讲稿-风廓线雷达简介
机场风廓线雷达建设
机场风廓线雷达建设浅谈
5.1 行业规范对风廓线雷达选址的要求 根据《民用航空机场气象台建设指南
》中“以天线反射面中心点为基准点，反 射平面为基准平面”的规定，
假设风廓线雷达天线反射面海拔高度 为y，在距离天线反射面中心点距离为x的 范围内，障碍物海拔高度h应满足以下条 件：
3.1、风廓线雷达原理
机场风廓线雷达建设浅谈
3.2、 风廓线雷达分类
按照对风廓线雷达探测高度需求的不 同，风廓线雷达分为平流层风廓线雷达、 对流层风廓线雷达和边界层风廓线雷达三
种，每种所采用的工作频率也有所不同。
机场风廓线雷达建设浅谈
3.2、 风廓线雷达分类
国内风廓线雷达通常使用的电磁波频 率以及探测高度如下表所示：
机场风廓线雷达建设
机场风廓线雷达建设浅谈
1、摘要 2、引言 3、风廓线雷达介绍： 4、机场风廓线雷达现状 5、机场风廓线雷达的选址 6、机场风廓线雷达的建设
机场风廓线雷达建设浅谈
1、摘要：
本文根据作者实际工作经验，结合民 航气象领域相关规范标准和国内主流风廓 线雷达产品情况，对机场主要使用的边界 层风廓线雷达的选址和建设进行了探讨。
(h-y)/x<tg30⁰
即:h<0.577x+y
机场风廓线雷达建设浅谈
5.1 行业规范对风廓线雷达选址的要求
(h-y)/x<tg30⁰ 即:h<0.577x+y
h
y
x
机场风廓线雷达建设浅谈
5.2风廓线雷达选址探讨 从目前已建设的风廓线雷达选址情况
来看，主要有两种思路： 第一种思路主要考虑使用风廓线雷达
若安装有RASS，选址还应尽量远离居民 区，以免噪声扰民。
风廓线雷达与及激光测风雷达
波束进行控制。②从模块箱接收观测信号,并检测出信号的 相位。③在收发装置中还产生这个系统的时间信号,用于系 统的时序控制。
• 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送来的数据,以 图形方式将处理后的产品显示出来,同时保存数据文件
定位精度
±0.1度
位置分辨率 ±0.01度
位置重复率 ±0.05度
感谢您的聆听
THANK YOU FOR LISTENING
激光测风雷达-分类
探测方式： • 相干探测激光雷达 • 非相干探测（直接探测）激光雷达。
激光测风雷达-分类
• 直接式常以空气分子的瑞丽散射为基础，一般选择蓝绿光或紫外等短 波长激光作为发射源，才能得到比较强的瑞丽散射气象回波信号，经 过单边缘滤波、双边缘滤波或条纹检测手段，通过功率谱分析方法， 间接提取多普勒频率信息。
• 2007年，中国科学技术大学研发了一台波长为355nm的车 载测风激光雷达系统。
• 当前，中国兵器209所在传统扫描方式的基础上，研发了 一种采用二维扫描工作方式的小型三维测风激光雷达。
WindTrace相干激光多普勒测风雷达
技术参数
技术指标
脉冲重复频率 500Hz ±10Hz
脉冲能量
2mJ
风廓线雷达-原理探究
• 实际仪器设计为三波束或五波束 轮流发送
• 通过依次测量1个天顶垂直波束 指向和东、南、西、北4个倾斜 波束指向上各个距离库的多普勒 速度, 在大气水平均匀的条件下, 用同一高度上的5个波束指向的 多普勒速 度测量值联合求解出 大气3维风场。
02 激光测风雷达
激光测风雷达-概念探测
风廓线雷达——一种新型的测风雷达
从 年 10 月 刀 日 本文于 1望 收封
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VAD
时 通 常 要 有 一 定 的假 设 即 认 为 大 气 变 化 在
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对 设 备 的 要求
风廓线雷 达 与常 规的 天 气雷达 一 样 也 包
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提要
一种新型 的 测 风雷达
离仲辉
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(华东 电子丈程研 究所 合肥 力的 31 )
本 文介绍 了 风廓线雷 达的侧风 原理及这种 礴风方 式对 雷达设 备的姿 求 同时 也筒 要 介 绍 了
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与风脚线 雷达祝 合使月的 R 叫沼 系统 原理 主题 询 侧风 风廉线
风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用
风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用1. 引言强对流天气是指发生在大气层中的强烈垂直运动，伴随着强风、大雨、冰雹、龙卷风等天气现象。
由于其突发性和破坏力，强对流天气对人类社会和经济活动造成了极大的威胁。
因此，准确预报强对流天气对于社会和经济的安全十分重要。
本文将探讨风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用。
