新一代天气雷达-多普勒天气雷达原理-张深寿

Pt S s ( ) G 2 2 (4 R )
根据目标的后向散射截面σ和离开雷达的距 离r以及雷达的参数P、G、λ，即可计算出其回波 功率。上式还表明，单个目标的雷达回波功率与r4 成反比，随着距离的增大，回波功率迅速减小。
粒子群的散射
P r
P i
i 1
N
圆形抛物面
• 有效照射深度和有效照射体积 2
•
• 速度模糊：表现为从正、负速度的最大值 突变 为负、 正速度的最大值。
速度模糊示意图
Vr 2nVr max VrT Vr 2nVr max
VrT Vr max VrT Vr max
速度模糊
基数据的产生
• 最小距离分辨率
– 有效照射深度h=τc，收发特性，最小分辨率为 h/2 1.57μs ， 250米
• 水包冰球 （零度层亮带）
– 小球（雷利散射）
• 迅速增加，和同体积水球相当
– 大球（米散射）
• 对于10cm波长雷达，后向散射截面总是增加，只 有超过8cm的冰球冰面融化后向散射截面突然减小
• 冰水均匀混合球 （比水包冰球增加慢，复 杂）
衰减
• 衰减
– 散射
• 电磁波投射到气体分子或云雨粒子上时，一部分能 量被散射
R max
1 C CT 2 2 PRF
• C是光速，T是雷达重复周期，PRF是雷达重复频 率。
τ、h
PRT
距离折叠
• 是指雷达对产生雷达回波的目标位置的一种辨认 错误，当目标物位于最大不模糊距离以外时，雷 达却把目标物显示在最大不模糊距离以内的某个 位置。一般形象地称为“距离折叠”
• 距离折叠回波的特点： – 方位角是正确的 – 强度较弱 – 有时具有奇怪的多普勒速度
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反射率因子
PtG 22h Pr 1024(ln 2) 2r 2
单位体积
i
2
5 2 i 4 K Di6 单位体积 单位体积
2
令：
Pt G h c K 2 1024 ln 2
3
c Pr 2 Z R
Pr r Z c
2
44
6dD Z=∫N(D)D
Z dBZ 10 lg Z0
Z
0
1mm / m
6
3

dBZ ① 0 dBZ不是没有回波 ② 10～15dBZ的差别与 15～20dBZ的差别不同
dBZ -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
mm6/m3 0.100 0.316 1.000 3.162 10.000 31.623 100.000 316.228 1000.000 3162.278 10000.000 31622.777 100000.000 316227.766 1000000.000 3162277.660 10000000.000 31622776.602
• 后向散射截面是一个虚拟的面积，它可以用 来定量地表示粒子后向散射能力的强弱。 • 粒子的后向散射截面不等于它的几何截面。
描述单个粒子后向散射能力的大小
球形粒子的散射
• 很大程度上依赖于粒子直径D和入射波长λ之比。 α=πD/ λ • 瑞利散射（ Rayleigh ）（雷利散射） – 当D<<λ或α<0.13
– 吸收
• 一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。
1. 云对雷达波的总衰减量很小，可以忽略。 2. 雨对 3cm衰减相当严重，对5cm衰减也很大，对 10cm的衰减非常小
冰雹对雷达波造成严重衰减，波长越多衰减越大！ 强冰雹造成的V型缺口
衰减的物 理原因： 一是散射 二是吸收
所以多暴雨地区用S波段，少暴雨地区用C波段
• 米散射（Mie）
– 当D～λ或α≥0.13
后向散射截面随球形粒子直径D的增加而迅 速呈波动性地增大，当D较大时，冰球后向散射 截面随D增加而增大的速度超过水球。
1. D<50mm 水球比冰球的后向散射截面大很多 2. 60mm<D<80mm 大致相当 3. D>90mm 水球小于冰球很多
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冰水混合物散射
天线方向图及波束宽度
• 天线的水平和垂直面上的辐射能流密度的 相对分布曲线图，叫天线方向图
– 影响雷达旁瓣假回波
• 两个半功率点的夹角，叫波束宽度
– 决定雷达径向探测精度
• SA波束宽度0.99°
