风廓线雷达原理ppt课件
合集下载
相关主题
- 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)。
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
.
1
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 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。
.
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Байду номын сангаас﹑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
根据天线制式的不同，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。
.
18
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
.
19
C
2 n
NO.5
生成产品
.
20
NO.5
生成产品
d.SNR值分布随时间变化图
.
21
NO.5
生成产品
➢e.S/N值随时间变化图
.
22
谢谢！
.
23
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。
➢ WINDAS用于预报台风、 梅雨和中纬度低压引 起的强降水。
.
5
国内情形
中国气象局所属部门陆续 在北京、上海、唐山、张北、 青岛、深圳、大理、电白等 地布设了数十部风廓线雷达。
.
6
• 随着我国国民经济的发展。当前对气象保障工作的要求越来越高，各级气象 部门对风廓线雷达愈来愈迫切。在中国气象局完成多普勒天气雷达网的建设 后，预计风廓线雷达将是下一个重要的布网装备。
2010年3月浙江首个风廓线雷达在甬安装 完成试运营
.
2010年8月湖北省气象局安装的移动 方舱边界层 风廓线雷达
7
风廓线雷达和探空站网布局
风廓线雷达网布局
.
8
NO.3 风廓线雷达的探测原理
风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，利用大气湍流对电磁波的 散射作用进行大气风场等要素的探测。风廓线雷达的电磁波在大气传播工 程中，因为大气湍流造成的折射率分布不均而产生散射，其中后散射能 量被风廓线雷达所接受。一方面，根据多普勒效应确定气流沿雷达波束方 向的速度分量；另一方面，根据回波信号往返时间确定回拨位置。
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
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
波束方向的发射或接受任务。多波束是相控阵了雷达相对于机械扫描雷达所特有的技 术。
.
10
NO.3
风廓线基本原理
同轴共线线极化天线阵
五波束风廓线雷达指向示意图
.
11
NO.3
有三个波束即可计算出风向风速。设风矢量沿正东正北和垂直的分量为 UE,UN和Ud，矢量沿偏东和偏北，垂直三波束上的投影，各向速度分量计算公 式为：
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。
根据雷达工作频率的不同，可将风廓线雷达分为甚高频（VHF），超高频
（UHF）和L波段三类。一般情况下边界层风廓线用的是L波段，对流层风
廓线雷达选用超高频（P波段），探测高度在平流层上的风廓线雷达大致
选用甚高频。
.
16
4.分类
.
17
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。
由于大气湍流折射率的不均匀性，会引起电磁波的散射。向空中发射电磁 波，即使在晴空大气中也会接受到大气的回波。大气湍流散射的雷达方程为:
其中Pr为雷达接收到的回拨功率，Pt为雷达发射的脉冲功率。 h为雷达的
取样长度，τ为雷达发射脉冲宽度，L是雷达天馈雄的损耗，R是回波所在距离。
.
9
基本工作原理
为了获取风廓线雷达上空的三维风速信息，至少需要三个不共面的波束 为此，一些风廓线雷达，特别是抛物面天线风廓线雷达 一般采用三个固定 指向波束。三个波束一般是：一个垂直波束，两个倾斜束。倾斜波束的天 顶角一般在十五度左右。但是为了提高高空探测精度相控阵风廓线雷达一 般会采用5个固定指向波束。
➢ 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。
.
4
国内外发展及应用
▪ 日本
➢ WINDAS(31部1.3G风廓线雷达)，间 隔130公里。
➢ 经过站台处理的10分钟的平均风数 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。
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
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：
.
12
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
.
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。
2
NO.2
根据探测高度的不同，风廓线雷达又分为边界层风廓线雷达，对流层风廓 线雷达和中间层-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一般在12-16 千米，其中探测高度在8千米以下的低对流层风廓线雷达。MST雷达的探 测高度可达到中间层高度。
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。
风廓线雷达原理
中国气象局气象探测中心 2011年11月5日
.
1
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 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。
.
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Байду номын сангаас﹑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
根据天线制式的不同，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。
.
18
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
.
19
C
2 n
NO.5
生成产品
.
20
NO.5
生成产品
d.SNR值分布随时间变化图
.
21
NO.5
生成产品
➢e.S/N值随时间变化图
.
22
谢谢！
.
23
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。
➢ WINDAS用于预报台风、 梅雨和中纬度低压引 起的强降水。
.
5
国内情形
中国气象局所属部门陆续 在北京、上海、唐山、张北、 青岛、深圳、大理、电白等 地布设了数十部风廓线雷达。
.
6
• 随着我国国民经济的发展。当前对气象保障工作的要求越来越高，各级气象 部门对风廓线雷达愈来愈迫切。在中国气象局完成多普勒天气雷达网的建设 后，预计风廓线雷达将是下一个重要的布网装备。
2010年3月浙江首个风廓线雷达在甬安装 完成试运营
.
2010年8月湖北省气象局安装的移动 方舱边界层 风廓线雷达
7
风廓线雷达和探空站网布局
风廓线雷达网布局
.
8
NO.3 风廓线雷达的探测原理
风廓线雷达主要以晴空大气作为探测对象，利用大气湍流对电磁波的 散射作用进行大气风场等要素的探测。风廓线雷达的电磁波在大气传播工 程中，因为大气湍流造成的折射率分布不均而产生散射，其中后散射能 量被风廓线雷达所接受。一方面，根据多普勒效应确定气流沿雷达波束方 向的速度分量；另一方面，根据回波信号往返时间确定回拨位置。
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
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
波束方向的发射或接受任务。多波束是相控阵了雷达相对于机械扫描雷达所特有的技 术。
.
10
NO.3
风廓线基本原理
同轴共线线极化天线阵
五波束风廓线雷达指向示意图
.
11
NO.3
有三个波束即可计算出风向风速。设风矢量沿正东正北和垂直的分量为 UE,UN和Ud，矢量沿偏东和偏北，垂直三波束上的投影，各向速度分量计算公 式为：
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。
根据雷达工作频率的不同，可将风廓线雷达分为甚高频（VHF），超高频
（UHF）和L波段三类。一般情况下边界层风廓线用的是L波段，对流层风
廓线雷达选用超高频（P波段），探测高度在平流层上的风廓线雷达大致
选用甚高频。
.
16
4.分类
.
17
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。
由于大气湍流折射率的不均匀性，会引起电磁波的散射。向空中发射电磁 波，即使在晴空大气中也会接受到大气的回波。大气湍流散射的雷达方程为:
其中Pr为雷达接收到的回拨功率，Pt为雷达发射的脉冲功率。 h为雷达的
取样长度，τ为雷达发射脉冲宽度，L是雷达天馈雄的损耗，R是回波所在距离。
.
9
基本工作原理
为了获取风廓线雷达上空的三维风速信息，至少需要三个不共面的波束 为此，一些风廓线雷达，特别是抛物面天线风廓线雷达 一般采用三个固定 指向波束。三个波束一般是：一个垂直波束，两个倾斜束。倾斜波束的天 顶角一般在十五度左右。但是为了提高高空探测精度相控阵风廓线雷达一 般会采用5个固定指向波束。
➢ 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。
.
4
国内外发展及应用
▪ 日本
➢ WINDAS(31部1.3G风廓线雷达)，间 隔130公里。
➢ 经过站台处理的10分钟的平均风数 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。
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
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：
.
12
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
.
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。
2
NO.2
根据探测高度的不同，风廓线雷达又分为边界层风廓线雷达，对流层风廓 线雷达和中间层-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一般在12-16 千米，其中探测高度在8千米以下的低对流层风廓线雷达。MST雷达的探 测高度可达到中间层高度。
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。