天气雷达组成及雷达参数在线视频

hello大家好

我们来继续雷达气象学的学习

上次我们介绍了天气雷达工作的

基本原理和组成

我们要接着详细学习天气雷达的

各个部分及其重要的雷达参数

我是夏兰

来自云南大学

请不要记得我

记得我讲过的内容

这是我们讲过的常规天气雷达的基本组成

主要包括发射系统、天线系统、接收系统

信号处理系统和显示系统

同时也介绍了常规天气雷达是如何工作的

首先信号发生器触发脉冲信号

指挥调制解调器产生调制脉冲

再由发射机形成大功率射频脉冲

转换开关与发射机连接

将信号由波导管传输

并由天线的辐射喇叭发射电磁波信号

通过反射体反射将电磁波信号发射出去

接受的时候

由天线接受回波信号

这时转换开关与接收机连接

接收回波

并把信号放大

最后由显示器把观测结果显示出来

那么接下来

我们要详细学习天气雷达的每个组成部分

首先是触发信号发生器

也成为控制钟

是整个雷达的控制系统

它周期性地产生一个脉冲式的触发信号

触发脉冲输送到调制解调器和显示器

指挥它们开始工作

这里有两个重要的参数

一个是脉冲重复频率（PRF）

即每秒钟发生多少个脉冲

另一个是脉冲重复周期

是两个脉冲之间的时间间隔

即从这个脉冲发射到

下一个脉冲发射间隔的时间是多长

脉冲重复频率和脉冲重复周期是

互为倒数的关系

脉冲重复频率越大

则脉冲重复周期越小

这两个参数是会影响到雷达观测范围的

当脉冲重复频率高时

一定时间内雷达接收到的回波信号多

有利于短时间内得到

比较准确的平均回波强度

有利于雷达的定量测量和定量应用

同时荧光屏上显示的回波也比较明亮清晰

但缺点就是雷达的最大不模糊距离会下降

在我们后续的课程中还会详细介绍

调制解调器在触发脉冲的

触发作用下产生调制脉冲

这里也有两个重要的雷达参数

一个是脉冲宽度τ

是脉冲的持续时间

即脉冲从开始发射到这个脉冲结束的时间

这个时间其实非常短

在0.1微秒到几微妙之间

值得注意的是

虽然叫脉冲宽度

实际上指的是时间

脉冲的持续时间

用脉冲宽度乘以光速c

即时间乘以速度

就得到了脉冲长度h

脉冲宽度这个参数会影响到

雷达距离分辨率和雷达盲区

脉冲宽度越长

雷达距离分辨率会下降

雷达盲区会增大

简单的说下

从之前我们的讲解可以知道

常规天气雷达只有一个天线

既发射也接收

这就意味这发射的时候不能接收

接受的时候不能发射

如果脉冲宽度较长

也就是发射的时间较长

那么近距离处目标物的回波信号已经返回了

天线还处于发射的状态

这时回波信号无法被接收

致使近距离的目标物无法被探测到

雷达的盲区增大

因此探测近距离的目标物时要用窄的脉冲宽度

探测远距离的目标物时要用宽的脉冲宽度

我们新一代天气雷达就有两个脉冲宽度

一个是短脉冲1.57微妙

一个是长脉冲4.71微妙

后续学习中我们还会讨论到

发射机的主要作用

是在调制脉冲的作用下

发射机产生短促又强大的特高频振荡

经天线向空间发射出去

即探测脉动

发射机的重要参数有以下几个

首先是波长

就是发射什么样的电磁波信号

天气雷达通常使用的波长是厘米波段

划分为K、X、C和S四个波段

K波段的波长是1cm

主要用来探测云和云滴

X波段是3cm雷达波

主要用来探测小雨和雪

C波段是5cm

主要用来探测中雨和雪

S波段是10cm

用来探测大雨、强风暴和天气预警

另一个参数是脉冲发射功率P

指天线实际发射的峰值功率

如果忽略了波导管和天线的损耗

则脉冲发射功率将近似地

等于发射机输出峰值功率

以及发射机的平均功率Pt

是指脉冲功率在其重复周期内的平均值

Pt=P*τ/T

脉冲宽度一般是0.1微妙到4微妙之间

脉冲重复周期大概是1-2秒

天气雷达发射和接受的都是持续时间极短

微秒量级

间歇时间很长

千微秒量级

高频脉冲波

这就有可能使发射和接收共用一根天线

天线转换开关的作用就是

在发射机工作时

天线只和发射机接通

使发射机产生的巨大能量不能直接进入接收机

从而避免损坏接收机

当发射机停止工作时

天线立即和接收机接通

微弱的回波信号只进入接收机

波导管

一种空心矩形金属管状导体

其内壁十分光滑

内径大小随所携带信号的波长而异

脉冲信号经它传送到天线其损耗极小

雷达天线的作用是定向地辐射

高频脉冲波和接收来自该方向的回波