天线增益
• 定向天线在最大辐射方向的能流密度和各 向均匀辐射的天线能流密度之比。 G=Smax/Sav
R
' m

Rm dn 1 Rm dh
标准大气折射回波高度查算
超折射
雷达气象方程
重要的雷达参数
• 与发射机有关的参数
– – – – 波长λ。 脉冲宽度τ。 脉冲功率Pt。 脉冲重复频率。
• 与天线有关的参数
– 天线的方向图及波束宽度。 – 天线增益G
• 与接收机有关参数
– 接收机灵敏度
决定雷达性能的雷达参数，探测时不可变。
f dop
2Vr

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CINRAD速度探测方法
• 不直接测量多普勒平移，而是测量两个相 邻脉冲直接的位相变化 • 多个脉冲对得到的径向速度平均值，称为 平均径向速度
– 相应的标准差称为谱宽
最大不模糊速度
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2 最大径向速度与速度模糊
最大不模糊速度 Vmax：最大不模糊速度是雷达能 够不模糊地测量的最大平均径向速度，其对应的相 移是正负180度（π）。 PRF Vmax 4
反射率
• • • •
4个0.25km距离库的平均功率；（1KM分辨率） 平均 P r2 Z r 根据气象雷达方程计算Z c 利用dBZ公式，把Z转换为dBZ。
平均径向速度
• 40～50个脉冲对平均 • 0.25km分辨率
谱宽
• 一个距离库内速度离散度的度量，用于速 度质量估计
影响速度谱宽的气象因子
• • • • (1)垂直方向上的风切变； (2)由波束宽度引起的横向风效应； (3)大气的湍流运动； (4)不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀分布
谱宽影响
一些典型的气象特征和条件可导致相对高的谱宽，它们包括： ①气团的界面附近，如锋面边界和雷暴的出流边界等； ②雷暴； ③切变区域； ④湍流； ⑤风切变； ⑥不同尺度的雨、雪，不同的降落速度。
两种取样模态
• 连续监测模态CS
– 低重复频率，准确确定目标位置和强度 – Rmax大， Vmax小
• 连续多普勒模态CD
– 高重复频率，准确测量速度和谱宽数据 – Vmax大，Rmax小，必须用距离去折叠算法
dBZ 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
mm6/m3 316227.766 398107.171 501187.234 630957.344 794328.235 1000000.000 1258925.412 1584893.192 1995262.315 2511886.432 3162277.660 3981071.706 5011872.336 6309573.445 7943282.347 10000000.000
• CINRAD/SA的天线增益G≥44dB （约2.5万倍）
接收机灵敏度
• 接收机能分辨的最小可辨功率，Pmin表示。
– 就是回波信号刚刚能比噪声信号中分辨出来时 的回波功率。
• CINRAD/SA的Pmin
– 短脉冲(1.57μs)为-107dBm – 长脉冲（4.71μs）为-113dBm
雷达气象方程
距离订正项
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例子 (Z-D)
Unit Volume
D = 1 mm, samples = 729 Z = 729 mm6m-3 = 29dBZ R = 5.588 mm/hr
D= 3 mm, samples = 1 Z = 729 mm6m-3 = 29dBZ R = 0.254 mm/hr
最大不模糊距离
新一代天气雷达
龙岩市气象局 张深寿 2013.03
第二章 多普勒天气雷达原理
雷达工作过程： 电磁波发射和接收的过程
目标物越多，散射也就越强. 大雨滴将比小雨滴产生更 强的信号。
后向散射截面
• 定义：
– 设有一个理想的散射体，其截面面积为σ，它能全 部接收射到其上的全部能量，并且均匀地向四周 散射，若该理想散射体返回雷达天线的电磁波能 流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达 天线的电磁波能流密度，则该理想散射体的截面 面积σ就称为实际散射体的后向散射截面。