2. 风廓线雷达技术简介风廓线雷达是一种利用雷达探测大气中散射物体（如悬浮在空气中的小颗粒）的运动信息的仪器。
通过测量散射物体的速度和方向，风廓线雷达可以提供大气中不同高度层的风场信息。
它的工作原理是利用雷达向大气中发射微波脉冲，当这些脉冲与散射物体相互作用时，一部分能量被散射回传到雷达接收器，从而获得风场信息。
3. 风廓线雷达资料的获取与分析风廓线雷达通过不断扫描天空，得到一系列垂直方向上的雷达回波，然后通过信号处理和算法分析，可以得到各个高度层的风速和风向资料。
这些资料可以进行可视化展示，如风廓线图，也可以转换为水平风场图和垂直风剖面图等形式。
在强对流天气预报中，通常会将这些资料与其他观测数据、模型预报等数据进行综合分析，以提高预报的准确性。
4. 风廓线雷达资料在强对流天气预报中的应用4.1 预测对流系统演化强对流天气的演化过程往往与形成对流云的热力学条件和上升运动有着密切的关系。
风廓线雷达可以提供对流云中的气旋度和辐合度等参数，通过分析这些参数的变化，可以预测对流系统的演化趋势。
例如，当气旋度增强和辐合度增大时，预示着对流云将继续发展并可能引发强对流天气。
4.2 定量降水预报强对流天气常常伴随着大雨和冰雹等降水现象。
风廓线雷达可以提供不同高度层的降水强度和降水型态信息，通过分析这些信息，可以定量预报降水的强度和分布范围。
同时，风廓线雷达还可以检测到雨滴的径向速度，通过测量径向速度的变化，可以判断降水颗粒的类型，从而更好地预测降水过程中的冰雹等极端天气。
风廓线雷达
信号处理：相参累积，非相参累积，傅里叶 分析，谱数据处理等
数据处理\显示系统：数据处理主要是进行矢 量合成, 得到每个距离单元上的合成风矢量, 并以一定方式显示在CRT上， 微机即可。
风廓线雷达的特点
（1）获取资料的时间和空间分辨率高，风廓线雷 达的测量具有很高的时间和空间分辨率。从此意义 上讲风廓线雷达的测量具有连续和实时的特点。
指数产生相应的涨落会使波束的电磁信号被散射，
其后向散射将产生一定功率的回波信号，风廓线仪 就是通过接收处理这些回波信号来获取风场的信息。
实际仪器设计为三波束或五波束轮流发送，测出沿各波 束发射方向的径向风速，就可合成垂直运动速度、水平 风向和风速。就如图所示的为三波束，一束向上，两束 分别以α向东和向北倾斜。雷达在器探测周期信号束会 由垂直转向东，再转向北，最后又回到垂直位置，将会 得到不同方向的三组多普勒要素，根据矢量合成原理， 最终得到代表站上空的风向和风速。
（2）获取资料的种类多，风廓线雷达能够提供多 种气象信息。风廓线雷达在提供详细的风场结构及 其随时间演变的同时，还能够提供大量的可以用于 大气科学研究和天气预报的有用信息。特别是，常 规探测手段很难获取这些资料。
（3）遥感方式，风廓线雷达属于遥感设备，特别 适合需要无球探测的场合，如机场的测风应用。
(2)模块箱:内部有24 个模块分别控制24 组天线。
(3) 收发装置: ①向模块箱里的激励单元传送发射信 号,并对各波束进行控制。②从模块箱接收观测信号, 并检测出信号的相位。③在收发装置中还产生这个 系统的时间信号,用于系统的时序控制。
(4) 数据处理单元:主要是用计算机处理收发装置送 来的数据,以图形方式将处理后的产品显示出来,同 时保存数据文件
风廓线雷达和地基微波辐射计在台风中的应用
风廓线雷达和地基微波辐射计在台风中的应用
浦东机场8月4日08:00-5日24:00期间风向、 风速和阵风，4日中午12:00以后，平均风速 稳定在10m/s以上并伴有阵风，平均风速最 大值为14m/s，主要出现在16:30-18：00， 阵风最大值为21m/s，阵风出现在4日12:005日07:14时段，约离台风距离浦东机场同纬 度前后9个小时，风向也在4日21:00以后东 南风转为偏南风
风廓线雷达和地基微波辐射计在台风中的应用
当1km以下高度层出现Cn2高值区，且在2-6km高度层出现次高值区时，对应着强降水，同 时，当高值区逐渐减弱时，也预示着强降水的减弱或终止； 在连续性强降水时段内， SNR最大值高度层稳定的位于5-6km之间
Simple & Creative
感谢观看 不 忘 初 心 砥 砺 前 行 THANKS
出现了长时间的中到大阵雨，5日上午09:54到12:25浦 东机场以小阵雨为主，随后雨止转阴到多云天气。"黑 格比"对浦东机场造成了较为严重的降水影响：12小时 (4日21:00-5日09:00)累计降水量达57.9mm，达暴雨-大 暴雨级别，其中降水主要集中在5日01:00-09:00，而这 与之前研究的台风降水集中在台风登陆前基本一致
风廓线雷达和地基微波辐射计在台风中的应用
1 可以发现，在从4日21:30到5日12:30，5km以下出现大于4m/s的向下速度(对应图中黄色到红色回波)
2 5km以上垂直速度比较小(对应图中蓝色回波)
当出现明显降水过程时，5km以下高度层垂直速度都出现了相应的显著大值区，尤其是4日凌晨到5日上
3 午的强降水过程中，垂直速度大值区高度甚至可以达到5km以上，且垂直速度数值与降水强度基本成正
《风廓线雷达原理》课件
03
特点
