1、 第 章 雷達氣象講座§1氣象雷達概況在1904年，德國工程師Hlsmeyer得到一個能檢測由船舶反射無線電波的裝置，1922年英國科學家馬可尼Marconi制造了一個利用收發連續CW波的檢測在霧中或惡劣天氣條件下船舶的雷達，而雷達在第二次世界大戰偵察敵情中發揮了重要作用。但是那時天氣降水回波是作為干擾雷達探測空中飛行目標的對待，為此希望能消除這種干擾信號。然而獲取降水分布是氣象部門長期無法解決的難題，利用雷達能得到降水分布有重要價值，到二次世界大戰后1946年，美國天氣局得到25部退役的軍用雷達，經改裝建立天氣雷達站，雷達技術引用到氣象部門。至上世紀五十年代中期，開始建造專用于天氣

2、觀測的雷達。至今已有60多年歷史，目前約有1000部以上的天氣雷達布設在全世界各地，用于監測強對流天氣和洪水監測預報，是氣象部門監測、預警突發災害性天氣的有效手段之一。隨著近幾年中國新一代天氣雷達投入業務運行，我國短時臨近天氣預報水平上了一個新臺階，極大地滿足了社會對冰雹、龍卷、突發強降水、臺風等災害性天氣臨近預警需求。2007年7月3日16時42分江蘇省高郵市天山鎮發生了龍卷風，南京新一代天氣雷達從16時18分已監測到龍卷風可能發生的信息，并提前半小時左右發出預警服務。2006年8月10日溫州新一代天氣雷達對“桑美”臺風成功進行了無縫隙監測和預警服務。現已建成的多普勒天氣雷達預測強對流災害性

3、天氣的短時預報準確率比原來至少提高35，時效能提前幾十分鐘到數小時，為政府各部門及人民群眾采取準確、及時的防范措施提供了科學依據，每年減少經濟損失上千億元。新一代天氣雷達除在災害性天氣預警預報、人工影響天氣和云水資源利用發揮著越來越重要作用外，還在軍事保障、防汛抗洪、航空安全保障、兵團與農墾的防災減災、林業生態建設與保護海洋環境等領域起著重要作用。隨著我國自動氣象站、雷達雨量校準站、鄉鎮雨量站大批量布設以及激光雷達、風廓線雷達、毫米波雷達等新型雷達投入業務使用，我國雷達資料應用開始向廣度和深度發展，為精細化天氣預報（準確、及時、定量、定點）提供了有力地支撐，我國天氣雷達資料應用開始步入發達國家

4、先進水平行列。雷達（RADAR）是利用目標物物對發射的電磁輻射反射，探測目標物方位和距離的無線電工具，又名為無線電定位，用于氣象探測目的雷達稱為氣象雷達，目前在氣象臺站業務中的氣象雷達主要是測降水分布，這種用于測量降水的雷達稱為測雨雷達。 一、氣象雷達和類別主要的氣象雷達有：     測云雷達。是用來探測未形成降水的云層高度、厚度以及云內物理特性的雷達。其常用的波長為1.25厘米或0.86厘米。    天氣雷達。是用來探測降水的發生、發展和移動，并以此來警戒和跟蹤降水天氣系統的雷達。  

5、60; 圓極化雷達。一般的氣象雷達發射的是水平極化波或垂直極化波，而圓極化雷達發射的是圓極化波。雷達發射圓極化波時，球形雨滴的回波將是向相反方向旋轉的圓極化波，而非球形大粒子（如冰雹）對圓極化波會引起退極化作用，利用非球形冰雹的退極化性質的回波特征，圓極化雷達可用來識別風暴中有無冰雹存在。    調頻連續波雷達。它是一種探測邊界層大氣的雷達。有極高的距離分辨率和靈敏度，主要用來測定邊界層晴空大氣的波動、風和湍流（見大氣邊界層）。     氣象多普勒雷達。利用多普勒效應來測量云和降水粒子相對于雷達的徑向運動

6、速度的雷達。     甚高頻和超高頻多普勒雷達。利用對流層、平流層大氣折射率的不均勻結構和中層大氣自由電子的散射，探測1100公里高度晴空大氣中的水平風廓線、鉛直氣流廓線、大氣湍流參數、大氣穩定層結和大氣波動等的雷達。   在研究試驗的雷達中還有雙波長雷達和機載多普勒雷達等。70年代以來，利用一個運動著的小天線來等效許多靜止的小天線所合成的一個大天線的合成孔徑雷達的新發展，必將加速機載多普勒雷達今后的發展進程。機載多普勒雷達的機動性很強，可以用來取得分辨率很高的對流風暴的多普勒速度分布圖。目前用于業務氣象觀測的雷達主要有以下

7、幾種：1、天氣雷達：天氣雷達間歇性地向空中發射電磁波（稱為脈沖式電磁波），它以近于直線的路徑和接近光波的速度在大氣中傳播，在傳播的路徑上，若遇到了氣象目標物，脈沖電磁波被氣象目標物散射，其中散射返回雷達的電磁波（稱為回波信號，也稱為后向散射），在熒光屏上顯示出氣象目標的空間位置等的特征。 在雷達探測中，氣象目標的空間位置是用雷達天線至目標物的直線距離R（亦稱斜距），雷達天線的仰角和方位角來表示。斜距R可根據電磁波在大氣中的傳播速度C和探測脈沖與回波信號之間的時間間隔來確定。電磁波在大氣中傳播速度是略小于它在真空中的傳播速度，但對斜距精度影響不大，故近似用C來表示天氣雷達多為脈沖雷達，它以一定的

