基于遥感技术的测风雷达
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)。
2 2
收稿日期 : 2007- 01- 11 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 60772065) 作者简介 : 卜祥元 ( 1965 ) ) , 男, 博士 , 高级工程师 , E -mail: bxy@ bit . edu. cn.
第5期
卜祥元等 : 基于遥感技术的测风雷达
441
把对流层风廓线雷达划分为对流层 Ñ 型, 最大探测 高度为 1610 ~ 181 0 km , 对流层 Ò 型, 最大探测高度 为 610 ~ 810 km . 目前我国虽然研制了多部风廓线雷达, 但有关 风廓线雷达探测威力理论与工程分析方面还存在不 足, 国内普遍采用日本增田久悦给出的计算公式进 行威力估算 , 在该公式中对系统损耗考虑得较少, 尤 其是其相关处理增益是按理论值计算的, 使威力预 估值远高于实际值 . 除此之外, C 2 n 也是影响风廓线 雷达探测高度的一个至关重要的因素, 王凡对我国 边界层 Cn 的变化规律进行了较 深入的研究
2 月的均值 C n 相差近 20 dB . 文献 [ 3 ] 中指出, 湿润 2 2
式中 : N F 为接收机噪声系数; k 为玻耳兹曼常数; T 为噪声温度; B w 为接收机带宽 . 因此风廓线 雷达单次 脉冲接收 机输出的 信噪 比为 R SN = 0 1 72P t A e D G . 4PR 2 N F kT B w L r L t ( 14)
缺乏我国对流层 C 变化规律的资料 . 作者主要对 上述两方面的问题进行探讨.
Fi g . 2
1
风廓线雷达系统组成与原理
由此可得水平风速及风向为 vh= u + v , Bh = arctan ( u/ v) . 垂直风速为 w = v z1 ( 6)
2 2
风廓线雷达是一种晴空测风雷达, 在大气中随 时存在着各种尺度的湍流 , 这些随风移动的湍流就 是平均风速 的示 踪物 , 当雷 达发 射电 磁波 波长 的 1 / 2 与湍流尺度一致时 ( B ragg 条件 ) 将会产生较强 的后向散射回波 , 从而可利用雷达进行探测. 风廓 线雷达通常由发射机、 天馈系统、 接收机、 信号处理 器和定时控制器组成 , 随着固态阵技术的发展 , 目前 对流层风廓线雷达普遍采用了固态阵. 图 1 为我国 最新 研 制的 对 流层 Ñ 型 风 廓线 雷 达的 系 统组 成 框图 .
第 28 卷 第 5 期 2008 年 5 月
北 京 理 工 大 学 学 报 T ransactions o f Beijing Institute of T echnolog y
Vo l. 28 No . 5 M ay 2008
基于遥感技术的测风雷达
卜祥元,
摘
安建平,
王勇
100081)
( 北京理工大学 信息科学技术 学院电子工程系 , 北京
( 10)
442
北 京 理 工 大 学 学 报
第 28 卷
由于雷达波束并不是矩形锥体 , 一般为高斯形, 因此式( 10 ) 需要作修正. 根据文献 [ 2 ] , 式 ( 10 ) 需 除以一个因子 2l n2 . 同时考虑到雷达收发馈线损耗 Lr , L t , 最后得到风廓线雷达方程为 01 72P t A e D G Pr = . 4PR 2 L r L t G 与大气湍流结构常数 C 2 n 的关系为
- 15 - R/ 2 000 C2 n = 1. 87 @ 10 e . 2 n
3
最大探测距离的估算
由于接收机的热噪声功率可表示为 P n = N F kT B w . ( 13)
( 19)
C 随地区不同和季节不同将有较大的变化, 工 程设计中需要考虑地 区因素, 文献 [ 1 ] 中研究了边 界层 C n 随季节的变化规律, 指出夏季的 C n 比冬季 的高, 每年 12 月为最低 , 在同一高度上 6 月和 12
1/ 2
( 18)
( 11)
4
( 12)
C n 的变化规律
在风廓线雷达最大探测高度的估算中, 大气湍
2
2
式 ( 11 ) 中没有考虑大气传播损耗 La , 因为对于 L 波段以下的频率, La 很小, 可以忽略不计.
