气象卫星与雷达探测

5 气象雷达基本原理和概念
5 气象雷达基本原理和概念
❖ 气象雷达工作原理
气象雷达通过方向性很强的天线向空间发射脉冲无线 电波，它在传播过程中和大气发生各种相互作用。如 大气中水汽凝结物（云、雾和降水）对雷达发射波的 散射和吸收；非球形粒子对圆极化波散射产生的退极 化作用，无线电波的空气折射率不均匀结构和闪电放 电形成的电离介质对入射波的散射，稳定层结大气对 入射波的部分反射；以及散射体积内散射目标的运动 对入射波产生的多普勒效应等。
2 雷达工作基本原理
❖ 雷达：无线电探测和测距，即用无线电方法发现 目标并测定他们在空间的位置。
3 雷达工作的基本频率
3 雷达工作的基本频率
4 雷达的用途及分类
❖军用
预警雷达（发现洲际导弹，尽早地发出预警警报）
搜索和警戒雷达（发现飞机）
引导指挥雷达（歼击机的引导和指挥作战）
火控雷达（控制火炮或导弹对空中目标进行瞄准）
❖ 20世纪80年代后
新一代天气雷达的发展时期，多普勒雷达、双波长雷达、偏振雷达、 风廓线雷达等一大批新型雷达被用于气象探测。
4-3 我国天气雷达发展
❖我国天气雷达发展大致经历了从模拟天气雷 达、数字化天气雷达到多普勒天气雷达的三 个发展阶段。
❖ 未来：双极化、相控阵、多地基雷达。
4-4 我国新一代天气雷达布点
气象雷达与卫星探测
信息与控制学院
主要内容
主要 内容
气象雷达
卫星探测
气象雷达
气象 雷达
（1）雷达发展概况 （2）雷达工作的基本原理 （3）雷达工作的基本频率 （4）雷达的用途及其分类 （5）气象雷达基本原理与概念 （6）多普勒天气雷达
1 雷达发展史
❖ 起步阶段
（1）1903-1904，克里斯琴·赫尔斯迈 耶研制出原始的船用防撞雷达并获 得专利权。
4-1 气象雷达分类
❖ 多普勒天气雷达
4-1 气象雷达分类
❖ 双波长雷达
同时在两个不同 波长上发射和接 收电磁波的雷达
4-1 气象雷达分类
❖ 双偏振雷达
既能发射和 接收水平偏 振波又能发 射和接收垂 直偏振波的 雷达。
我国首台多普勒偏振天气雷达
4-1 气象雷达分类
❖ 双地基雷达
一般的雷达是单基地的， 即发射机和接收机安装在 一起，且通常共用一个天 线。而双基地或多基地雷 达是将发射机和接收机分 别安装在相距很远的两个 或多个站址上。它能有效 地捕捉雷达反射波，借助 高速计算机标绘出隐形战 机飞过时留下的航迹，并 预测之后的航向。
（2）1935年，雷达之父沃森·瓦特 出版《采用无线电方法探测飞机》 ，当年研制出探测距离达到80公里 的米波防控雷达。
（3）二战期间雷达大放异彩。逐步 由军用→民用，雷达在气象中的应 用从天气雷达开始。
沃森·瓦特
1 雷达发展史
❖ 发展阶段
（1）二战后，雷达技术获得了巨大的发展，主要原 因归于两个非常重要的器件发明：T/R（收/发）开 关和磁控管。 （2）收发开关使雷达的探测成功地从双（多）基变 成单基雷达。也就是从发分别用一个天线，到共用 一个天线。大大简化了雷达系统。 （3）磁控管的出现使雷达的探测功率大大提高，从 而大大提高了雷达的探测能力。
美国海基X波段雷达在进行依靠自身动力航行
4-2 气象雷达的发展
❖ 20世纪40年代
萌芽阶段，主要观测回波的形状、移动速度、描述回波的形成发展。
❖ 20世纪50-60年代
定量分析阶段，这一阶段也是常规雷达的发展时期，主要用来分析回 波的降水强度和雷达反射率之间的定量关系。
❖ 20世纪70-80年代
雷达的数字化发展时期，将数字技术和计算机技术大量的应用气象 雷达。
6 多普勒天气雷达
❖ 工作原理
多普勒天气雷达的工作原理即以多普 勒效应为基础，具体表现为：当降水粒子 相对雷达发射波束相对运动时，可以测定 接收信号与发射信号的高频频率之间存在 的差异，从而得出所需的信息。运用这种 原理，可以测定散射体相对于雷达的速度 ，在一定条件下反演出大气风场、气流垂 直速度的分布以及湍流情况等。这对研究 降水的形成，分析中小尺度天气系统，警 戒强对流天气等具有重要意义。
5 气象雷达基本原理和概念
气象雷达回波不仅可以确定探测目标的空间位置、形状、 尺度、移动和发展变化等宏观特性，还可以根据回波信号的振 幅、相位、频率和偏振度等确定目标物的各种物理特性，例如 云中含水量、降水强度、风场、铅直气流速度、大气湍流、降 水粒子谱、云和降水粒子相态以及闪电等。此外，还可利用对 流层大气温度和湿度随高度的变化而引起的折射率随高度变化 的规律，由探测得到的对流层中温度和湿度的铅直分布求出折 射率的铅直梯度，并通过分析无线电波传播的条件，预报雷达 的探测距离，也可根据雷达探测距离的异常现象（如超折射现 象）推断大气温度和湿度的层结。
4-1 气象雷达分类
❖ 常规天气雷达
其探测对象主要是降水和含水量较大 的云体。这类雷达大多工作在波长为3 －10cm之间的微波波段。它主要由发 射机、接收机、显示器和天线系统组 成。有的雷达还配备有数据处理系统 ，以实现彩色回波图象显示，回波外 推预报，和回波资料远距离传送等功 能。天气雷达对雨区的有效探测半径 为 300—400km。由于探测范围广，不 受时间限制，并能提供一定精度的定 量数据等优点，已成为临近天气预报 的主要工具。
战场监视雷达（坦克或军车）
机载雷达
F-源自文库5机 载雷达
俄制舰载型 的“美洲狮 ”火控雷达
4 雷达的用途及分类
❖民用
气象雷达 航空管制雷达等
4-1 气象雷达分类
❖ 按工作原理分类
常规天气雷达； 多普勒雷达 双波长雷达 双偏振雷达 双（多）基地雷达
❖ 按用途分类，测风、测雨、测云等 ❖ 按体制分类，脉冲、调频、多普勒等
1 雷达发展史
❖ 成熟阶段
20世纪60年代以来，航空、航天技术、飞机、导弹、 人造卫星、宇宙飞船等对雷达提出了高精度、远距离 、高分辨率及多目标测量等要求。
（1）技术上：脉冲压缩技术、单脉冲雷达、相控阵雷 达、目标识别、目标成像、SAR、脉冲多普勒雷达。 （2）结构工艺上：微波高功率放大管，如速调管。 （3）雷达的工作波长：从短波扩展至毫米波、红外线 和紫外线领域。在这个时期，微波全息雷达、毫米波 雷达、激光雷达和超视距雷达相继出现。