8、重復頻率發射出持續時間很短（0.254微秒）的脈沖波,然后接收被降水粒子散射回來的回波脈沖。降水對雷達發射波的散射和吸收同雨滴譜、雨強、降水粒子的相態、冰晶粒子的形狀和取向等特性有關（見云和降水粒子的微波散射、云和降水粒子的微波吸收）。因此，分析和判定降水回波，可以確定降水的各種宏觀特性和微物理特性。在降水回波功率和降水強度之間已建立有各種理論和經驗的關系式，利用這些關系，可以根據回波功率測定雷達探測范圍內的降水強度分布和總降水量。 2、脈沖多普勒雷達脈沖多普勒雷達是利用多普勒效應制成的雷達。1842年，奧地利物理學家C·多普勒發現波源和觀測者的相對運動會使觀測到的頻率發生變化，這種

9、現象被稱為多普勒效應。 脈沖多普勒雷達于20世紀60年代研制成功并投入使用。20世紀70年代以來，隨著大規模集成電路和數字處理技術的發展，脈沖多普勒雷達用于氣象觀測，對氣象回波進行多普勒速度分辨，可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運動的分布情況。此外，這種雷達還廣泛用于機載預警、導航、導彈制導、衛星跟蹤、戰場偵察、靶場測量、武器火控和氣象探測等方面，成為重要的軍事裝備。裝有脈沖多普勒雷達的預警飛機，已成為對付低空轟炸機和巡航導彈的有效軍事裝備。3、雙偏振多普勒雷達：通過測量水平反射率、水平垂直反射率差、差分傳播常數、零延遲和線性退極化比，反演出有關粒子形狀、尺寸、指向角和介電常數等參數，實現對

10、目標特性的識別。可測量氣象目標的強度、速度和極化信息，從而更準確地進行氣象預報。該雷達適用于航空氣象保障、氣象科學研究和人工影響天氣等不同領域。4、激光雷達：激光雷達用激光器作為發射光源，工作在紅外和可見光波段的雷達稱為激光雷達。它由激光發射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。 將紫外線脈沖發射到大氣層，沿著它的軌跡，光被小顆粒散射開。空氣中顆粒物越多，所反射的光越多。而反射到激光雷達系統的光被望遠鏡和敏感的檢測器接收，激光雷達是激光技術與現代光電探測技術結合的先進探測方式。由發射系統 、接收系

11、統 、信息處理等部分組成。發射系統是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調諧的固體激光器以及光學擴束單元等組成；接收系統采用望遠鏡和各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等組合。激光雷達采用脈沖或連續波2種工作方式，探測方法按照探測的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達5、風廓線雷達：這是通過向高空發射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電風廓線雷達基礎上增加聲發射裝置構成無線電聲探測系統，可以遙感探測大氣中溫度的垂直廓線磁波束因大氣垂直結構不均勻而返回的信

12、息進行高空風場探測的一種遙感設備。風廓線雷達利用多普勒效應能夠探測其上空風向、風速等氣象要素隨高度的變化情況，具有探測時空分辨率高、自動化程度高等優點。在。 風廓線雷達能夠提供以風場為主的多種數據產品。其基本數據產品包括徑向速度、譜寬、信噪比、水平風向、水平風速、垂直速度和反映大氣湍流善的折射率結構常數Cn2等的廓線。6、雷達高度計：主要用于測量海面至衛星高度的微波遙感器7、散射計：一種用于測量目標表面（有時是體積）的散射或反射特性的有源微波遙感器。它不用于成像，對空間分辨率要求不高，但比成像雷達能更詳細地觀測目標的散射特性。各種物體對電磁波有不同的散射特性。散射特性與物體的復介電常數、表面粗

13、糙度以及散射計工作頻率、極化、入射角等有關。通過大量的理論和實驗工作，確定這些參數之間的定量關系，求出表征物體性質的散射系數，可以分辨出不同性質的物體。 雷達散射計常用來測量雷達目標隨入射角變化的散射系數，和不同極化對散射系數的影響，用來觀測海面、海浪，監視海面污染，探測土壤濕度和地面粗糙度。 散射計的體制有連續波、脈沖、多普勒連續波和調頻連續波。天線有扇形波束和銳波束二種，以適應機載和地面測8、合成孔徑雷達：利用雷達與目標的相對運動把尺寸較小的真實天線孔徑用數據處理的方法合成一較大的等效天線孔徑的雷達，也稱綜合孔徑雷達。合成孔徑雷達的特點是分辨率高，能全天候工作，能有效地識別偽裝和穿透掩蓋物

14、。所得到的高方位分辨力相當于一個大孔徑天線所能提供的方位分辨力。§2幾種重要氣象雷達的工作原理一、測雨雷達的工作原理當測雨雷達發射的電磁波輻射遇到云中測量的水滴或冰晶時，水滴或冰晶要對入射的電磁波吸收和向四周散射，其中部分又重新返回到雷達天線，雷達測量到的是水滴或冰晶對雷達發射電磁輻射的后向散射輻射，也就是雷達降水回波，這種后向散射輻射越大，訊號越強，回波強度Z也越大。雷在波強度取決于云中水滴的數目和水滴尺度，也就是云中的含量水量有關。當出現降水時，傳統的雷達由天線、天線轉換開關（用于發射訊號與接收訊號間轉換）、觸發信號發生器、發射機、接收機和顯示器組成，為控制天線的轉動還需求天線伺

15、服系統。1天線：測雨雷達天線是用于發射探測電磁輻射脈沖和接收由云雨粒子對雷達發射電磁輻射的后向散射輻射，天線的作用是將由發射機發出的電磁波輻射集中為窄的波束，向某一方向發射，因此雷達天線具有強的方向性，由此可以確定目標的方向。為由雷達確定云雨粒子的方向和距離，也必須以與發射方向同一相反方向接收雷達發出的電磁波輻射，因此只有當雷達發出的電磁波輻射遇到云雨粒子時，雷達才能接收到返回的電磁波，這種返回的電磁波稱為雷達回波。此時雷達發射和接收電磁波的方向就是云雨粒子目標的方向（方位和仰角）。(1)波束的寬度：天氣雷達的天線具有很強的方向性，它所輻射的功率集中在波束所指的方向上，波束主軸附近能流密度大，