流结构常数 C n 是一个至关重要的参数 , 美国国家标 准研究所( NI ST ) 建议在下部对流层可采用以下模 式公式计算 C 2 n ,即
( 4) ( 5)
2
风廓线雷达方程
根据雷达方程, 雷达接收到的回波信号功率为
t A t. Pr = P G K ( 4P) 3 R 4 2 2
( 7)
式中: Pt 为雷达发射峰值功率; G 为天线增益 ; K 为 波长; A t 为目标有效散射面积 ; R 为探测距离. 由于风廓线雷达所探测的目标体大气湍流为体 目标, 其有效散射面积 A t = VG. 式中 : G 为单位体积 内的有效反射面积, m 2 / m 3 ; V 为风廓线雷达在距离 R 处的分辨单元体积. 若天线 e 面和 H 面的波束宽度分别为 H 和 U, 距离分辨率为 D, D= cS/ 2 , 式中 : c 为光速; S 为雷达 脉冲宽度. 假设雷达波束形状为矩形锥体 , 则在距 离 R 处的分辨单元体积为 V = DR 2 HU, 代入式( 7 ) 得 到 Pr =
- 1/ 3 G= 0 1 38C 2 nK .
由式( 15 ) 和最小检测信噪比 R SN , min ( 取决于风 速测量精度的要求) 即可估计风廓线雷达最大探测 距离为 R max = 0 1 72P t A e D GN c N FF T M . 4PR SN, m in N F kT B w L r L t L d
要 : 研究风廓线雷达的探测威力和我国对流 层大气湍流常数 ( C 2 n ) 随季 节的变化 规律 . 结 合目前 对流层 风廓线
雷达 的研制经验以及我国北方地区的试验数据进行分析与探讨 , 介绍了风廓线雷达的组成原理 , 推导了风 廓线雷达 方程 和最大探测距离估算公式 . 各地区 C2 n 的变化是造成目前风廓 线雷达探测 距离估算 误差的主要 原因 , 试验数据 表明 , 我国北方地区对流层 C2 C2 n ( 均值 ) 随季节的起伏小于边界层 n 随季节的起伏幅度 . 此外 , 信号处理损耗也是风廓 线雷达威力估算时一个不可忽视的因素 . 关键词 : 风廓线雷达 ; 风廓线仪 ; 大气湍流常数 ; 遥感 中图分类号 : T N 9591 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1001-0645 ( 2008 ) 05-0440-04
2 P t G2 K D H U G . ( 4P) 3 R 2
图 1 对流层 Ñ 型风廓线雷达系统组成框图 F ig . 1 B lock gr ap h of t rop osp her e w ind p r of il er t yp e Ñ
风廓线雷达通常采用 3 波束测风 , 即天线依次 产生指向天顶的波束、 偏东波束和偏北波束 , 如图 2 所示 . 利用多普勒频率分别测出风矢量在上述 3 个 波束上的分量 v z , v e , v n , 设 u, v, w 分别为风矢量的 南北分量、 东西分量和垂直分量, 则可得 v e = usin A+ w co s A , v n = v sin A + w cos A , ( 1) vz = w. 式中 : A 为偏东和偏北波束偏离天顶方向的角度 . 解式 ( 1 ) 可得
Abstract: St udies t he m easuring distance of w ind pro filing radar and the rules o f change of st ruct ure co ef ficient f or tr opo sphere at mosphere t urbulence( C 2 n ) f or diff erent seasons in China. According t o the test records of w ind pr of iler in r ecent year s, analy zed and discussed ex periment at ion dat a o f nort h China and the pr inciples of w ind pr ofiler compostion w ere int roduced. Wind pr ofiler radar equat ions and fo rmulas of maxim um measur ing dist ance est im at ion w ere also der iv ed. It is concluded t hat C n changes in diff er ent areas is t he main reason for w ind prof iler measuring dist ance est imat io n er rors. T he t est dat a proves t he undulat ion of C n w it h seasons is not very obv ious and smaller t han t hat of t he boundary - lay er atm ospher e. Furt herm ore, t he loss of signal pr ocessing is not t he ignored f act or fo r w ind prof iler measur ing dist ance est imat ion. Key words: w ind pro filing r adar; w ind prof iler; at mo sphere str ucture coeff icient ; rem ot e sensing 传统的测风技术都是采用气球作为空气流动的 示踪物, 通过跟踪气球的飞行状态来完成对高空风 速风向的测量 , 因此称为有球测风. 