雷达系统接近时，目标物体反射回来的信号频率会比发送信号的频率高，而当目标物体远离时，反射回来的信号频率会比发送信号的频率低。
这是因为当目标物体靠近雷达系统时，目标物体不断地压缩微波波长，使接收信号的频率增加；而当目标物体远离雷达系统时，目标物体不断地拉长微波波长，使接收信号的频率减小。
多普勒雷达利用这一原理来分析目标物体的速度。
它发送一个具有固定频率的微波信号，并接收目标物体反射回来的信号。
通过比较发送信号和接收信号之间的频率差异，可以确定目标物体相对于雷达系统的速度。
如果接收信号的频率比发送信号的频率高，那么目标物体靠近；如果接收信号的频率比发送信号的频率低，那么目标物体远离。
多普勒雷达在很多领域都有广泛的应用。
例如，在交通领域，多普勒雷达可以用来监测车辆的速度，以实施交通管理和执法。
在气象领域，多普勒雷达可以用来测量降水物理特性，跟踪风暴系统的移动，并预测天气变化。
在军事领域，多普勒雷达可以用来探测敌方目标的移动并提供战术情报。
总之，多普勒雷达通过利用多普勒效应原理来分析目标物体的速度和运动状态，具有广泛的应用前景。
多普勒雷达原理
多普勒雷达原理
多普勒雷达是一种应用多普勒效应的雷达系统，用于测量目标的速度和方向。
多普勒效应是指当发射器和接收器之间的距离与目标靠近或远离时，接收到的信号频率会发生变化。
根据此原理，多普勒雷达系统通过比较发射的频率和接收到的频率之间的差异来计算目标的运动状态。
多普勒雷达系统由发射器、接收器和信号处理器组成。
发射器发射脉冲信号，这些信号以一定的频率传播并击中目标。
当信号与目标相遇时，目标表面上的物体会反射部分信号回到雷达接收器。
接收器接收到反射回来的信号，并将其与发射的信号进行比较，计算目标的速度和方向。
在多普勒雷达系统中，接收到的信号频率与目标的速度有关。
当目标靠近雷达时，信号频率增加；当目标远离雷达时，信号频率减小。
通过测量接收到的信号频率与发射信号频率之间的差异，可以确定目标的速度以及其相对于雷达的运动方向。
多普勒雷达广泛应用于气象观测、空中交通管制、车辆测速等领域。
在气象观测中，多普勒雷达可以用来探测风暴中的降雨强度、风速和风向等信息。
在空中交通管制中，多普勒雷达可以用来监测飞机的速度和运动方向，以保证航空安全。
在车辆测速中，多普勒雷达可以被安装在警车上，通过测量车辆的速度来进行交通执法。
总之，多普勒雷达通过利用多普勒效应来测量目标的速度和方
向。
它在各种应用领域中发挥着重要作用，为我们提供了丰富的信息并保障了安全。
多普勒天气雷达原理与业务应用--汇总
Pr .54
P P P P
r1 r2 r3 r4
4
3 根据雷达气象方程
2 P rr Z c
求出反射率因子 Z
4 用 dBZ=10lgZ 把 Z 转换成 dBZ 2.5.5.3 平均径向速度数据获取步骤 ①为了使对每个 0.13 海里的距离库的速度估计误差不大于 2 节（1 米/秒） ， 需要 40-50 个脉冲对。 ②求脉冲对位相矢和： 这一步使用位相矢来代表脉冲对。
多普勒天气雷达原理与业务应用
第一章 引论
1. 在我国东部和中部地区，装备先进的新一代 S 波段（10cm）和 C 波段（5cm） 多普勒天气雷达系统。沿海地区设（S 波段）雷达，内陆地区设（C 波段）雷达。 2. 计划在全国共布置（158）部新一代天气雷达。到 2005 年 5 月份为止，已布 设 80 余部新一代天气雷达。 3．新一代天气雷达系统的应用主要在于对灾害性天气，特别是与风害和冰雹相 伴的灾害性天气的监测和预警。 它还可以进行较大范围降水的定量估测，获取降 水和降水云体的风场结构。 4．新一代天气雷达的应用领域有哪些？ （1） 对灾害性天气的监测和预警。 （2） 定量估测大范围降水。 （3） 风场信息。 （4） 改善高分辨率数值天气预报模式的初值场 5．辐合（辐散）在径向风场图像中表现为一个最大和最小的径向速度对，两个 极值中心的连线和雷达的射线（相一致） 。气流中的小尺度气旋（或反气旋）在 径向风场图像中也表现为一个最大和最小的径向速度对， 但中心连线走向则与雷 达射线（相垂直） 。 