16、波束的邊緣能流密度小，能流密度的相對分布曲線，稱為天線方向圖，曲線上各點與坐標原點的連線長度，代表該方向相對能流密度大小。能流密度最大方向上的波瓣稱為主波瓣，側面和相反方向能流密度均小得多，分別稱為旁瓣和尾瓣。在天線方向圖上，兩個半功率點方向的夾角，稱為波束寬度。波束寬度越小，定向角度的分辨率越高，探測精度越高。天氣雷達的波束寬度通常不超過2度，多普勒雷達的波束寬度一般不超過1度。波束寬度的大小取決于拋物面反射體的直徑和雷達工作波長。 （2）天線增益：在相同輻射功率條件下，在波束方向上定向天線的能流密度與各向均勻輻射的天線的能流密度之比，稱為天線增益，以G表示，天線增益與天線波束寬度具有一定的

17、關系。天線增益以分貝（dB）表示：分貝（dB）=10log（定向天線的能流密度）/（各向均勻輻散天線的能流密度）。2、天線轉換天關：由于雷達只使用同一個天線發射和接收電磁波輻射，必須使用一個天線轉換開關。交替發射和接收電磁波輻射訊號，在雷達發射期間，斷開接收機通路，在雷達接收期間又與發射通路斷開，完成發射和接收電磁波輻射的任務。天線轉換開關是將天線、發射機和接收機連接起來的一種裝置。當天線和發射機接通時，發射機輸出的特高頻振蕩脈沖電磁波順利地到達天線，在這個時間內天線與接收機切斷連通，電磁波不能進入接收機。在探測脈沖發射的間歇期，轉換開關接通接收機，使天線接收到的回波信號能全部進入接收機。波導

18、管是一種空心矩形金屬管狀導體，其內徑大小隨所攜帶信號的波長而異，脈沖信號經它傳送到天線其損耗極小。3、觸發訊號發生器：雷達發射的電磁波是由一個稱之為雷達信號發生器，其以一定的時間間隔發生的觸發信號觸發發射機，然后發射機發出一個強度高的高頻振蕩電磁訊號，通過天線向外發射。觸發信號發生器(控制鐘)是整個雷達的控制系統，它周期性地產生一個脈沖式的觸發信號，觸發脈沖輸送到調制解調器和顯示器，指揮它們開始工作。每秒種產生的觸發脈沖數目，稱為脈沖重復頻率，以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency) 表示。兩個相鄰脈沖之間的時間間隔，稱為脈沖重復周期，用T表示，它等于脈沖重復頻率的倒數

19、。實際工作中，可用公式計算脈沖重復周期的數值。2、調制解調器在觸發脈沖的觸發作用下，調制解調器產生調制脈沖。調制脈沖具有兩個特性： （1）具有固定的脈沖寬度（也稱為脈沖持續時間），以微秒為單位，也可以以脈沖的空間距離h表示，脈沖寬度直接影響探測距離和距離分辨能力即雷達盲區大小。探測近目標采用窄的脈沖寬度，在探測遠目標時，為了增大回波信號的強度采用寬的脈沖寬度。天氣雷達的脈沖寬度一般取0.1-4微秒，隨各種雷達探測目的不同而異。 （2）調制脈沖提供一個合適的視頻波形具有足夠的幅度，以便使下一級電路發射機正常工作4、發射機：在調制脈沖的作用下，在雷達信號發生器產生強的高功率電磁輻射波。發射機產生短

20、促又強大的特高頻振蕩，經天線向空間發射出去，即探測脈沖。發射機的主要技術參數有波長（或振蕩頻率F）和脈沖發射功率。 （）波長：天氣雷達通常使用的波長是厘米波，劃分為K、X、C和S四個波段，K波段的雷達是用來探測非降水的云，X、C和S波段用于探測降水。氣象雷達使用的無線電波長范圍很寬，從1厘米到1000厘米。它們常被劃分成不同的波段,以表示雷達的主要功能。氣象雷達常用的1、3、5、10和 20厘米波長各對應于 K波段（波長0.752.4厘米）、X波段（波長 2.43.75厘米）、C波段（波長3.757.5厘米）、S波段（波長7.515厘米）和 L波段（波長

21、1530厘米），超高頻和甚高頻雷達的波長范圍分別為10100厘米和1001000厘米。雷達探測大氣目標的性能和其工作波長密切有關。把云雨粒子對無線電波的散射和吸收結合起來考慮，各種波段只有一定的適用范圍。常用K波段雷達探測各種不產生降水的云，用X、C和S波段雷達探測降水，其中S波段最適用于探測暴雨和冰雹，用高靈敏度的超高頻和甚高頻雷達可以探測對流層平流層-中層的晴空流場。 表 雷達工作主要譜帶譜帶符號標稱頻率標稱波長HF 3-30 MHz100-10 mVHF 30-300 MHz10-1 mUHF 300-1000 MHz1-0.3 mL 1-2 GHz30-15 cmS2-4 GHz15-

22、8 cmC4-8 GHz8-4 cmX8-12 GHz4-2.5 cmKu12-18 GHz2.5-1.7 cmK18-27 GHz1.7-1.2 cmKa27-40 GHz1.2-0.75 cmV40-75 GHz0.75-0.40 cmW75-110 GHz0.40-0.27 cmmm110-300 GHz0.27-0.1 cm（）脈沖發射功率：是指天線實際發射的峰值功率，如果忽略了波導管和天線的損耗，則脈沖發射功率將近似地等于發射機輸出峰值功率。5、接收機：接收來自目標物的回波信號，經過放大后送往顯示器進行顯示。從上百公里之外的目標物返回的雷達回波信號是非常非常微弱，接收機必須具有接收微