有球测风的缺 点是测风间隔长 , 测风时间分辨率低, 而且由于气球 运动的惯性影响 , 测量精度 低, 不能 实时测量 切变 风. 在 20 世纪 70 年代末美国出现了利用遥感手段 进行无球测风的技术 , 由于其具有较高的测风实时 性和精度, 因此得到了快速发展和广泛的应用 , 利用 无球测风技术研制的设备被称作风廓线雷达或风廓 线仪. 按探测高度风廓线雷达通常可划分为: 边界层 风廓线雷达 , 探测高度为 011 ~ 310 k m; 对流层风廓 线雷达 , 探测高度为 011 ~ 161 0 km ; 平流层风廓线 雷达, 探测高度为 410 ~ 2010 km . 我国气象部门又
2 n 2 [ 1]
v e - v z cos A , co s A sin A vn v= - v z cos A . co s A sin A u=
( 2) ( 3)
,但
图 2 风廓线雷达波束指向示意图 S ketc h map of t he beam d ir ect ion of w i nd p rof il er
Wind Profiling Radar Based on Remote Sensing
BU Xiang - yuan, AN Jian - ping, WANG Yong
( Department of Elect ronic Engineer ing , Schoo l of Info rmation Science and T echno lo gy , Beijing Inst itute of T echno lo gy , Beijing 100081 , China)
( 8)
来自百度文库
因为 G = 4P/ ( H U) , 代入式 ( 8 ) 得
t D G. Pr = P G K ( 9) ( 4P) 2 R 2 将式( 9 ) 中的天线增益用天线有效面积 A e 表 2 2 示为 G = 4 PA e / K , 则可得 t e G Pr = P A D . 4PR 2
收稿日期 : 2007- 01- 11 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 60772065) 作者简介 : 卜祥元 ( 1965 ) ) , 男, 博士 , 高级工程师 , E -mail: bxy@ bit . edu. cn.
第5期
卜祥元等 : 基于遥感技术的测风雷达
441
把对流层风廓线雷达划分为对流层 Ñ 型, 最大探测 高度为 1610 ~ 181 0 km , 对流层 Ò 型, 最大探测高度 为 610 ~ 810 km . 目前我国虽然研制了多部风廓线雷达, 但有关 风廓线雷达探测威力理论与工程分析方面还存在不 足, 国内普遍采用日本增田久悦给出的计算公式进 行威力估算 , 在该公式中对系统损耗考虑得较少, 尤 其是其相关处理增益是按理论值计算的, 使威力预 估值远高于实际值 . 除此之外, C 2 n 也是影响风廓线 雷达探测高度的一个至关重要的因素, 王凡对我国 边界层 Cn 的变化规律进行了较 深入的研究
2 月的均值 C n 相差近 20 dB . 文献 [ 3 ] 中指出, 湿润 2 2
式中 : N F 为接收机噪声系数; k 为玻耳兹曼常数; T 为噪声温度; B w 为接收机带宽 . 因此风廓线 雷达单次 脉冲接收 机输出的 信噪 比为 R SN = 0 1 72P t A e D G . 4PR 2 N F kT B w L r L t ( 14)
缺乏我国对流层 C 变化规律的资料 . 作者主要对 上述两方面的问题进行探讨.
Fi g . 2
1
风廓线雷达系统组成与原理
由此可得水平风速及风向为 vh= u + v , Bh = arctan ( u/ v) . 垂直风速为 w = v z1 ( 6)
2 2
风廓线雷达是一种晴空测风雷达, 在大气中随 时存在着各种尺度的湍流 , 这些随风移动的湍流就 是平均风速 的示 踪物 , 当雷 达发 射电 磁波 波长 的 1 / 2 与湍流尺度一致时 ( B ragg 条件 ) 将会产生较强 的后向散射回波 , 从而可利用雷达进行探测. 风廓 线雷达通常由发射机、 天馈系统、 接收机、 信号处理 器和定时控制器组成 , 随着固态阵技术的发展 , 目前 对流层风廓线雷达普遍采用了固态阵. 图 1 为我国 最新 研 制的 对 流层 Ñ 型 风 廓线 雷 达的 系 统组 成 框图 .