接收系统的性能直接影响雷达的灵敏度和抗干扰能力， 因此需要具备高灵敏度和低噪声水平。
天线系统
功能
定向发射和接收电磁波信号。
组成
包括天线阵列和伺服系统等部件，用于控制天线 的方向和扫描范围。
特点
天线系统的性能直接影响雷达的扫描速度和覆盖 范围，因此需要具备高精度和快速响应能力。
信号处理系统
谢谢聆听
将雷达部署至不同地点，实地测量并与标准气 象观测数据进行比较，评估雷达性能。
实验室测试
在特定条件下，模拟雷达工作环境，进行 性能检测。
B
C
长期监测
长时间连续运行雷达，观察其性能变化，评 估其稳定性和可靠性。
与其他雷达比较
将新型雷达与现有雷达进行比较，评估其在 性能、精度和效率上的优势。
D
雷达性能评估方法
风廓线雷达技术发展趋势
探测精度提升
随着技术的不断进步，风廓线雷 达的探测精度将得到显著提高， 能够更准确地测量风速、风向等 气象参数。
多普勒频移技术应
用
多普勒频移技术在风廓线雷达中 的应用将进一步拓展，能够提供 更丰富的气象信息，如湍流、风 切变等。
智能化和自动化
风廓线雷达将朝着智能化和自动 化的方向发展，能够自动识别和 跟踪目标，减轻人工操作的负担 。
风向反演算法
根据雷达回波信号的相位差等信息，反演出 风向信息。
数据后处理
数据融合
将多个雷达站的数据进行融合，提高数据的准确性和 可靠性。
数据可视化
将处理后的数据以图表、图像等形式进行可视化展示 。
数据分析
对处理后的数据进行统计分析，提取有用的气象信息 。
04 风廓线雷达性能评估
《风廓线雷达原理》课件
雷达探测原理
风廓线雷达利用电磁波的传播和反射特性进行探测。它发射电磁波信号，接 收所反射回来的信号，并通过计算距离，得到目标的位置和速度信息。
风廓线雷达监测参数
风廓线雷达可以监测多个重要参数，包括风速和风向，反射率因子以及多普 勒频移。这些参数对于气象学和能源领域的应用具有重要意义。
风廓线雷达工作流程
风廓线雷达的优势和局限性
优势
• 多参数监测，提供全面的气象信息 • 具有强大的实时性，可实时监测天气变化
局限性
• 重构成本较高，要求专业技术支持 • 对电磁环境有一定要求，受到干扰的风
险较高
结语
风廓线雷达在气象学和能源领域中具有重要意义。展望未来，随着技术的不断发展，风廓线雷达将发挥 更大的作用，助力人们更好地理解和利用自然力量。
《风廓线雷达原理》PPT 课件
欢迎大家来到《风廓线雷达原理》的课程，本课程将带领您深入了解风廓线 雷达的原理和应用。让我们一起探索这个神奇的技术吧！
什么是风廓线雷达
风廓线雷达是一种用于监测大气风场和天气变化的先进技术。它能够通过探 测大气中的微弱电磁波信号，获取风速、风向、反射率因子和多普勒频移等 重要参数。
1
雷达发射电磁波
风廓线雷达通过发射电磁波信号来探测大气中的目标。
2
接收信号
风廓线雷达接收目标反射回来的信号。
3
信号处理
通过信号滤波、多普勒频移处理和数据处理等步骤，对接收到的信号进行处理泛应用于风场监测和天气预报， 为气象学提供关键数据。
能源领域
在风电场运维中，风廓线雷达可以提供风速 和风向等数据，帮助优化风力发电。
风廓线雷达原理
因为风廓线雷达同 时要完成测速与定 位功能，所以风廓 线雷达是是无线电 测距与多普勒测速 的结合。
NO.2
国内外发展及应用
风廓线雷达诞生于20世纪80年代，近三十年已经在国 际气象组织得到认可和广泛使用。美国于1992年开始在美国 建成包括35部风廓线雷达的观测网，并进入业务运行，多年 来的运行结果表明，风廓线雷达网资料能满足观测精度的要 求，他的时空分辨率超过任何高空风测量系统。NOAA（美 国国家海洋和大气管理组织）在对风廓线雷达网进行评估时 指出: 6分钟的风廓线资料能显示出锋面，短波波动，气旋 和重力波等系统连续详实的演变过程，资料通话后，明显地 改善了3-6h临近数值预报结果，美国还计划研制是用于热带 海洋地区的太阳能自动风廓线系统。日本与2003年6月建成 包含31部风廓线来打的气象业务观测网，观测资料在多个领 域地得到广泛应用，芬兰，德国，瑞士，英国，法国都建早 有自主的风廓线雷达网
个波束方向发射脉冲进行探测。完成一个波束方向的探测之后，将波束切换到下一个 方向，进行下一个波束方向的探测，直到完成所有波束方向的探测，便完成一个探测 周期，再接着进行下一个周期的探测。因为技术条件的限制，抛物面天线雷达只能采 用单波束的工作方式。
多波束工作方式：在多波束工作方式下，相控阵风廓线雷达可以近乎同时完成多个
4.分类
NO.5
显示的图形产品
风廓线仪的数据处理由一台高性能的PC机来实现，它与信号处理器通过DMA相 联接，实时采集信号处理器输出的各波束射向上每个距离库的信号功率谱密度分布 ，经处理估算出各高度上水平风向﹑风速﹑垂直运动速度和各高度上cn2值，将处 理结果形成各类图形产品，建立数据和图形产品库，通过网络或其他通信方式，向 外传送观测数据和图形产品。
风廓线雷达原理ppt课件
.
13
风廓线探测高度以及工作频率图如下
.
14
风廓线仪系统结构框图
风廓线仪主要由五部分组成:天馈﹑发射/接收机﹑信号处理器﹑数据处理及监控分 机。图中虚线部分为声发射器，与风廓线仪联合使用，构成无线电—声探测系统。
.