23、弱信號的能力，這種能力稱為靈敏度。靈敏度用最小可辨功率表示。它是回波信號剛剛能從噪聲信號中分辨出來時的回波功率6、顯示器：測雨雷達接收云雨滴返回的電磁波輻射通過接收機的變換處理，需把雷達回波（如降水區、風暴）相對于雷達的位置、距離、強度和降水結構等顯示出來，通常采用兩種顯示方式：以雷達站為顯示中心，出來的一種指示儀器。（1）距離顯示器(A顯或A/R顯)。顯示不同距離上氣象目標物的回波強度的一種儀器。（2）平面位置顯示器（PPI）：是天氣雷達中最常用的一種顯示器。這是以雷達測站為中心、距離為半徑的同心圓構成的把氣象目標物的方位和距離的平視圖以極坐標形式的雷達回波顯示器。在平面位置顯示器中，采用極

24、坐標表示雷達回波的具體位置，正北方向為方位角0O、正東為90O、正南為180O、正西為270O；雷達天線作水平掃描圓周運動，將由云雨滴反射的電磁波，也就是雷達回波顯示在以雷達為中心的極坐標中，由此可以雷達探測到的云雨強度的水平分布，顯示出降雨的水平結構。在這種顯示器上，電子束一方面以脈沖重復頻率自屏幕的中心向外作等速的徑向掃描；另一方面通過天線傳動裝置，使徑向掃描為同步地隨天線繞垂直軸旋轉，當有回波信號進入時，在相應的距離和方位上掃描線增亮，從而顯示出回波，其亮度取決于回波信號的強度，近代采用了視頻積分處理器，將回波信號按不同的強度用不同的灰度或彩色顯示出來。當雷達天線掃描一周時，屏幕上顯示出

25、測站周圍目標的分布和回波強度。如圖中 （2）距離高度顯示器（RHI）：用來顯示降水的垂直剖面，縱坐標是高度，橫坐標為水平距離，高度坐標放大，所顯示的回波在垂直方向被拉長了。這是把在給定方位的鉛直平面內氣象目標物的距離和高度以直角坐標形式顯示，就是以某一方向的水平軸與該方向的某仰角方向間構成的顯示方式，用于顯示某仰角方向上雷達回波的垂直結構，此時雷達固定在某個方向上，作垂直方向的上、下掃描，仰角一般抬升到30度。除以上幾種常用方式外還有A型顯示器：它是取某一方向的雷達訊號的振幅與距離間的關系。二、脈沖多普勒雷達的工作原理如前述，脈沖多普勒雷達（）多普勒效應 多普勒效應是指發射源和接收器之間有相對

26、的徑向運動時，雖然發射源所發射的信號頻率固定不變，但接受器所收到的信號頻率相對于發射源的頻率卻發生了變化。 （）多普勒頻率 目標物相對于雷達作徑向運動引起回波信號的頻率變化，稱為多普勒頻移，亦稱為多普勒頻率。 （）多普勒頻率與目標物相對于雷達的徑向速度的關系：設目標物距雷達的距離為，探測脈沖從雷達天線發射到目標物并返回天線往返的距離為。距離若以波長來度量，相當于2倍距離除以波長得到波長的個數，當以弧度度量時，則相當于波長個數乘以2倍圓周率的弧度。若探測脈沖在天線處發射時具有一定的初相位，而回波信號返回天線時的位相及在很短時間內位相隨時間的變化，假設以均勻的速度沿徑向運動，就可以求得相對于雷達運

27、動所產生的頻率差。 目標徑向速度引起的回波信號的頻率變化，它是疊加在雷達波的頻率上，回波信號的頻率隨目標物徑向速度的變化而發生相應的改變。計算得到的多普勒頻率與徑向速度及波長之間的關系. （）多普勒頻率的測定 對于氣象目標而言，多普勒頻率Fd是在聲頻范圍，比天氣雷達（厘米波）的工作頻率小多個數量級。多普勒頻率的測定是通過比較發射探測脈沖波的基準信號位相與回波信號的位相之差值而得到的。但實際上，每次發射的脈沖波的初位相是隨機的。一個隨機變化的初位相無法和回波信號包含有延遲分量的位相進行比較，也就無法獲得多普勒頻率。因此，相干振蕩器便成為解決這個問題的關鍵電路，相干振蕩器的作用就是從發射脈沖波信號

28、中取出基準信號，而且它在每一個重復周期內均和發射信號具有相同的初位相，利用這個初位相作基準，與回波信號位相比較，得出這兩個信號的相位差。所以，多普勒天氣雷達是一種相干雷達，而普通的天氣雷達屬于非相干雷達。從1998年開始在中國布網新一代多普勒天氣雷達系統。多普勒效應是奧地利物理學家J.Doppler1842年首先從運動著的發聲源中發現的現象，多普勒天氣雷達的工作原理即以多普勒效應為基礎。脈沖多普勒雷達的工作原理可表述如下：當雷達發射一固定頻率的脈沖波對空掃描時，如遇到降水粒子相對雷達發射波束相對運動的活動目標時，可以測定接收信號與發射信號的高頻頻率之間存在的差異，這種回波的頻率與發射波的頻率出

29、現頻率差，稱為多普勒頻率。根據多普勒頻率的大小，可測出目標對雷達的徑向相對運動速度；根據發射脈沖和接收的時間差，可以測出目標的距離。同時用頻率過濾方法檢測目標的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。所以脈沖多普勒雷達比普通雷達的抗雜波干擾能力強，能探測出隱蔽在背景中的活動目標。運用這種原理，可以測定散射體相對于雷達的速度，在一定條件下反演出大氣風場、氣流垂直速度的分布以及湍流情況等。這對研究降水的形成，分析中小尺度天氣系統，警戒強對流天氣等具有重要意義。新一代多普勒天氣雷達的產品包括基本產品和導出產品。基本產品有三個：反射率因子、平均徑向速度、譜寬。反射率因子描