第 28 卷 第 5 期 2008 年 5 月
北 京 理 工 大 学 学 报 T ransactions o f Beijing Institute of T echnolog y
Vo l. 28 No . 5 M ay 2008
基于遥感技术的测风雷达
卜祥元,
摘
安建平,
王勇
100081)
( 北京理工大学 信息科学技术 学院电子工程系 , 北京
( 10)
442
北 京 理 工 大 学 学 报
第 28 卷
由于雷达波束并不是矩形锥体 , 一般为高斯形, 因此式( 10 ) 需要作修正. 根据文献 [ 2 ] , 式 ( 10 ) 需 除以一个因子 2l n2 . 同时考虑到雷达收发馈线损耗 Lr , L t , 最后得到风廓线雷达方程为 01 72P t A e D G Pr = . 4PR 2 L r L t G 与大气湍流结构常数 C 2 n 的关系为
- 15 - R/ 2 000 C2 n = 1. 87 @ 10 e . 2 n
3
最大探测距离的估算
由于接收机的热噪声功率可表示为 P n = N F kT B w . ( 13)
( 19)
C 随地区不同和季节不同将有较大的变化, 工 程设计中需要考虑地 区因素, 文献 [ 1 ] 中研究了边 界层 C n 随季节的变化规律, 指出夏季的 C n 比冬季 的高, 每年 12 月为最低 , 在同一高度上 6 月和 12
1/ 2
( 18)
( 11)
4
( 12)
C n 的变化规律
在风廓线雷达最大探测高度的估算中, 大气湍
2
2
式 ( 11 ) 中没有考虑大气传播损耗 La , 因为对于 L 波段以下的频率, La 很小, 可以忽略不计.
流结构常数 C n 是一个至关重要的参数 , 美国国家标 准研究所( NI ST ) 建议在下部对流层可采用以下模 式公式计算 C 2 n ,即
( 4) ( 5)
2
风廓线雷达方程
根据雷达方程, 雷达接收到的回波信号功率为
t A t. Pr = P G K ( 4P) 3 R 4 2 2
( 7)
式中: Pt 为雷达发射峰值功率; G 为天线增益 ; K 为 波长; A t 为目标有效散射面积 ; R 为探测距离. 由于风廓线雷达所探测的目标体大气湍流为体 目标, 其有效散射面积 A t = VG. 式中 : G 为单位体积 内的有效反射面积, m 2 / m 3 ; V 为风廓线雷达在距离 R 处的分辨单元体积. 若天线 e 面和 H 面的波束宽度分别为 H 和 U, 距离分辨率为 D, D= cS/ 2 , 式中 : c 为光速; S 为雷达 脉冲宽度. 假设雷达波束形状为矩形锥体 , 则在距 离 R 处的分辨单元体积为 V = DR 2 HU, 代入式( 7 ) 得 到 Pr =
- 1/ 3 G= 0 1 38C 2 nK .