15
NO.4
风廓线雷达的分类
根据天线制式的Βιβλιοθήκη 同，风廓线雷达可分为两大类：一类是采用相控阵天线 的相控阵风廓线雷达；另一类是采用抛物面天线的风廓线雷达。
国内外发展及应用
风廓线雷达诞生于20世纪80年代，近三十年已经在国
际气象组织得到认可和广泛使用。美国于1992年开始在美国
建成包括35部风廓线雷达的观测网，并进入业务运行，多年
来的运行结果表明，风廓线雷达网资料能满足观测精度的要
求，他的时空分辨率超过任何高空风测量系统。NOAA（美
国国家海洋和大气管理组织）在对风廓线雷达网进行评估时
有自主的风廓线雷达网
.
3
▪LO美GO国
➢ NPN(35部对流层)，间隔200公里，每个站 配有一套GPS水汽监测系统。CAP(60多部 各种型号)，由35个部门建设的风廓线雷达 组成。
➢ 探测数据和设备的状态信息一起被发送到位 于Bloulder的风廓线雷达控制中（PCC）。 经过数据处理和质量控制，每小时平均的风 数据和温度数据经过计算后发送给NOAA风 廓线雷达网（NPN）的用户。
单波束工作方式：风廓线雷达在探测时，在某一时刻只有一个波束，雷达仅沿这一
个波束方向发射脉冲进行探测。完成一个波束方向的探测之后，将波束切换到下一个 方向，进行下一个波束方向的探测，直到完成所有波束方向的探测，便完成一个探测 周期，再接着进行下一个周期的探测。因为技术条件的限制，抛物面天线雷达只能采 用单波束的工作方式。
浅谈风廓线雷达的原理及其应用
浅谈风廓线雷达的原理及其应用作者：牟杰来源：《科学与技术》 2019年第1期摘要：风廓线雷达是一种新型的高空大气探测系统，需要在晴空天气下进行探测，可以实时监测大气三维风场信息。
本文结合风廓线雷达原理，探讨了风廓线雷达的应用，仅供相关部门进行参考借鉴。
关键词：风廓线雷达；原理；应用引言风廓线雷达的应用实现了无人值守，可以对各种气象要素数据进行监测，同时具有高时空分辨特征。
因风廓线雷达探测优势和自身资料特点的综合作用，促进了数值预报模式工作的顺利开展，提升了天气预报的精细化水平。
风廓线雷达的使用弥补了传统探空资料时空密度不足的缺陷，同时还摆脱了时间方面的限制，在研究天气系统结构和演变中发挥着重要作用。
1.风廓线雷达的原理1.1风廓线雷达的定义将不同方向的电磁波束朝着高空发射，对因大气垂直不均匀而返回的电磁波束信息进行接收并处理的高空风场探测遥感设备称之为风廓线雷达。
结合风廓线雷达中的多普勒效应可实现区域上空随高度变化的风向、风速等气象要素数据的探测，其优点是探测时空分辨率高、自动化程度强等。
将声发射装置与风廓线雷达进行结合构成了具有无线电结构的声探测系统，可遥感探测到大气中温度的垂直廓线。
1.2风廓线雷达分类根据不同的天线制式，可以将风廓线雷达划分为相控阵风廓线雷达和抛物面风廓线雷达。
相控阵风廓线雷达体制可在各种类型的高空探测中使用，也是当前使用最为广泛的技术体制。
因风廓线雷达在测量气流速度的同时，还要定位空间气流信息，应具备发射脉冲电磁波和多普勒测速的功能，可以将风廓线雷达划分到脉冲多普勒雷达中。
晴空天气是风廓线雷达的主要探测对象，因此风廓线雷达往往被人们称之为晴空雷达。
根据不同的探测高度，可以将风廓线雷达划分为三种：边界层、对流层和中间层-平流层-对流层风廓线雷达。
其中边界层风廓线雷达的探测高度在3km左右，对流层风廓线雷达探测高度在12~16km之间；中间层-平流层-对流层风廓线雷达的探测高度在两者之间，其中探测高度不足8km的则称之为低流程风廓线雷达。
风廓线雷达与激光测风雷达
激光测风雷达-分类
探测方式： • 相干探测激光雷达 • 非相干探测（直接探测）激光雷达。
激光测风雷达-分类
• 直接式常以空气分子的瑞丽散射为基础，一般选择蓝绿光或紫外等短 波长激光作为发射源，才能得到比较强的瑞丽散射气象回波信号，经 过单边缘滤波、双边缘滤波或条纹检测手段，通过功率谱分析方法， 间接提取多普勒频率信息。
（1）采用大面积天线,以提高天线增益,所以风廓线雷达一般 为方形天线,不作机械转动,而采用电扫描工作; （2）在每个波束指向探测时,风廓线雷达会驻留几十秒至数分 钟的时间进行连续探测, 并对收集的弱回波信号进行累加, 以 提高回波信噪比; （3）采用多模式组合探测
优势探讨
• 是一种新型的无球高空气象遥感探测设备; • 可以连续提供大气水平风场、垂直气流、大气折射率结构常
• 属于主动测量系统，利用大气中随风飘动的微小颗粒(气 溶胶或者大气分子)对激光的多普勒频移效应来测量大气 风场结构分布的一种现代光电探测技术
• 采用光学方法对测量空域的风场进行非接触式实时三维测 量，同时完成对大气中的气溶胶的扫描
• 利用气溶胶运动产生的多普勒频移确定激光视线方向上的 径向风速的序列，反演观测视场的大气风场分布
中电集团14所 航天科工集团二院23所 安徽四创电子股份有限公
司
爱尔达公司
敏视达雷达有限公司
O CFL-16
O
Airda16000
O
GLC-24 CFL-08 SCRTWP-01
Airda8000
TWP8
CLC-8 CFL-03B K/LLX802
Airda3000
O
GLC-24 （14所） Troposphere Wind Profiler II