30、繪了一個完整的360º方位掃描的回波強度數據，數據等級用dBZ表示。雷達操作者可依靠反射率因子產品確定回波的強度，確定風暴的強弱和結構以及強降雨（雪）帶，還可根據反射率因子隨時間的變化確定降水回波的移動以及未來的趨勢等。平均徑向速度表示整個360º方位掃描徑向速度數據，徑向速度即物體運動速度平行與雷達徑向的分量。徑向速度有許多直接的應用，可以導出大氣結構，風暴結構，可以幫助產生、調整和更新高空分析圖等。平均徑向速度產品有兩點局限性：一是垂直于雷達波束的風的徑向速度被表示為0；二是距離折疊和不正確的速度退模糊。譜寬數據實際上指的是速度譜寬數據，它是一個對速度離

31、散量的度量。它可提供由于風切變、湍流和速度樣本質量引起的平均徑向速度變化的觀測，也可用來確定邊界（密度不連續面）位置、估計湍流大小及檢查徑向速度是否可靠。導出產品是雷達產品生成系統（RPG）根據基本數據資料通過氣象算法處理后得到的產品，比較重要的有相對于風暴的平均徑向速度圖、相對于風暴的平均徑向速度區、強天氣分析、組合反射率因子、回波頂、剖面產品等。到目前為止，最常用的還是基本產品，導出產品只能起到提示和參考作用。 多普勒雷達是目前世界上最先進的雷達系統，有“超級千里眼”之稱。相較于傳統天氣雷達，多普勒雷達能夠監測到位于垂直地面8-12公里的高空中的對流云層的生成和變化，判斷云的移動速度，其產

32、品信息達72種，天氣預報的精確度比以前將會有較大提高。1991至1997年，美國在全國及海外布網的165臺NEXRDA被稱為天氣雷達系統的典范，是目前世界上最先進的和最精確的天氣雷達系統。它所采用的多普勒信號處理技術和自動產生災害性天氣警報的能力無與倫比。NEXRAD可以自動形成和顯示豐富多彩的天氣產品，極大地提高了對超級單體、湖泊效應雪、成層雪、雷暴、降水、風切變、下擊暴流、龍卷、鋒面、湍流、冰雹等重大災害性天氣的監測和預報能力。對強雷暴的偵察率是96%，對龍卷的發現率是83%，對龍卷警告的平均預警時間是18分鐘，而在未建NEXRDA網絡之前，美國國家上述參數的平均值分別是60%，40%和2

33、分鐘。從中可以預料CINRDA將從根本上增強探測強雷暴的能力，能較早地探測到晴空下威脅航行的大氣湍流和發生災害性洪水的可能，并為水資源的管理決策提供極有價值的信息。新一代天氣雷達系統建設是我國20世紀末21世紀初的一項氣象現代化工程，計劃在全國建成S頻段和C頻段雷達156部，該系統建成后，我國的氣象現代化水平會上一個新的臺階。三、風廓線雷達風廓線雷達是通過向高空發射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電磁波束因大氣垂直結構不均勻而返回的    1信息進行高空風場探測的一種遙感設備。風廓線雷達利用多普勒效應能夠探測其上空風向、風速等氣象要素隨高度的變化情況，具有探測時空分辨率高

34、、自動化程度高等優點。在風廓線雷達基礎上增加聲發射裝置構成無線電聲探測系統，可以遙感探測大氣中溫度的垂直廓線。 風廓線雷達能夠提供以風場為主的多種數據產品。其基本數據產品包括徑向速度、譜寬、信噪比、水平風向、水平風速、垂直速度和反映大氣湍流善的折射率結構常數cn2等的廓線2。 風廓線雷達原理大氣中折射率的不均勻能夠引起對電磁波的散射，其中大氣中的湍流活動導致折射率漲落而引起的散射（即湍流散射），散射層的運動和湍流塊的運動都可造成返回電磁波信號的多普勒頻移，采用多普勒技術可以獲得其相對    于雷達的徑向速度，通過進行多射向的速度測量，在一定的假定條件下可估測出回波信號所在高

35、度上的風向、風速和垂直運動，從而獲取大氣風廓線資料。用于這一探測目的的脈沖多普勒雷達稱為風廓線雷達2。 風廓線雷達工作頻帶按照對風廓線探測高度需求的不同，風廓線雷達分為平流層風廓線雷達，對流層風廓線雷達和邊界層風廓線雷達三種，設備所采用的工作頻率也不有所不同，根據1997年世界無線電大會（WRC-97）為風廓線雷達業務劃分的頻段以及依據中華人民共和國無線電頻率劃分規定和國際電信聯盟無線電規則第217號決議“風廓線雷達的實施”，風廓線雷達作為無線電定位業務，國內采用的頻率范圍為風廓線雷達通常使用電磁波頻率以及探 測高度如表所示2雷達類型邊界層對流層平流層工作頻率（MHZ）12701295 ，13

36、0013754404 50 4668探測高度(km)0.1-30.6-163-30風廓線雷達的歸屬與分類風廓線雷達(wind profiler)主要是利用大氣湍流對電磁波的散射作用對大氣風場等物理量進行探測的遙感設備。 根據天線制式的不同，風廓線雷達可以分為兩大類:一類是采用相控陣天線的風廓線雷達，另一類是采用拋物面天線的風廓線雷達，相控陣風廓線雷達體制適用于各種高度的探測，成為目前普遍采用的技術體制。近年來，也出現了拋物面天線的風廓線雷達，但是由于發射功率等技術條件的限制，拋物面天線風廓線雷達的探測高度僅限于邊界層。 因為風廓線雷達在進行氣流速度測量的同時，還要對氣流進行空間定位，所以不論是

