气象雷达原理期末

5. 雷达系统中，发射系统与接收系统要求的阻抗匹配存在差异 雷达系统中，发射系统要求阻抗匹配，主要是为了发射大功率微波由发射机至天线的最大 程度传输，且不产生反射，以免形成驻波对发射机造成损坏。要尽量实现发射机的输出阻抗与 波导阻抗匹配，波导阻抗与天线阻抗匹配，即完全匹配状态，无反射，电压驻波比为1。接收 系统要求阻抗匹配，主要是为了最大限度的实现从天线到接收机（各级）的最大程度信号功率 传递，避免驻波产生而影响信号特性。 6. 瞬时自动增益控制器 IAGC 的特点：
19. 产生多普勒频移的原因是因为目标相对于雷达存在径向运动（法线方向） 。目标相对于雷 达存在接近的运动， 则雷达回波频率会比发射频率增加一些。 使用多普勒技术可以测量径 向速度，对监测龙卷、台风等极为有利。 20. 脉冲雷达发射机的类型有单级振荡式和主振放大式等。 超外差式雷达接收机的高频部分包 括接收保护装置、低噪放、混频器、本振等部分。 21. 我国的 L 波段探空测风雷达，采用应答式测距技术，即二次雷达技术。采用这种技术的优 势是降低雷达发射功率，简化雷达发射机及天馈线系统。我国的 L 波段探空测风雷达，采 用假单脉冲角度跟踪技术， 即分时对准慢移动的气球目标的方位和仰角。 采用这种技术的 目的是简化馈线系统，使雷达天线结构更加简单。 22. 雷达接收机中的匹配滤波器就是为了获得较高的输出信噪比，不是实现前后级的阻抗匹 配， 更不能提高功率传输比并减少驻波的产生。 匹配滤波器一般在对数中频放大器的各级 电路中部分实现，总效果级联而成，当然也可单独实现。对天气雷达回波的视频积分主要 是为了估计雷达的平均回波功率。对雷达回波的平滑滤波有利于消除回波的瞬时脉动。 23. 发射机有两大类型， 即使用磁控管的单级振荡式和使用速调管的主振放大式等。 其调制器 也有两大类型，即软性和刚性调制器。 24. 由于雷达收发共用天线的原因， 收发开关是完成发射机到天线以及天线到接收机的馈线通 道切换的装置。 雷达收发开关有两大类型，馈线结构实现的通断型和铁氧体环流器型， 前者又有分支线式收发开关和平衡式收发开关之分。 25. 环流器是一种多端口定向传输电磁波的微波部件， 其输入任一端口的功率， 都会按照一定 顺序传输到下一个端口。隔离度是重要指标，常用作雷达的收发开关。 26. 全固态天气雷达一般都使用短波长以获得更强的探测能力，且尺寸更小、重量更轻。 使 用脉冲压缩技术是为了在峰值功率有限的情况下获得更好的探测能力和更好的距离分辨 力。 27. 连续波雷达是通过发射复杂调制波形的无线电波， 通过接收目标回波并处理后获得测距能 力的。 连续波雷达如果使用一个环流器， 可以只使用一副天线来实现电磁波的收发工作。 28. 天气雷达中，常使用一种大功率腔体滤波器对雷达发射信号进行滤波以便实现频谱控制， 目的是抑制雷达发射脉冲造成的频谱泄露，这种滤波器称为频谱滤波器。天气雷达中，常 使用一种大功率腔滤波器对雷达发射信号进行滤波以便实现频谱控制， 目的是抑制非线性 失真造成的高次谐波，这种滤波器称为谐波滤波器。 29. 简单脉冲模式中， 雷达发射的信号就是升余弦函数包络的高频载波信号， 接收信号则包含 目标信息。雷达接收的信号中并非简单地重复了发射脉冲的波形，更与目标有关。 30. 雷达定向耦合器是利用波在传播中的相位关系， 将主波导中入射行波或反射行波的部分功 率耦合至辅波导，用于功率或频率等监视的微波元件，耦合度是重要指标。虽然雷达接收 保护装置存在一定的插损，并增加噪声的引入，降低灵敏度，但是，为了保护接收机不被 损毁，这是必须的部件。 31. 风廓线雷达是基于晴空大气结构的不均匀性来产生后向散射的。 湍流尺寸为探测波长的
一、 基本概念
1. 麦克斯韦（Maxwell）建立的电磁波理论，成为雷达的理论基础。赫茲（Heinrich Rudolf Hertz） 的发射器实验证明了电磁波的存在。 国际电信联盟(ITU)为无线电定位(雷达)指定 了特定的频段。最初的代码(如 P、L、S、C、X 和 K 等)是在二战期间为保密而引入的。尽 管后来不再需要保密，但这些代码仍沿用至今。天气雷达（weather radar）是用于观测 天气系统（一般属于降水系统，含有水滴——雨滴、云滴、冰雹和雪等）的雷达，常使用 S、C 和 X 工作波段。在天气雷达领域，相控阵技术正在引入，以期缩短资料的采集时间。 2. 在雷达领域，收发开关（T/R）是十分重要的器件，它的发明使得收发共用一付天线，极 大地简化了雷达系统。在雷达领域，磁控管是十分重要的器件，它的发明使得发射功率 大幅提高，而成本更低，结果雷达探测能力极大地提高。 