新一代天气雷达-多普勒天气雷达原理-张深寿.pptx

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1、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。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

2、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。D<50mm水球比冰球的后向散射截面大很多60mm90mm水球小于冰球很多冰水混合物散射水包冰球（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

3、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，一部分能量被散射吸收一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。云对雷达波的总衰减量很小，可以忽略。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18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

4、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。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。脉冲宽度τ：探测脉冲的持续振荡时间。脉冲长度h=τc

5、。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1500m1.57μs最小分辨率为h/2=250米。峰值功率PtCINRAD/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PRTτ、h注意一个问题：PRF和f是不同的两个参数和概念！！！天线方向图及波束宽度天

6、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/SavCINRAD/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雷达气象方程雷达发射功率和雷达接收

7、功率之间的关系1、天线辐射强度在两半功率点间均匀分布时的雷达方程此狭窄波束内增益为常数雷达波束的能量完全集中在的狭窄波束照射体积中1、先考虑理想情况：天线作各向同性的球面发射推导雷达气象方程：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。2、引入天线增益3、距离R处的入射能流密度4、引入雷达截面5、目标物散射回天线的后向散射能流密度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。粒子群的散射圆形抛物面

8、有效照射深度和有效照射体积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）反射率后向散射截面总和，称为气象目标的反射率，单位cm2/m3不仅和粒子尺寸