机动式边界层风廓线雷达
机动式边界层风廓线雷达风廓线雷达属于遥感设备，已经成为连续、实时遥感大气风场的有效工具，特别适合需要无球探测测风的场合。
风廓线雷达在提供详细的风场结构及其随时间演变的同时，还能够提供大量的、常规探测手段很难获取的可以用于大气科学研究和天气预报的实时三维精细风场信息，在科学研究和业务应用上有着广泛的应用前景。
主要技术特点
全相参脉冲多普勒体制；
低副瓣微带相控阵天线；
窄脉冲、全固态发射机，可靠性高；
超高灵敏度、大动态数字化接收机；
可编程高性能的新一代风廓线雷达信号处理器；
智能化数据处理终端；
灵活的参数设置功能；
高度自动化，无人值守，掉电自动保护；
自动标校功能
系统组成、基本工作原理
雷达由天馈系统、发射系统、接收系统、信号处理系统、监控系统、终端显示系统、发电系统、空调系统、屏蔽网等组成。
雷达整机在总体布局上分为车外设备、车内设备两部分。
车外部分为天馈系统，其余设备为车内设备。
风廓线雷达原理
径向速度以朝向天线运动为正，失量的分量取正直代表风向。水平风速 VH,风向由UE，UN导出：
垂直波束的径向速度URd与大气垂直速度一致。 由于倾斜波束偏离垂直方向的角度较小，取其水平方向的分量误差较大，因此， 垂直波束的测量误差要小于水平分量的误差，即风廓线雷达最适用于大气垂直的气流 测量 风廓线测风的分层高度 风廓线雷达可采用不同的模式工作，有发射脉冲宽度确定分层高度。边界层，对 流层和平流层风廓线雷达有不同的分层高度。 根据探测高度的不同，可以将风廓线雷达分为边界层风廓线雷达，对流层风廓线 雷达，以及中间层-平流层-对流层风廓线雷达（MST）.边界层风廓线雷达的探测高 度一般在3千米左右，对流层风廓线雷达的探测高度在12~16千米。MST雷达的探测 高度可以达到中间层高度。
LOGO
风廓线雷达原理
中国气象局气象探测中心 2011年11月5日
NO.1
风廓线基本概念
从遥感角度讲 风廓线雷达(wind profiler radar,WPR) 主要是利用 大气 湍流对电磁波的散 射作用对大气风场 等物理量进行探测 的一种主动式地基 遥感设备。 从测量角度讲 从应用系统讲
风廓线雷达以晴空大气作为 探测对象，利用大气对电磁 波的散射进行风场的测量， 能够实时提供大气的三维风 场信息，增加无线电声学探 测系统（RASS），与微波 辐射仪或GPS/MET水汽监 测系统配合，可实现对大气 风、温、湿等要素的连续遥 感探测，是一种新的高空大 气探测系统。
NO.5
显示的图形产品
a.观测时间的风速﹑风向随高度变化图
C2 n n
2
NO.5
生成产品
NO.5
生成产品
d.SNR值分布随时间变化图
NO.5
生成产品
风廓线雷达——精选推荐
简介风廓线雷达是通过向高空发射不同方向的电磁波束，接收并处理这些电磁波束因大气垂直结构不均匀而返回的[1]信息进行高空风场探测的一种遥感设备。
风廓线雷达利用多普勒效应能够探测其上空风向、风速等气象要素随高度的变化情况，具有探测时空分辨率高、自动化程度高等优点。
在风廓线雷达基础上增加声发射装置构成无线电——声探测系统，可以遥感探测大气中温度的垂直廓线。
风廓线雷达能够提供以风场为主的多种数据产品。
其基本数据产品包括径向速度、谱宽、信噪比、水平风向、水平风速、垂直速度和反映大气湍流善的折射率结构常数cn2等的廓线[2]。
编辑本段风廓线雷达原理大气中折射率的不均匀能够引起对电磁波的散射，其中大气中的湍流活动导致折射率涨落而引起的散射（即湍流散射），散射层的运动和湍流块的运动都可造成返回电磁波信号的多普勒频移，采用多普勒技术可以获得其相对于雷达的径向速度，通过进行多射向的速度测量，在一定的假定条件下可估测出回波信号所在高度上的风向、风速和垂直运动，从而获取大气风廓线资料。
用于这一探测目的的脉冲多普勒雷达称为风廓线雷达[2]。
编辑本段风廓线雷达工作频带编辑本段风廓线雷达的归属与分类风廓线雷达(wind profiler)主要是利用大气湍流对电磁波的散射作用对大气风场等物理量进行探测的遥感设备。
根据天线制式的不同，风廓线雷达可以分为两大类:一类是采用相控阵天线的风廓线雷达，另一类是采用抛物面天线的风廓线雷达，相控阵风廓线雷达体制适用于各种高度的探测，成为目前普遍采用的技术体制。
近年来，也出现了抛物面天线的风廓线雷达，但是由于发射功率等技术条件的限制，抛物面天线风廓线雷达的探测高度仅限于边界层。
因为风廓线雷达在进行气流速度测量的同时，还要对气流进行空间定位，所以不论是相控阵天线风廓线雷达，还是抛物面天线风廓线雷达，都需要发射脉冲电磁波并具有多普勒测速功能，因此，可以将风廓线雷达归类于脉冲多普勒雷达，其中，采用相控阵体制的风廓线雷达也可以归类于相控阵雷达.根据探测高度的不同，可以将风廓线雷达分为边界层风廓线雷达、对流层风廓线雷达以及中间层一平流层一对流层雷达(MST)。
风廓线雷达数据处理与应用研究
风廓线雷达数据处理与应用研究风廓线雷达数据处理与应用研究一、引言风廓线雷达是一种用于探测大气中风场特征的高分辨、全天候雷达系统。
它利用探测得到的散射信号和多普勒频移信息，可以获取大气中不同高度上的风速和风向数据。
这些数据对于气象、航空、气候等领域的研究和应用具有重要意义。