37、相控陣天線風廓線雷達，還是拋物面天線風廓線雷達，都需要發射脈沖電磁波并具有多普勒測速功能，因此，可以將風廓線雷達歸類于脈沖多普勒雷達，其中，采用相控陣體制的風廓線雷達也可以歸類于相控陣雷達. 根據探測高度的不同，可以將風廓線雷達分為邊界層風廓線雷達、對流層風廓線雷達以及中間層一平流層一對流層雷達(MST)。邊界層風廓線雷達的探測高度一般在3km左右，對流層風廓線雷達的探測高度一般在12一16km, (探測高度8km以下的稱為低對流層風廓線雷達)，MST雷達的探測高度可以達到中間層。 不同探測高度的風廓線雷達有著不同的應用領域。MST雷達一般用于高層大氣科學研究。對流層風廓線雷達，其組網觀測資料

38、更適合用于數值天氣預報。邊界層風廓線雷達主要用于邊界層的觀測，其探測資料更適合于中小尺度的大氣科學研究、中小尺度短時預報、航空安全保障和空氣質量預報等社會服務領域。 根據雷達工作頻率的不同，大致可以將風廓線雷達分為甚高頻(VHF)、超高頻(UHF)和L波段三種類型。由于湍流散射機制的限制，探測高度越高選用的波長就越長。因為探測高度與雷達波長之間存在著制約關系，所以按探測高度的分類方法和按雷達工作波長的分類方法存在一定的相關性，但又不完全對應。大致上講，邊界層風廓線雷達選用L波段、對流層風廓線雷達選用UHF( P波段)、探測高度在平流層以上的風廓線雷達大致選用VHF2 風廓線雷達能夠實時提供大氣

39、的三維風場信息，增加無線電-聲探測系統（RASS），可實現對大氣風、溫等要素的連續遙感探測，是一種新的高空大氣探測系統。與常規大氣探測設備相比，風廓線雷達在探測精度、垂直分辨率和探測時間間隔等方面是其它觀測系統所無法比擬的。間距適中、布局合理的風廓線雷達網在氣象業務和氣象研究、航天航空氣象、環境監測、軍事氣象保障以及緊急突發事件保障、防災減災等方面都可以發揮重要作用2。 風廓線雷達探測具有3個突出的特點:(1)獲取資料的時間和空間分辨率高，風廓線雷達的測量具有很高的時間和空間分辨率。測量數據輸出的時間間隔可以短到幾分鐘，數據的空間分辨率一般在幾十米的量級，可以給出較密的廓線資料。從此意義上講風

40、廓線雷達的測量具有連續和實時的特點。 (2)獲取資料的種類多，風廓線雷達能夠提供多種氣象信息。風廓線及其隨時間的演變是風廓線雷達提供的基本氣象資料，包括水平風廓和垂直風廓線等。在獲取風場資料的同時，從連續的觀測數據序列中，可以分析出切變線、大氣重力波動和大氣穩定度等信息。通過多波束的測量可以估算水平散度和變形量等更多的氣象信息。從Doppler譜寬可以獲取湍流信息，從雷達反射率可以得到反映湍流強度的湍流結構常數。總之，風廓線雷達在提供詳細的風場結構及其隨時間演變的同時，還能夠提供大量的可以用于大氣科學研究和天氣預報的有用信息。特別是，常規探測手段很難獲取這些資料。 (3)遙感方式，風廓線雷達屬

41、于遙感風速計，特別適合需要無球探測的場合，如機場的測風應用。 四、激光雷達工作原理激光雷達技術的技術原理來自于雷達，并借助了激光和類似望遠鏡的檢測器。其工作方法是，將紫外線脈沖發射到大氣層，沿著它的軌跡，光被小顆粒散射開。空氣中顆粒物越多，所反射的光越多。而反射到激光雷達系統的光被望遠鏡和敏感的檢測器接收。五、我國氣象雷達的發展概況1、711雷達 中國最早測雨雷達 711雷達國產的一種小型測雨雷達。波長3.2cm，天線直徑1.5米 ，天線增益38dB，波束寬度1.5度，發射脈沖功率75KW，脈沖寬度1微秒，脈沖重復頻率為400HZ。最小可測功率為98dB·mw。配備有PPI（平面位置

42、顯示器）和RHI（距離高度顯示器）合用的顯示器和A/R顯示器。這是中國最早定型生產的測雨雷達，現有300余臺，裝備在全國各地的天氣雷達站、航空港、海港、鹽場等地。 2、712雷達 國產的一種測雨雷達。波長3.2cm，天線口徑為5.5米 （垂直）和1.1米（水平），波束寬度為0.45度（垂直）和2度（水平），發射脈沖功率為180KW，脈沖寬度1微秒，脈沖重復頻率為300HZ。配有PPI（平面位置顯示器）和RHI（距離高度顯示器）合用的顯示器。此外，還配有HCT-1型圖象傳輸設備，傳輸距離為50km。此型雷達實際上是測高雷達的變型），因而具有較窄的垂直波瓣，適合于比較精確地測定云底和云頂高底，所以

43、較多地使用于航空港。 3、713雷達 國產的一種測雨雷達。波長5.6CM 。天線直徑3.7米，天線增益38dB。波束寬度1.2度，發射脈沖功率為250kw，脈沖寬度2微秒, 脈沖重復頻率為200HZ ，最小可測功率為-107dB·mw，最大探測距離為400KM。配有PPI（平面位置顯示器）、RHI（距離高度顯示器）和RHI（距離仰角顯示器）合用的顯示器和A/R顯示器，并配有視頻信號處理器，可對降水進行較準確的測量。主要裝備于地區氣象臺和部分省級氣象臺，以及氣象研究機構。4、新一代多普勒天氣雷達5、天氣雷達組網六、雷達產品測雨雷達的顯示器將雷達回波以圖像的方式顯示出來，在雷達顯示器上回