6．新一代天气雷达采用（全相干）体制，共有（7）种型号，其中 S 波段有(3) 种型号，称为（SA、SB、SC） ，C 波段有(4)种型号，分别为（CINRAD-CB、CC、 CCJ、CD） 。 7．新一代天气雷达的三个主要部分： （雷达数据采集子系统（RDA） 、雷达产品 生成子系统（RPG）和主用户终端子系统（PUP） ）以及连接它们的通信线路。 RDA 和 RPG 由一条（宽带）通讯线路连接，RPG 和 PUP 由一条（窄带）通讯 线路连接。由 RDA 的数字化基本数据经过(RPG)中的各种算法生成一系列的产
多普勒雷达原理
汽笛声变调的启示--多普勒雷达原理1842年一天，奥地利数学家多普勒路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车由远而近时汽笛声变响，音调变尖（注：应为“汽笛声的音频频率变高”）；而火车由近而远时汽笛声变弱，音调变低（应为“汽笛声的音频频率降低了”）。
他对这种现象感到极大兴趣，并进行了研究。
发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的缘故，称为频移现象。
因为这是多普勒首先提出来的，所以称为多普勒效应。
由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验进行验证。
几年后有人请一队小号手在平板车上演奏，再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化，验证了该效应。
为了理解这一现象，需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播过程中表现出的是声波波长缩短，好像波被“压缩”了。
因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好像波被“拉伸”了。
因此，汽笛声听起来就显得低沉。
用科学语言来说，就是在一个物体发出一个信号时，当这个物体和接收者之间有相对运动时，虽然物体发出的信号频率固定不变，但接收者所接收到的信号频率相对于物体发出的信号频率出现了差异。
多普勒效应也可以用波在介质中传播的衰减理论解释，波在介质中传播，会出现频散现象，随距离增加,高频向低频移动。
多普勒效应不仅适用于声波,它也适用于所有类型的波，包括电磁波。
多普勒效应被发现以后，直到1930年左右，才开始应用于电磁波领域中。
常见的一种应用是医生检查就诊人用的“彩超”，就是利用了声波的多普勒效应。
简单地说，“彩超”就是高清晰度的黑白Ｂ超再加上彩色多普勒。
超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号，向人体心血管器官发射，当超声波束遇到运动的脏器和血管时，便产生多普勒效应，反射信号为换能器所接受，根据反射波与发射波的频率差可以求出血流速度，根据反射波的频率是增大还是减小判定血流方向。
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雷达气象方程
Pt G h Pr i 2 2 ln 2 r 单位体积 1024
2 2
假设条件：在波束宽度范围内，雷达的辐射强度是均匀 的；在有效照射体积内降水粒子大小的分布是均匀的。 上式中是对有效照射体积内所有降水粒子后向散射截面 求和而得到的
气象目标强度的雷达度量
气象目标对雷达后向散射能力的强弱通 常称为气象目标强度，参量为反射率和 反射因子
电磁波及其在大气中的传播
•气象目标对电磁波的散射
云和降水粒子散射的能量在各方向上不一致，而向后方（即 向雷达方向）散射的能量（回波功率）是雷达所关心的，因此 引入后向散射截面的概念。 散射截面的概念：假设一个理想的散射体，其截面积为σ，它 能把全部接收射到其上的电磁波能量，并能全部均匀地向四周 散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度恰好 等于同距离上实际散射体返回天线的电磁波能流密度，则该理 想散射体的截面积σ就称为实际散射体的向四周散射截面。