风廓线雷达数据的处理和分析是利用这一技术的关键环节，本文将对风廓线雷达数据的处理方法和应用进行研究和探讨。
二、风廓线雷达数据处理方法1. 数据获取风廓线雷达通过发射微波信号，利用散射回波量测来自大气中不同高度上的信号强度。
这些回波信号被接收到雷达天线，并通过模拟/数字转换等方式将其转化为数字信号保存。
获取的原始数据包括频率、强度和多普勒频移信息。
2. 数据预处理原始数据存在一定的噪声和杂波，需要进行滤波和去噪处理。
滤波可以选择不同的算法，如中值滤波、卡尔曼滤波等。
去噪处理可以采用傅立叶变换、小波变换等频域方法，也可以利用滑动窗口平均、差分算法等时域方法。
3. 数据分析数据分析主要包括信号处理、多普勒频移解算和风分析。
信号处理包括雷达图像生成和分析，可以利用滤波、插值等算法对散射回波信号进行处理和可视化展示。
多普勒频移解算是指通过多普勒频移信息计算出风速和风向，可以利用傅立叶变换、互相关等方法进行解算。
风分析是利用解算得到的风速和风向数据，对大气运动、风场结构等进行分析和研究。
三、风廓线雷达数据应用研究1. 气象学应用风廓线雷达可以提供大气中不同高度上的风场特征，对于气象学研究有着重要意义。
可以通过分析风廓线数据，探测大气中的气旋、锋面等天气系统；研究大气运动对降水、气温等气象要素的影响；监测大气层结、对流发展等气象过程；识别大气中的边界层和湍流等。
2. 航空航天应用风廓线雷达可以提供精确的风速和风向数据，在航空和航天领域有着广泛的应用。
利用风廓线雷达可以监测低空风场，为飞机起降、航迹规划等提供重要参考信息；可以预测复杂气象条件下的空气动力学影响，提高航空器的飞行安全性；可以研究风切变等对飞行的影响，改善飞行操纵性能。
风廓线雷达
风廓线雷达
风廓线雷达是一种用于探测大气中风速和风向的仪器。
它通过发射无线电波至大气中，并接收反射回来的信号来获取相关数据。
风廓线雷达在气象学、气候研究和天气预报等领域具有重要的应用价值。
原理
风廓线雷达工作原理是基于多普勒效应。
它通过测量反射回来的无线电波的频率变化，从而得出大气中不同高度处的风速和风向信息。
风廓线雷达可以获取垂直方向的风廓线数据，为研究气象变化提供了重要数据支持。
应用
•气象研究：风廓线雷达可以用于监测大气中风场的变化，为天气和气候研究提供了有力数据支持。
•天气预报：通过监测大气中风速和风向的变化，风廓线雷达可以提供精准的风暴预警，为应急管理提供重要信息。
•航空领域：风廓线雷达可以用于监测飞机起降过程中的气象条件，确保航班安全。
发展趋势
随着气象技术的不断发展，风廓线雷达的性能和精度不断提高。
未来，风廓线雷达将更加智能化、精准化，为气象预测和气候研究提供更好的支持。
结论
风廓线雷达作为一种重要的气象探测设备，发挥着重要作用。
随着技术的不断发展，风廓线雷达将在气象领域发挥越来越重要的作用，为人类的生活和发展提供更好的服务。
风廓线雷达的原理及其应用
U tan1 E
UN
2 2 VH UE UN
垂直波束的径向速度URd与大气垂直速度一致。 由于倾斜波束偏离垂直的角度较小，取其水平分量的误差较大，因此，垂直波束的测量误 差要小于水平分量的误差，即风廓线雷达最适于大气垂直气流的测量。 3、风廓线雷达测风的分层高度 风廓线雷达可采用不同的模式工作，由发射脉冲宽度确定测风的分层高度。边界层、对流 层和平流层风廓线雷达有不同的分层高度。 如某对流层风廓线雷达的三种工作模式对应的脉冲宽度分别是0.5μs、2μs、10μs。1μs 电磁波传输了300m的距离，则低、中、高模式的体平均值分别为75m、300m和1500m。表 明每种模式分别对应厚度风的平均值。如图10所示。
业务应用的风，如规定等压面，规定高度等都是在计算层风的时间和风向风 速关系曲线上用线性内插的方法求得。 由于大部分业务应用的风正好落在计算层风对应时间的概率很小，业务所需 的风向风速几乎都是内插求得的。 《规范》规定的风内插方法，风向风速是 分别进行的。 在进行风的内插处理时，风速都作为正值处理。而风速是有方向的，采用线 性内插法忽视了其方向性。而风向在一个圆周上取平均值，尤其是在间隔时 间较大的情况下，也是有问题的。 因此，在应用传统测风方法所得风向风速的数据时，应注意以下问题： 1）风是相对于某一高度层的平均风，忽略了层内的风向风速变化，即湍流运 动。在计算层内，当风向风速有较大变化时，不能代表该层风的实际情况。 2）在探空同时测风的情况下，风的分层高度分别约为400米、800米和1600 米。小球单测风是上述分层高度的一半。 3）气球定位测风并不是测站上空的风，其高层风的测量结果可能是 100公里 以外的情况，当大气流场不均和锋面过境时，可能完全不能代表测站上空的 情况。
(完整版)讲稿-风廓线雷达简介
TWP8 （敏视达） Troposphere Windprofiler
1.4 风廓线雷达的探测优势
1. 自动化程度较高； 2. 全天候无人值守地长期连续运行； 3. 较高的可靠性和稳定性； 4. 探测资料种类多，分辨率高，精度高；
2 风廓线雷达探测原理
2.1 晴空的电磁波散射
1. Bragg散射——折射率空间分布周期性的变化引起对相 同波长电磁波造成散射。大气中的湍流活动造成折射率 的空间涨落，也称作湍流散射；