44、波圖像可以確定降水的位置、降水區的強度和范圍大小、形狀，測雨雷達的連續觀測可以確定降水的移動和降水區的移動演變，特別是夏季，測雨雷達可以監視冰雹、大風和暴雨的強對流天氣的發生發展，還可以確定云中的含量水量，由多普勒天氣雷達可以確定大氣的中小尺環流。1、降水回波、降水分布：測雨雷達測量的由雨滴反射回的電磁波輻射，因此迷幻主要反映的降水分布，如圖顯示了雷達平面位圖顯示器上顯示的降水回波，圖上不同的色彩表示回波的強度，為定量表示回波的強弱，在圖的右邊有彩色標尺，只要將彩色標尺與回波的色調進行比較，就可以確定強度。 圖413、中小尺度風場前面已講到利用多普勒雷達 圖424、液態含水量分布 圖435、雷

45、達拼圖回波分布 圖44 圖45 圖465、臺風回波分布 圖47圖48 圖49 圖50編輯本段工作原理多普勒效應（Doppler effect）是為紀念奧地利物理學家及數學家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。多普勒認為，物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高(藍移 (blue shift)。在運動的波源后面，產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低(紅移 (red shift)。波源的速度越高，所產生的效應越大。根據光波紅/

46、藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運動的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動現象(包括光波) 都存在多普勒效應。 。 多普勒雷達就是利用多普勒效應進行定位，測速，測距等工作的雷達。所謂多普勒效應就是，當聲音，光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度V相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有所不同。因為這一現象是奧地利科學家多普勒最早發現的，所以稱之為多普勒效應。由多普勒效應所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度V成正比，與振動的頻率成反比。機載火控系統用的主要是脈沖多普勒雷達。如美國戰

47、機裝備的 A P G68雷達，代表了機載脈沖多普勒火控雷達的先進水平。它有18種工作方式，可對空中、地面和海上目標邊搜索邊跟蹤，抗干擾性能好，當飛機在低空飛行時，還可引導飛機跟蹤地形起伏，以避免與地面相撞。這種雷達體積小，重量輕，可靠性高。機載脈沖多普勒雷達主要由天線、發射機、接收機、伺服系統、數字信號處理機、雷達數據處理機和數據總線等組成。機載脈沖多普勒雷達通常采用相干體制，有著極高的載頻穩定度和頻譜純度以及極低的天線旁瓣，并采取先進的數字信號處理技術。脈沖多普勒雷達通常采用較高以及多種的重復頻率和多種發射信號形式，以在數據處理機中利用代數方法，并可應用濾波理論在數據處理機中對目標坐標數據作

48、進一步濾波或預測。脈沖多普勒雷達具有下列特點：采用可編程序信號處理機，以增大雷達信號的處理容量、速度和靈活性，提高設備的復用性，從而使雷達能在跟蹤的同時進行搜索并能改變或增加雷達的工作狀態，使雷達具有對付各種干擾的能力和超視距的識別目標的能力；采用可編程序柵控行波管，使雷達能工作在不同脈沖重復頻率，具有自適應波形的能力，能根據不同的戰術狀態選用低、中或高三種脈沖重復頻率的波形，并可獲得各種工作狀態的最佳性能；采用多普勒波束銳化技術獲得高分辨率，在空對地應用中可提供高分辨率的地圖測繪和高分辨率的局部放大測繪，在空對空敵情判斷狀態可分辨出密集編隊的群目標。多普勒雷達，就是利用多普勒效應進行定位，測

49、速，測距等工作的雷達。所謂多普勒效應就是，當聲音，光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度V相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發出的頻率有所不同。因為這一現象是奧地利科學家多普勒最早發現的，所以稱之為多普勒效應。由多普勒效應所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度V成正比，與振動的頻率成反比。2、調制解調器：在觸發脈沖的觸發作用下，調制解調器產生調制脈沖。調制脈沖具有兩個特性：（）具有固定的脈沖寬度（也稱為脈沖持續時間），以微秒為單位，也可以以脈沖的空間距離h表示，脈沖寬度直接影響探測距離和距離分辨能力即雷達盲區大小。探測近目標采用窄的脈沖寬度，在探測遠目標時，為了增大回波信號的強

50、度采用寬的脈沖寬度。天氣雷達的脈沖寬度一般取0.1-4微秒 ，隨各種雷達探測目的不同而異。（）調制脈沖提供一個合適的視頻波形具有足夠的幅度，以便使下一級電路發射機正常工作3、發射機： 4、 天線轉換開關 、波導管：天線轉換開關是將天線、發射機和接收機連接起來的一種裝置。當天線和發射機接通時，發射機輸出的特高頻振蕩脈沖電磁波順利地到達天線，在這個時間內天線與接收機切斷連通，電磁波不能進入接收機。在探測脈沖發射的間歇期，轉換開關接通接收機，使天線接收到的回波信號能全部進入接收機。波導管是一種空心矩形金屬管狀導體，其內徑大小隨所攜帶信號的波長而異，脈沖信號經它傳送到天線其損耗極小。多普勒天氣雷達站

51、5、 天線：(1)波束的寬度：天氣雷達的天線具有很強的方向性，它所輻射的功率集中在波束所指的方向上，波束主軸附近能流密度大，波束的邊緣能流密度小，能流密度的相對分布曲線，稱為天線方向圖，曲線上各點與坐標原點的連線長度，代表該方向相對能流密度大能流密度最大方向上的波瓣稱為主波瓣，側面和相反方向能流密度均小得多，分別稱為旁瓣和尾瓣。在天線方向圖上，兩個半功率點方向的夾角，稱為波束寬度。波束寬度越小，定向角度的分辨率越高，探測精度越高。天氣雷達的波束寬度通常不超過2度，多普勒雷達的波束寬度一般不超過1度。波束寬度的大小取決于拋物面反射體的直徑和雷達工作波長。（）天線增益：在相同輻射功率條件下，在波束