Pt G Pr 3 4 4 r
雷达气象方程（单目标）
2 2
单目标雷达气象方程，与雷达本身参数、气象目标物特性 （后向散射截面）和离开雷达的距离有关
有效照射深度和体积
有效照射深度：在雷达波束径向方向上，粒子的回波信 号能同时返回雷达天线的空间长度，h/2=ｔc/2； 有效照射体积：在波束宽度为θ和Ф范围内，粒子的回波 信号能同时返回雷达天线的空间体积。
第二章 多普勒天气雷达原理
第二章 多普勒天气雷达原理
电磁波及其在大气中的传播
电磁波在大气中的衰减
电磁波在大气中的折射
雷达气象方程
一、电磁波及其在大气中的传播
电磁波及其在大气中的传播
•气象目标对电磁波的散射
气象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测大气的 基础。雷达波速通过云和降水粒子时被散射，其中 有一部分向后的散射波要返回雷达方向，被雷达天 线接收。雷达接收的向后的散射可用振幅和位相来 表示，就可以提取气象目标物的反射率因子、径向 速度和速度谱宽等三种基本产品。
降水率与dBZ
雷达估计降水错误的来源之一 Z估计错误
①地物杂波 ②非正常传播（AP） ③波束部分充塞 ④湿的天线罩
雷达估计降水错误的来源之二 Z-R关系误差
滴谱分布的变化 混合型降水与亮带
雷达估计降水错误的来源之三
位于波束以下的影响带来的误差
强水平风 雷达波束下面的蒸发 在雷达波束下的并合
四、距 离 折 叠
距离折叠是指雷达对雷达回波的目标物位置的一种辨 识错误。 当目标位于最大不模糊距离rmax以外时，雷达却把目标 物显示在rmax以内，称之为距离折叠
最大不模糊距离rmax：当雷达发出的一个脉冲遇到该距 离处的目标物产生的后向散射返回到雷达时，下一个 雷达脉冲刚好发出，这个目标物距离雷达的距离成为 最大不模糊距离。
3
R＝降水率 D＝滴直径 N(D)＝给定直径的滴数目／立方米 Wt(D)=给定直径滴的下落速度
Z相同
R不相同
R相同
Z不相同
b Z=AR
层状云降雨 地形雨 雷阵雨 WSR-88D
Z=200R1.6 Z=31R1.71 Z=486R1.37 Z=300R1.4
比 较 Z-R 关 系
谢
谢！
表明暖干盖的气象条件存在：气温向上递增，水汽 压向上迅速递减。
超 折 射 回 波
四、雷达气象方程
一些重要的雷达参数
发射机的主要技术参数：波长λ（振荡频率f）、脉 冲宽度ｔ、发射机功率Ｐ和脉冲重复频率PRF
波段、频率和波长关系表
频率(MHz) 30000 10000 6000 3000 1500
波长(cm) 1 3 5 10 20
波段 K X C S L
脉冲宽度ｔ：探测脉冲的振荡持续时间 脉冲宽度Pt ：发射机发出的脉冲峰值功率
脉冲重复频率PRF ：每秒产生的脉冲数目
脉冲宽度τ 探测脉冲的振荡持续时间，称为脉冲宽 度 τ 。由于探测脉冲具有一定的持续时 间，因而它在空间也有一定的长度h。 h=τc 若脉冲宽度以μs为单位，则上式可以写 成 h=300τ(m) 我国新一代天气雷达（ S 波段）有两个 脉 冲 宽 度 ： 短 脉 冲 （ 1μs ） 和 长 脉 冲 （4μs）。
10 lg
Pr Pr0
2 kdr0r源自r P r0 10
0.2 kdr
0
r
衰 减 造 成 回 波 失 真
回 波 失 真 图
回波失真图
10cm 5cm
二、电磁波在大气中的折射
电磁波在水平分层介质中传播
电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大 气中由于折射指数分布不均匀，就会产生 折射，是电磁波的传播路径发生弯曲。电 磁波的折射对天气雷达的探测影响非常大。
反射率：
单位体积内云雨粒子后向散射截面的求和（单 位：cm2/m3）。
单位体积
i
反射率越大，说明单位体积内降水粒子尺度越大和多， 表明气象目标强度强。后向散射截面仅与波长和降水粒 子特性有关。
反射率因子： 单位体积内降水粒子直径的6次方的总和