假设均匀风场的风矢量为 V [u,v,w]
eE, eN分别表示沿正东和东北波束的单位向量。
evE [sin,0,cos]
evN [0,sin,cos]
由向量内积的物理意义，有
Vrx
v V
*
evE
Vry
v V
*
evN
Vrx usin wcos
即
Vry vsin wcos
国外风廓线雷达探测网
美国的NPN探测网 欧洲的WINPROF计划
日本的WINDAS探测网
• 美国
➢ NPN(35部对流层)，间隔200公 里，每个站配有一套GPS水汽监 测系统。CAP(60多部各种型号)， 由35个部门建设的风廓线雷达组 成。
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风廓线雷达发射的电磁波在大气中传播过程
中，由于大气折射率的空间不均匀分布而产生散
射，其后向散射能量被风廓线雷达所接收，能实
时提供大气的三维风场信息。
增加无线电声学探测系统（RASS），与微波
辐射仪或GPS/MET水汽监测系统配合，可实现对大
2 风廓线雷达探测原理
2.1 晴空的电磁波散射
1. Bragg 散射 —— 折射率空间分布周期性的变化引起对相
同波长电磁波造成散射。大气中的湍流活动造成折射率 的空间涨落，也称作湍流散射； 2. Fresnal 散射 —— 折射率梯度很大的水平层状结构上对 电磁波的反射; 3. Thomson 散射 —— 电离层中的大量自由电子对入射电磁 波的散射。
1270-1375MHz
高对流层 风廓线雷达
最大探测高度:12～16km 起始高度:150m 高度分辨率:120m
边界层大气风场 观测
晴空局地空域气 流监测 中尺度灾害性天 气监测 边界层数值预报
低对流层 风廓线雷达
最大探测高度:6～8km 起始高度:300m 高度分辨率:240m
边界层 风廓线雷达
理论研究和实际使用的结果都表明NOAA风廓线雷 达网对于天气预报具有很重要的价值，尤其是监 测墨西哥湾水汽输送过程中的低空急流。NOAA风 廓线雷达网的数据对于预测这种低空急流引起的 夜间雷暴非常重要。
• 日本
WINDAS(31部1.3G风廓线 雷达)，间隔130公里。 经过台站级处理的10分 钟平均的风数据传输到 风廓线雷达控制中心， 通过进一步的一致性检 验后用于数值天气预报。 WINDAS用于预报台风、 梅雨和中纬度低压引起 的强降水。
1 N 1 N f ( j )f ( f j )f 2 P r j 0
通过多普勒频移和多普勒速度 之间的关系得到多普勒速度。
fd
2Vr
经过计算，即可获得个高度层上的水平风向风速、垂直气 流速度、功率谱密度、大气折射率结构常数Cn2等各种数 据产品和图像产品
风廓线雷达回波信号的特点： 1. 微弱；
向东的波束方向为 x轴正方向，指向北的波束
方向为 y 轴正方向，建立直角坐标系；在球坐 标系下，雷达为坐标原点， r为空间点到原点 距离，φ表示天顶角，θ表方位角，由 x轴正
方向逆时针旋转。
在观测周期内，如果水平风场保持均匀，那么可以通过简单的几何 关系，由径向速度导出水平风。
3.1.1 三波束
一个波束指向天顶，用于测量垂直速度；两个在方位上间隔 90°的倾斜波束，分别指向正北和正东，倾斜波束的天顶角是状态 量，以φ表示。假定Vrz，Vrx，Vry分别表示天顶、正东和正北三 个波束方向的径向速度的测量值。那么经过简单的几何投影，可以 根据以下方程计算出该高度上风矢量的三个分量。垂直风由垂直波 束直接测量得到。
• • •
•
风廓线雷达分类
100 000 m 60 000 m 16 000 m 12 000 m 8 000 m 6 000 m 5 000 m 3 000 m 300 m 50 m
46-68MHz
中层风廓线雷达 对流层风廓线雷达 低对流层风廓线雷达 边界层风廓线雷达
440-450MHz
440-450MHz
O
GLC-24
CLC-8
航天科工集团二院23所
CFL-16
CFL-08
CFL-03B
安徽四创电子股份有限公司
O
SCRTWP-01 Airda8000
TWP8
K/LLX802 Airda3000
O
爱尔达公司 敏视达雷达有限公司
Airda16000
O
GLC-24 （14所） Troposphere Wind Profiler II
假设均匀风场的风矢量为
V [u, v, w]
eE, eN分别表示沿正东和东北波束的单位向量。
eE [sin ,0,cos ] eN [0,sin ,cos ]
由向量内积的物理意义，有
Vrx V * eE Vry V * eN
Vrx u sin w cos
2. 涨落现象十分明显；
3. 伴随多种杂波
2.4 风廓线雷达数据
一致性风
估算的合成风 大尺度气象特征（几小时-数天） 中尺度的气象特征（一小时-数小时） 微/小尺度气象特征（几分钟-1小时） 飞机 谱变换后的功率谱 间歇性噪声源 鸟类、昆虫等点状目标物 非稳定的风场（大尺度湍流） 降水 （或有速度折叠）
各库上的谱参数
谱平均后的功率谱
持续性噪声源
背景噪声
地物杂波
3 风速计算方法
3.1 水平风场均匀假设下风的计算