3. 气象雷达（meteorological radar） ，就是用于气象探测的雷达。主要有探空测风雷达、风廓 线雷达、天气雷达（含 mm 波测云雷达） 、光达——激光测风（云、大气成分等）雷达、 声达——测温（风）声雷达等种类。 天气雷达（weather radar） ，则是用于观测天气系统 （一般属于降水系统，含有水滴——雨滴、云滴、冰雹和雪等）的雷达。它是气象雷达的 一种。有常规天气雷达、多普勒天气雷达和双极化多普勒天气雷达等种类。 天气雷达发射的电磁波，在传播路径上遇到气象目标物时，会产生后向散射波，被雷达天 线所接收，形成雷达回波。 假设 c 为电磁波传播速度，△t 为雷达脉冲从发出到接收到 回波所用的时间，则目标物距雷达的距离为 R =(1/2)c 。 △t 雷达天线的作用是定向地辐射高频脉冲波并接收来自该方向的回波。 天线一般由两部分 组成：(1)辐射喇叭；(2)反射器，它把来自辐射喇叭的脉冲电磁波，以很小的张角高度定 向地向外反射。 天线增益是指天线定向辐射能流密度与全向（4π立体角）时的比值。 方向性增益乘上 辐射效率因子ρT(或天线效率η)就是实际的天线增益。 天线方向图上波束主瓣的最大辐 射的方向就是雷达天线的方向， 也就是雷达天线电轴和机械轴的方向。 天线方向图上与 主瓣的最大辐射量相比，两边的两个半功率点的方向的夹角，称为波束宽度。 后向散射截面（Radar Cross Section）也叫雷达截面。它表征的不是目标的横截面或表 面，但与目标及其表面的几何形状、尺寸、材料（体目标介质）的性能、雷达电磁波频率 等有关。后向散射截面（Radar Cross Section）用来表征目标反射雷达电磁波能力的量 度，也叫雷达截面。假设有一种理想散射体，当目标的散射能量与其相当时，其散射面积 就代表目标的雷达截面。 8. 雷达测角的前提条件是天线具有极强的方向性， 这一特性获得了天线的增益， 并使目标的 角跟踪成为可能。雷达测距的前提条件是电磁波直线传播，且速度恒定。这种条件的近 似成立，导致测距误差。 9. 点目标雷达方程中， 目标的回波功率与目标距离的 4 次方成反比， 其原因是电磁波在自由 空间中传播的两次衰减， 每次传播发散均造成能流密度的距离平方衰减。 气象体目标雷达 方程中， 目标的回波功率与目标距离的平方成反比， 其原因是随着电磁波在自由空间中传
一半时，湍流造成的雷达散射截面增强了，这种现象称为布拉格散射。
二、 简单应用举例
1. 雷达大功率高压调制器所用高压储能电容器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图1 高压储能电容的串并联结构 雷达大功率高压调制器所用高压储能电容器常采用串并联结构，其特点是用较为廉价的 相对较低耐压、较小容量的相同高压电容器，经串联后成为耐压较高的高压电容器（组） ，将 此高压电容器（组）再经并联，成为较大容量和较高耐压的高压电容器（组） 。为了适应电容 器特性的离散性，采用均压电阻技术使每个电容器的承受电压一致。这种方法先并后串效果 也是一样的。其优势是降低成本、提高耐压、提高容量，减少分布电感、提高高频特性。 2. 全相参雷达系统中，发射系统与接收系统的放大器特点 全相参雷达系统中，发射系统与接收系统对放大器相同的要求是均需一定的线性度、增益 和带宽，需要阻抗匹配。但二者又有很大的差异。发射系统的放大器需要很大的输出功率、较 高的效率，需要专门的冷却措施；到了W量级功率后，各级间一般需插入一个隔离器，以免由 于某个原因引起驻波而损坏前级放大器；不允许空载工作；接收系统的放大器则要求较低的噪 声系数和较高的动态范围。 3. 磁控管与速调管大功率微波源的工作原理异同点： 相同之处：真空管的特征，灯丝加热阴极发射电子，高压强电场赋能，腔体谐振等。 不同之处：磁控管自激振荡，磁场控制电子的横向运动，与电子场共同作用形成旋转电 子轮，工作时需要较少的辅助电路。速调管利用电场对电子的加速来获得高能量，以与输入 周期一致的不均匀电子流激发谐振腔获得与输入信号频率一致的更大能量的电磁波，实现放 大作用；磁场聚焦电子束；工作时需要较多的辅助电路。 4. 径向速度与多普勒频移关系的推导：
设 R 为雷达天线到目标的距离。从雷达天线发射出去，到后向散射回来至天线接收，其 2R • 2π 4π R dφ 4π dR 4π = = • = • v =2π f d 总的相位变化量为： φ = ωd = l l dt l dt l
fd =
2v
l
（ν向着雷达靠近为正，fd 为正，频率增加）
4.
