多普勒雷达复习提要.docVIP

多普勒天气雷达复习提要 一、多普勒天气雷达探测基本原理 （一）多普勒天气雷达主要参数 天气雷达发射脉冲形式的电磁波，当电磁脉冲遇到降水物质（雨滴、雪花和冰雹等）时，大部分能量继续前进，而少部分能量被降水物质向四面八方散射，其中向后散射的能量回到雷达天线，被雷达所接收。根据雷达接收的降水系统回波特征可以判别降水系统的特性(降水强弱、有无冰雹、龙卷和大风等)。多普勒天气雷达除了测量雷达的回波强度外，还测量降水目标物沿雷达径向的运动速度和速度脉动程度。 1、波长：是雷达发射的电磁波波长。天气雷达的波长通常为10公分、5公分、3公分三种，分别称为S波段、C波段、X波段。 2、脉冲重复频率PRF 天气雷达间歇地发射脉冲形式的电磁波，每秒钟发射脉冲的个数称为脉冲重复频率（PRF）。两个相继脉冲之间的时间间隔称为脉冲重复周期（PRT）,他等于脉冲重复频率的倒数。 3、脉冲持续时间和脉冲长度 天气雷达脉冲持续时间一般为一到几个微米左右。假设某部天气雷达的相继脉冲之间的间隔为1000微秒，其脉冲持续时间为2微秒左右，则剩余的998微秒是雷达接收来自目标物回波的时间。发射脉冲的持续时间确定了脉冲在空间的长度。例如CINRAD-SA型多普雷天气雷达的窄脉冲持续时间为1.57微秒，脉冲在空间的长度约为500m。 4、波束宽度 雷达发射的能量主要集中在主瓣内(图2.8a)，其中主瓣内两个半功率点（及该处功率为最大的一半）之间角度大小称为波束宽度。在垂直方向的波束宽度用θ表示，在水平方向的波束宽度用φ表示。我国多普勒天气雷达的波束宽度大多为1°左右。 5、有效照射深度和有效照射体积 雷达发出的脉冲具有一定的持续时间τ，在空间的电磁波列就有一定的长度h=τc。位于波束宽度和波束长度范围内的所有粒子都可以同时被雷达波束所照射。但是其中所有粒子产生的回波并不是都能同时回到雷达天线。 在径向方向上，粒子的回波信号能同时返回雷达天线的空间长度为h/2，称为雷达的有效照射深度。在波束宽度θ和φ的范围内，粒子产生的回波能同时到达雷达天线的空间体积，称为有效照射体积。 （二）粒子对电磁波的散射 1、用后向散射截面表示降水粒子后向散射能力。图2.1所示，随着粒子直径的增大后向散射截面迅速增大。 2、瑞利散射：当降水粒子直径远小于脉冲电磁波的波长（确切的说，降水粒子的6倍不超过入射电磁波的波长）时，满足此条件的粒子散射称为瑞利散射。 对于S波段雷达，几乎全部的雨滴和霰及部分小冰雹的散射可以作为瑞利散射处理，而大冰雹就不能作为瑞利散射处理。 对于C波段雷达，只有雨滴的散射可以作为瑞利散射处理。 对于不满足瑞刭散射条件的粒子散射，后向散射截面不存在简单的解析式。 （三）雷达气象方程与反射率因子 可以推得雷达平均回波功率可用下式表达： 其中 式中r为散射目标物到雷达的距离； Z为单位体积中降水粒子直径6次方的总和称为反射率因子， c只决定于雷达参数和降水相态。式中pt为峰值发射功率，G为天线增益，h脉冲长度，λ为波长。K为与构成散射粒子的物质的复折射指数有关。 在满足瑞利散射的条件下，水球｜k｜2的值对于S、C和X波段雷达均为0.93左右，冰球｜k｜2的值为0.197，也就是说冰球的后向散射截面大约只有同样大小的水球的1/5。 在雷达中，反射率因子是根据雷达方程有雷达测得的平均回波功率得到。反射率因子变化区间很大，常用反射率因子的对数形式dBZ来表示反射率因子的大小。 (Z0=1mm6/m3) （四）多普勒效应和径向速度 １、多普勒效应:当声波的声源相对于观察者有相对运动时,观察者听到的声波的频率比声源静止时有所变化,如果发声源向着观察者运动,则频率增加,向着离开观察者方向运动,则频率降低。电磁波同样也存在多普勒效应，对于天气雷达而言，当降水粒子向着雷达运动时，其产生的回波的频率略高于发射波的频率，而当降水粒子向着远离雷达方向运动时，产生的回波频率略低于发射波的频率（图2.13）。这种所谓多普勒移频的大小与降水粒子沿雷达径向的速度成正比，通过多普勒移频的测定可以推断降水目标物沿着雷达径向的速度。 ２、平均径向速度：雷达最终给出的径向速度是多个脉冲对得到的径向速度的平均值，称为为平均径向速度，而相应的标准差称为谱宽。通常采用几十对脉冲的统计得到平均径向速度和相应的谱宽。 （五）距离折叠与速度模糊 距离折叠是指雷达对雷达回波的目标物的位置一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置方位角是正确的，但距离是错误的。当目标物位于最大不模糊距离Rmax以外时，雷达把目标物显示在Rmax以内的某个位置，形象称之为“距离折叠”。 多普勒雷达径向速度的测量也存在一个范围，即存在一个最大不模糊速度，其表达式为： 只有当径向速度在-