由式( 15 ) 和最小检测信噪比 R SN , min ( 取决于风 速测量精度的要求) 即可估计风廓线雷达最大探测 距离为 R max = 0 1 72P t A e D GN c N FF T M . 4PR SN, m in N F kT B w L r L t L d
要 : 研究风廓线雷达的探测威力和我国对流 层大气湍流常数 ( C 2 n ) 随季 节的变化 规律 . 结 合目前 对流层 风廓线
雷达 的研制经验以及我国北方地区的试验数据进行分析与探讨 , 介绍了风廓线雷达的组成原理 , 推导了风 廓线雷达 方程 和最大探测距离估算公式 . 各地区 C2 n 的变化是造成目前风廓 线雷达探测 距离估算 误差的主要 原因 , 试验数据 表明 , 我国北方地区对流层 C2 C2 n ( 均值 ) 随季节的起伏小于边界层 n 随季节的起伏幅度 . 此外 , 信号处理损耗也是风廓 线雷达威力估算时一个不可忽视的因素 . 关键词 : 风廓线雷达 ; 风廓线仪 ; 大气湍流常数 ; 遥感 中图分类号 : T N 9591 4 文献标识码 : A 文章编号 : 1001-0645 ( 2008 ) 05-0440-04
2 P t G2 K D H U G . ( 4P) 3 R 2
图 1 对流层 Ñ 型风廓线雷达系统组成框图 F ig . 1 B lock gr ap h of t rop osp her e w ind p r of il er t yp e Ñ
风廓线雷达通常采用 3 波束测风 , 即天线依次 产生指向天顶的波束、 偏东波束和偏北波束 , 如图 2 所示 . 利用多普勒频率分别测出风矢量在上述 3 个 波束上的分量 v z , v e , v n , 设 u, v, w 分别为风矢量的 南北分量、 东西分量和垂直分量, 则可得 v e = usin A+ w co s A , v n = v sin A + w cos A , ( 1) vz = w. 式中 : A 为偏东和偏北波束偏离天顶方向的角度 . 解式 ( 1 ) 可得
Abstract: St udies t he m easuring distance of w ind pro filing radar and the rules o f change of st ruct ure co ef ficient f or tr opo sphere at mosphere t urbulence( C 2 n ) f or diff erent seasons in China. According t o the test records of w ind pr of iler in r ecent year s, analy zed and discussed ex periment at ion dat a o f nort h China and the pr inciples of w ind pr ofiler compostion w ere int roduced. Wind pr ofiler radar equat ions and fo rmulas of maxim um measur ing dist ance est im at ion w ere also der iv ed. It is concluded t hat C n changes in diff er ent areas is t he main reason for w ind prof iler measuring dist ance est imat io n er rors. T he t est dat a proves t he undulat ion of C n w it h seasons is not very obv ious and smaller t han t hat of t he boundary - lay er atm ospher e. Furt herm ore, t he loss of signal pr ocessing is not t he ignored f act or fo r w ind prof iler measur ing dist ance est imat ion. Key words: w ind pro filing r adar; w ind prof iler; at mo sphere str ucture coeff icient ; rem ot e sensing 传统的测风技术都是采用气球作为空气流动的 示踪物, 通过跟踪气球的飞行状态来完成对高空风 速风向的测量 , 因此称为有球测风. 有球测风的缺 点是测风间隔长 , 测风时间分辨率低, 而且由于气球 运动的惯性影响 , 测量精度 低, 不能 实时测量 切变 风. 在 20 世纪 70 年代末美国出现了利用遥感手段 进行无球测风的技术 , 由于其具有较高的测风实时 性和精度, 因此得到了快速发展和广泛的应用 , 利用 无球测风技术研制的设备被称作风廓线雷达或风廓 线仪. 按探测高度风廓线雷达通常可划分为: 边界层 风廓线雷达 , 探测高度为 011 ~ 310 k m; 对流层风廓 线雷达 , 探测高度为 011 ~ 161 0 km ; 平流层风廓线 雷达, 探测高度为 410 ~ 2010 km . 我国气象部门又
2 n 2 [ 1]
v e - v z cos A , co s A sin A vn v= - v z cos A . co s A sin A u=
( 2) ( 3)
,但
图 2 风廓线雷达波束指向示意图 S ketc h map of t he beam d ir ect ion of w i nd p rof il er
Wind Profiling Radar Based on Remote Sensing
BU Xiang - yuan, AN Jian - ping, WANG Yong
( Department of Elect ronic Engineer ing , Schoo l of Info rmation Science and T echno lo gy , Beijing Inst itute of T echno lo gy , Beijing 100081 , China)
( 8)
来自百度文库
因为 G = 4P/ ( H U) , 代入式 ( 8 ) 得
t D G. Pr = P G K ( 9) ( 4P) 2 R 2 将式( 9 ) 中的天线增益用天线有效面积 A e 表 2 2 示为 G = 4 PA e / K , 则可得 t e G Pr = P A D . 4PR 2