5.
6.
7.
播，能流密度的距离平方衰减被距离增加引起的体目标体积的增加“补偿”了。 10. 雷达天线罩是辅助设备，起保护作用。它能消除风沙雨雪等环境负载对天线运动的影响、 改善工作条件，提高雷达天线乃至整机可靠性。天线罩主要用于保护天线，它必须满足 对电磁波传播几乎没有影响的特性。但是，强降水在天线罩表面形成的水膜会严重影响 雷达性能。 11. 天线方向性增益是指在等距球面上某个方向的功率密度与球面平均功率密度之比， 它与辐 射效率因子的乘积即为功率增益。 雷达天线增益一般用 dBi 表征， 它是以全向性天线的辐 射能流密度为参考基准的，单位为 dB。 12. 雷达中常设置低噪声放大器以降低接收机的噪声系数， 它作为接收机的第一级， 要求非线 性失真小、动态范围大、承受的输入功率较大。低噪声放大器主要为了降低接收机的噪声 系数，提高灵敏度，其噪声系数小（1-3dB） 、功率增益大（20—30dB） ，在其带宽下工作 稳定可靠。 13. 雷达定向耦合器是利用波在传播中的相位关系， 将主波导中入射行波或反射行波的部分功 率耦合至辅波导，用于功率或频率等监视的微波元件，耦合度是重要指标。 隔离器是一 种利用波在传播中的相位关系制成的不可逆的衰减器，在正方向(或需要传输的方向上)衰 减量(或插入损耗)很小，而反方向则很大，隔离度是重要指标。 环流器是一种多端口定 向传输电磁波的微波部件， 其输入任一端口的功率， 都会按照一定顺序传输到下一个端口。 隔离度是重要指标， 常用作雷达的收发开关。 旋转关节是用来把高频信号从一个固定的 平台传输到另外一个需要连续旋转的平台上的微波部件，用于雷达馈线的“旋转连接” 。 14. 风廓线雷达主要用于垂直风廓线的探测，根据其使用波长的不同，分为边界层、对流层、 平流层等三个区域。边界层风廓线雷达在大气边界层空气质量、中尺度天气预报、垂直风 切变、湍流、尾涡流等方面发挥着重要的作用。结合 RASS 技术，可获取低空温度廓线资 料。 15. 对不同用途，雷达杂波的定义是存在差异的：气象雷达中，天气回波是需要的回波，地物 回波与海面回波是杂波；导航雷达中，飞机回波是需要的回波，地物回波与海面回波和气 象回波是杂波；杂波的定义至于是否干扰正常参量的观测有关，与散射性质无关。天气雷 达的地物杂波必须被抑制掉，因为地物杂波会引起反射率因子和平均径向速度估计的误 差。 16. 一部脉冲雷达探测远距离目标，测得电磁波走过的时间是 1mS，如果电磁波传播速度为 3×108m/S，则该目标距离约是 150 Km。一部脉冲雷达探测到距离 100 Km 的目标，如果电 磁波传播速度为 3×108m/S，则该电磁波走过的时间约是 0.666 mS。 17. 地球曲率会影响雷达测得高度偏低， 必须经过修正才能使用。 究其原因是雷达测量远距离 （如 100Km）目标时，雷达天线水平射出的电磁波，到达目标处已高出地面一定高度。 18. 大气是电磁波传播的一种介质， 其垂直结构的改变会导致一些特殊的电磁波传播现象， 如 高度位置误差和超折射地杂波现象，天线大于一定仰角后出现无目标的“晴空”回波。大 气并非均匀结构、难以出现各向同性的特征，这就会引起电磁波传播的折射，最终导致位 置测量的水平和垂直方向均可能出现偏差。