由径向速度求解水平风，需要对水平风场的分布做一定的假设， 1）水平风均匀的假设，2）线性风场的假设
在直角坐标系中，将风速分解为u， v， w三个 分量，规定垂直风向上为正。分廓线雷达测得 的径向速度用Vr表示，规定径向速度远离雷达 方向为正，朝向雷达为负。为方便讨论，以指
风廓线雷达监测网将有助于：
1. 弥补常规高空探测网在时空密度上的不足； 2. 天气系统的识别； 3. 中小尺度灾害性天气的监测； 4. 减少数值预报模式中对短时风场预报误差。
1.2 国外风廓线雷达进展
1950和1960 年代：位于地面的雷达能够通过探测晴空湍流的后向散射信 号，测量包括风速在内的一些大气参数。 1974年，建立观测高层大气风的风廓线雷达模型。 1986年，美国海洋大气管理局（NOAA）率先在美国中部布设包括 31部风 廓线雷达的观测网，并在1992年最终完成了NPN（NOAA Profiler Network, NOAA风廓线网）。 1987年，欧盟委员会 COST－74 项目（ COST 表示由欧盟委员会支持的欧 洲国家间协调开展的科学技术领域合作研究项目）开始支持风廓线雷达的 开发和利用。 1988年，日本气象厅（JMA）下属的气象研究所建造了一台UHF风廓线雷达 1994年，欧盟委员会 COST－76 项目继续给予支持。 2001年，日本气象厅完成了25部风廓线雷达所组成的业务网WINDAS。
即
Vry v sin w cos
V rz w
。
因此，可由以下方程组计算该高度的风矢量， Vrx Vrz cos u sin
Vry Vrz cos v sin
w V rz
。
3.1.2 五波束 采用五波束时，同样一个波束指向天顶，用于测量垂 直速度；四个倾斜波束在方位上均匀分布，天顶角是状态 量，均为φ ，先将两个相对方向的倾斜波束的径向速度进 行平均，如西波束VrW和东波束VrE，北波束VrN和南波束VrS， 方程如下所示
Vs AT
1/ 2
2.2 风廓线雷达分类
• 根据大气湍流散射理论，对雷达发射的电 磁波能够产生有效后向散射的湍流涡旋尺 度等于雷达波长的一半。 在风廓线雷达的探测高度确定之后，风廓 线雷达可使用的工作频段也就随之确定。 即探测高度达到对流层以上的风廓线雷达 选择VHF频段，典型工作频率约为45MHz。 对流层和低对流层风廓线雷达选择UHF(P 波段)频段，典型工作频率约在 450-900 MHz。 边界层风廓线雷达选择L波段，典型工作频 率在1200 MHz 左右。
K/LLX802 （四创） Boundary Layer Wind profiler
Airda 3000 （爱尔达） Boundary Layer Windprofiler
TWP8 （敏视达） Troposphere Windprofiler
1.4 风廓线雷达的探测优势
1. 自动化程度较高； 2. 全天候无人值守地长期连续运行； 3. 较高的可靠性和稳定性； 4. 探测资料种类多，分辨率高，精度高；
CFL-16 （23所） Troposphere Wind Profiler I
Virtual Temperature
CFL-08 （23所） Troposphere Wind Profiler II
CFL-03B （23所） Boundary Layer Wind Profiler
SCRTWP-01 （四创） Troposphere Wind profiler
网” 。
• • • •
我国从2004年开始建设风廓线雷达网。 目前国内约布设了十四部。 北京及其周边地区的风廓线雷达示范网已初具规模。 计划在2010年前再完成30部风廓线雷达的建设。
张北 延 庆 海 淀 南 郊 密 云唐山高对流层 风廓来自雷达低对流层 风廓线雷达
边界层 风廓线雷达
中电集团14所
湍流散射（Bragg散射）探测原理
0.39Cn
2 4/3
2 1 / 3
Cn a L0 M
2
Cn为大气折射率结构常数，M是水平折射率的垂直梯度，L0是 湍流外尺度
Bragg散射-在弹性散射(elastic scattering)中， 入射光的能量没有损耗,但入射光的传播 方向发生变化。 当入射光的波长与散射目标的直径接近时,为布拉格散射 (Bragg scattering);布拉格父子1915年共同获诺贝尔物理学奖：William Henry Bragg & William Lawrence Bragg； 当入射光的波长远大于散射目标的直径时,为雷利散射 (Rayleigh scattering).
• 欧洲 已有约 28 部风廓线 雷达投入运行，并 将资料发送给英国 气象局，并通过因 特网实时显示获得 的探测数据。 欧洲的风廓线雷达 网采用的频段包括 50MHz 、 400MHz 及 1000MHz。
1.3 国内风廓线雷达发展现状
目前国内的风廓线雷达技术已趋于成熟，有能力立 足于国内技术组建适宜气象业务需求的风廓线雷达网。 《我国高空探测系统发展规划（1996-2010）》提出 “逐步发展风廓线雷达和 GPS探测系统”，“在中尺度天 气监测预报服务基地优先布设风廓线雷达，风廓线雷达 宜安插在常规探空测站之间或天气变化的敏感区；风廓 线雷达站间距以200-250公里为宜，建立风廓线雷达探测