定向天线最大辐射方向 的能流密度与各向均匀辐 射天线的能流密度之比。 S G max Sav
1、先考虑理想情况：天线作各向同性的球面发射
2、引入天线增益
3、距离R处的入射能流密度
Smax G Sav
PG t 4 R 2
4、引入雷达截面
S s ( )4 R 2 Smax
5、目标物散射回天线的后向散射能流密度
• 后向散射截面总和，称为气象目标的反射 率，单位 cm2/m3 • 不仅和粒子尺寸和数量有关，和雷达波长 也有关。但相同波长的发射率可以比较。
η
单位体积
i
满足雷利散射时，有：
2 6 i 4 K 单位体积Di 单位体积
5
反射率因子 （mm6/m3）
Z
单位体积
D
6 i
10 lg Z 20 lg R 10 lg Pr 10 lg C
Pr C dBZ 20 lg R 10 lg 10 lg Pmin Pmin
Pr 非直接测量，与 Pmin 比较间接获取
C dBZ 20 lg R dB 10 lg Pmin
dBZ 20 lg R dB A
• 峰值功率Pt CINRAD/SA ≥650Kw
脉冲重复频率
• 雷达每秒产生的触发脉冲的数目，PRF表示。我国新一代 天气雷达的PRF在300~1300Hz之间。 脉冲重复周期PRT为 PRF的倒数。 • 重要参数，决定雷达最大探测距离和最大可探测多普勒 速度
τ、h
PRT
注意一个问题：PRF和f是不同的两个参数和 概念！！！
一些非气象条件也可使谱宽增加，包括： ①天线运动； ②距离 ③WSR-88D的内部噪声。
Rmax
c 2 PRF
Vr max
PRF
4
多 普 勒 两 难
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多普勒天气雷达消除二次回波
天气雷达最大不模糊速度和最大不模糊距离的关系
由表可见，要满足测量较大的不模糊速度，最大不 模糊距离的探测将减小，二次回波出现的概率将增加。
r h V 2 2
Pt G h Pr i 2 2 512 r 单位体积
2 2
考虑天线辐射功率密度不均匀等之后，加乘以一 个订正因子 1/2ln2 （0.72）
PtG h Pr 2 2 1024(ln 2) r
2 2
单位体积
i
反射率
• 脉冲宽度τ：
– 探测脉冲的持续振荡时间。脉冲长度 h=τc。 – 因为雷达的收发特性，所以，有效照射深度为 脉冲长度的一半τc/2（雷达径向的最小分辨 率）。
• SA 两种脉冲宽度 1.57 和 4.71μs（晴空，一般不用） 对于h 分别约为500m和1500m 1.57μs 最小分辨率 为h/2 = 250米。
• 雷达发射功率和雷达接收功率之间的关系
PtG h Pr 2 2 1024(ln 2) r
2 2
单位体积
i
1、天线辐射强度在两半功率点间 均匀分布时的雷达方程
1. 此狭窄波束内增益为常数
2. 雷达波束的能量完全集中在的狭窄波 束照射体积中
推导雷达气象方程：
Sav ( R) Pt 4 R 2
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Rmax 实际回波
显示 （视在回波）
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多普勒效应
一个例子是：当一辆紧急的火车（汽车）鸣着喇叭 以相当高的速度向着你驶来时，声音的音调（频率） 由于波的压缩（较短波长）而增加。当火车（汽车） 远离你而去时，这声音的音调（频率）由于波的膨 胀（较长波长）而减低。
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径向速度的获取
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• 折射
– 电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中 由于折射指数分布的不均匀性，就会产生折射， 使电磁波的传播路径发生弯曲。电磁波的折射 对天气雷达的探测有重要的影响。
等效地球半径(Rm’)
• 设想地球半径加大到某一数值Rm’时，使 得Rm’为半径的球面上沿直线传播的超短 波的最大探测距离和真实地球表回上沿折 射曲线轨道传播的最大深测距离相同，则 Rm’就称为等效地球半径。