52、方向上定向天線的能流密度與各向均勻輻射的天線的能流密度之比，稱為天線增益，以G表示，天線增益與天線波束寬度具有一定的關系。天線增益以分貝（dB）表示：分貝（dB）=10log（定向天線的能流密度）/（各向均勻輻散天線的能流密度）。6、 接收機和顯示器接收機:接收來自目標物的回波信號，經過放大后送往顯示器進行顯示。回波信號常常非常微弱，接收機必須具有接收微弱信號的能力，這種能力稱為靈敏度。靈敏度用最小可辨功率表示。它是回波信號剛剛能從噪聲信號中分辨出來時的回波功率。顯示器：（）平面位置顯示器（簡稱平顯或PPI）是天氣雷達中最常用的一種顯示器。在這種顯示器上，電子束一方面以脈沖重復頻率自屏幕的中心

53、向外作等速的徑向掃描；另一方面通過天線傳動裝置，使徑向掃描為同步地隨天線繞垂直軸旋轉，當有回波信號進入時，在相應的距離和方位上掃描線增亮，從而顯示出回波，其亮度取決于回波信號的強度，近代采用了視頻積分處理器，將回波信號按不同的強度用不同的灰度或彩色顯示出來。當雷達天線掃描一周時，屏幕上顯示出測站周圍目標的分布和回波強度。（）距離高度顯示器（簡稱高顯或RHI） 也是天氣雷達中最常用的一種顯示器，用來顯示垂直剖面，縱坐標是高度，橫坐標為水平距離，高度坐標放大，所顯示的回波在垂直方向被拉長了。新一代多普勒天氣雷達的產品包括基本產品和導出產品。基本產品有三個：反射率因子、平均徑向速度、譜寬。反射率因子

54、描繪了一個完整的360º方位掃描的回波強度數據，數據等級用dBZ表示。雷達操作者可依靠反射率因子產品確定回波的強度，確定風暴的強弱和結構以及強降雨（雪）帶，還可根據反射率因子隨時間的變化確定降水回波的移動以及未來的趨勢等。平均徑向速度表示整個360º方位掃描徑向速度數據，徑向速度即物體運動速度平行與雷達徑向的分量。徑向速度有許多直接的應用，可以導出大氣結構，風暴結構，可以幫助產生、調整和更新高空分析圖等。平均徑向速度產品有兩點局限性：一是垂直于雷達波束的風的徑向速度被表示為0；二是距離折疊和不正確的速度退模糊。譜寬數據實際上指的是速度譜寬數據，它是一個對速度離散量的度量。它

55、可提供由于風切變、湍流和速度樣本質量引起的平均徑向速度變化的觀測，也可用來確定邊界（密度不連續面）位置、估計湍流大小及檢查徑向速度是否可靠。導出產品是雷達產品生成系統（RPG）根據基本數據資料通過氣象算法處理后得到的產品，比較重要的有相對于風暴的平均徑向速度圖、相對于風暴的平均徑向速度區、強天氣分析、組合反射率因子、回波頂、剖面產品等。到目前為止，最常用的還是基本產品，導出產品只能起到提示和參考作用。多普勒雷達是目前世界上最先進的雷達系統，有“超級千里眼”之稱。相較于傳統天氣雷達，多普勒雷達能夠監測到位于垂直地面8-12公里的高空中的對流云層的生成和變化，判斷云的移動速度，其產品信息達72種，

56、天氣預報的精確度比以前將會有較大提高。1991至1997年，美國在全國及海外布網的165臺NEXRDA被稱為天氣雷達系統的典范，是目前世界上最先進的和最精確的天氣雷達系統。它所采用的多普勒信號處理技術和自動產生災害性天氣警報的能力無與倫比。NEXRAD可以自動形成和顯示豐富多彩的天氣產品，極大地提高了對超級單體、湖泊效應雪、成層雪、雷暴、降水、風切變、下擊暴流、龍卷、鋒面、湍流、冰雹等重大災害性天氣的監測和預報能力。對強雷暴的偵察率是96%，對龍卷的發現率是83%，對龍卷警告的平均預警時間是18分鐘，而在未建NEXRDA網絡之前，美國國家上述參數的平均值分別是60%，40%和2分鐘。從中可以預

57、料CINRDA將從根本上增強探測強雷暴的能力，能較早地探測到晴空下威脅航行的大氣湍流和發生災害性洪水的可能，并為水資源的管理決策提供極有價值的信息。新一代天氣雷達系統建設是我國20世紀末21世紀初的一項氣象現代化工程，計劃在全國建成S頻段和C頻段雷達156部，該系統建成后，我國的氣象現代化水平會上一個新的臺階。我國的天氣雷達走過了一條從引進、消化吸收、研制、再改進到自主研發具有中國特色天氣雷達的曲折道路，經歷了從早期703、711型電子管體制的天氣雷達以及713、714、716A型半導體化天氣雷達，到第一代714CD型脈間相參多普勒天氣雷達和現在大量使用集成電路、固態電路、可編程信號處理的具有全相參多普勒功能的現代化的新一代天氣雷達的發展過程天氣雷達應用和雷達氣象學領域從最初模擬化、定性分析技術，發展到數字化、定量化綜合分析。雷達產品由單一的氣象回波強度發展到基本產品（強度、速度、譜寬）和導出產品，多達70多種。實現了災害性天氣自動識別和自動產生天氣警報的能力。按照我國216部布網雷達規劃，已經完成了1