Z
单位体积
D
6 i
单位体积内降水粒子直径的6次方的总和。反射率因子 Z大小反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度， 常用来表示气象目标的强度，仅取决于气象目标本身。
电磁波及其在大气中的传播
•气象目标对电磁波的散射
S i S s 2 4r
后向散射截面是一个虚拟的面积，表示降水粒子后向散射 的能力。越大表示粒子的后向散射能力越强，产生的回波 信号也越强。
圆球形粒子的散射
气象上云滴、雨滴和冰雹等粒子一般可近似地 看着是圆球形。当雷达波长确定后，球形粒子 的散射情况取决于粒子直径与入射波长之比。 在粒子直径D远小于入射波长λ 时，满足雷利 散射；在直径D与电磁波波长入相当情况下的 球形粒子散射称为米散射。
天线方向图
天线方向图：天线的水平和垂直面上的辐射能流密度的相对分布 图（主瓣、旁瓣和未瓣） 波束宽度（θ 和Ф ）：两个半功率点方向之间的夹角。波束宽度 越小，角度的分辨率越高，探测精度也越高。 天气增益G:辐射总能量相同时，定向天线在最大辐射方向的能流 密度与各项均匀辐射的天线的能流密度之比。
旁瓣回波
RHI上的假尖顶回波
雷达气象方程
当雷达发出的电磁波投射到云雨粒子上时， 它们就散射电磁波，其中向后的散射电磁波 被雷达天线所接收，这就是雷达回波。雷达 回波的强度除取决于雷达的参数外，还取决 于云雨的物理特性，以及它们离开雷达的距 离，雷达气象方程用来表示回波强度与哪些 因子有关，以及呈何种关系。
米散射
二、电磁波在大气中的衰减
•电磁波在大气中的衰减
电磁波能量沿传播路径由于部分能量被粒子 吸收而转变为热量或者其他形式的能量而使 电磁波减弱的现象，成为衰减。由于衰减会 造成雷达回波功率减小和雷达回波失真。
衰减系数：通过单位距离电磁波能流密度减少的 分贝数。
P k 10lg P0
雷达回波功率的衰减： 波长增加，衰减迅速减小，云的衰减主要靠吸收，冰云 的衰减系数比水云小2个量级
V= Vfirst-2n Vmax
六、降水估计
样本Z的计算
6 Z=∫N(D)D dD Z＝(729滴/m3)(1mm)6+(1滴/m3)(3mm)6
＝729mm６m－３＋729mm６m－３ ＝1458mm６m－３
样本R的计算
R
6
N D D w D dD t
c Pr 2 Z r
雷利散射的雷达气象方程
在米散射的情况下，用等效反射率因 子（Ze）取代反射率因子（Z）
回波功率、反射率因子与距离订正
回波功率Pr、反射率因子、最小可测功率Pmin dB=10lg (Pr/ Pmin) dBZ=10lg (Z/Z0) Pr=CZ/r2
由上面三式可以推导出： dBZ=20lgr+dB-r（包括距离订正、回波功率与 最小可测功率之比的分贝数以及雷达性能有关 的参数）
其与脉冲重复周期和脉冲重复频率的关系： rmax：=CT/2=C/2PRF
距离折叠
五、回波信号中信息提取
涉及多普勒效应、速度探测方法等等
最大不模糊速度和速度模糊
与180 º 脉冲对相移所对应的径向速度值 称为最大不模糊速度Vmax。
Vmax=λ ×PRF/4
速度退模糊算法
雷利散射
在降水球形粒子直径远小于入射波长时，满足雷利散射， 对于大多数降水粒子对于10cm和5cm雷达都能满雷利散射。 后向散射截面公式：
2 6 i 4 K Di
5
K=m2-1/m2+2，K为粒子介质的复折射指数。
雷利散射的后向散射截面与︱K︳2 有关，其 值对于S、C和X波段雷达均为0.93，冰球 ︱K︳2 其值为0.197，因此冰球的后向散射截面只有 同样大小水球的1/5
超折射回波
当波束路径的曲率大于地球表面的曲率时，雷达波 束在传播过程中将碰到地面，经地面反射后继续向前传 播，再弯向地面，再经过地面反射，如此多次重复，与 波道管中的微波传播相似，故称大气波导传播，又称超 折射。 形成超折射时，雷达波遇到地物所产生的向后的反 射波也沿同样的路径返回天线。所以雷达显示屏上地物 回波增多增强，通常成为超折射回波。超折射回波常呈 辐砧状排列的短线，较大时也会呈片状。