气象上使用的雷达天线一般由两部分组成

辐射喇叭

它把发射机产生的高频脉冲能量向外辐射

反射器

它把来自辐射喇叭的脉冲电波

以很小的张角高度定向地向外反射

辐射喇叭在反射器的焦点上

经反射器将脉冲反射出来

方向性较好

天气雷达的天线具有很强的方向性

它所辐射的功率集中在波束所指的方向上

但是并不意味着只有在这个方向上有能量分布

实际上在其他方向也有脉冲波的能量分布

把天线水平和垂直面上能流密度的

分布在极坐标中绘制出来

就是天线方向图

反映了雷达波束的电磁场强度

及其能流密度在空间的分布

能流密度最大方向上的波瓣成为主瓣

侧面是旁瓣

相反方向是尾瓣

天线的一个重要参数是波束宽度

主瓣上功率最大的是波束所指方向

然后沿两侧逐渐减小

到这两个位置减少到最大功率的一半

这两个半功率点方向的夹角就是波束宽度

方向性图的实际形状和波束宽度的

大小决定于天线的形状、大小

雷达工作波长、以及辐射源馈入的形式

波束宽度越小

雷达选定方位和仰角的精度高

即测高精度高

回波区切向失真小

切向分辨率高

但缺点就是不利于捕捉空间目标物

如果做人工降水或是探测飞机

这种快速飞行的目标物

需要波束宽度大点

比较容易发现目标物

另外波束宽度太窄

也不利于探测比较弱的云和降水

不利于比较精确的测量平均回波强度

因此在气象观测中

采取折衷的波束宽度

我国新一代天气雷达S波段的天线直径9米

波束宽度小于1度

天线的另一个重要参数是天线增益

辐射总功率相同时

定向天线在最大辐射方向上的

能流密度与各向均匀辐射的

天线的能流密度之比

称为天线增益

天线增益通常以分贝的形式表示

即最大方向上的能流密度

比上各向均匀的能流密度之比

再去对数

乘以10

天线增益还与天线波束宽度有关

它们之间的关系是这个式子

派的平方比上水平波束宽度

和垂直波束宽度的乘积

同时天线的参数还有天线的有效截面积

表示天线反射体能有效地

接收回波信号的口径面积

通常天线的有效截面积是

小于等于天线的几何截面积的

对于圆抛物面天线

天线的有效截面积

等于几何截面积的三分之二

天线接受到的总回波功率

等于回波能流密度乘以天线有效截面积

因此在同等回波能流密度的条件下

有效截面积越大

天线接收到的回波总功率越大

同时天线的几何截面积越大

即尺寸越大

发射机的波长越短

天线的增益越大

天线增益越大

对于提高雷达的探测能力

和探测精度都是非常有利的

但是也不可能无限增大天线尺寸

否则会影响天线的转动和灵活性

接收机

接收来自目标物的回波信号

但通常回波信号都比较微弱

接收机必须有足够的放大倍数

将回波信号放大后

才能使微弱的回波信号在荧光屏上显示出来

接收机能分辨的回波的最小功率Pmin

是接收机的灵敏度

能接收和分辨越微弱的回波信号

则接收机越灵敏

显示器是把雷达探测到的云、雨等目标

及其相对于雷达的坐标位置

方位、距离、高度

回波强度等显示出来的装置

也是我们预报员和用户最直接面对的界面

天气雷达经常使用的显示器有

平面位置显示器（PPI）

距离高度显示器（RHI）

和等高平面位置显示器（CAPPI）

PPI是平面位置显示器

也是我们最常见到的显示界面

以极坐标的形式显示雷达天线

以一定仰角扫描一周时

测站周围目标物的分布情况

及其回波强度

所以是仰角固定

做不同方位角的观测

方位角0-360度扫描一周

中心位置就是雷达

一个个圆圈是距离圈

左图是反射率因子

右图为径向速度分布

距离高度显示器RHI

主要用于显示雷达天线正对某方位

以不同的仰角扫描时目标物的垂直剖面图

这时方位角固定

做不同仰角的扫描观测

纵坐标是高度

横坐标是水平距离

这就显示了一个冰雹云的垂直剖面图

等高平面位置显示器(CAPPl)

平面位置显示器只是在仰角为０时

得到降水目标的平面分布

仰角大于０时得到的

是一个远处高近处低的漏斗面上的云雨分布

为了解不同高度上的云和降水分布

了解降水发生发展的三度空间情况

人们使用了 “等高平面位置显示器”

简称CAPPI(Constant Altitude PPl)

等高平面位置显示器能够显示

不同高度平面上的云雨分布

总结一下这些就是与天气雷达探测性能

有关的雷达参数

你掌握了吗

今天我们就讲到这里 谢谢大家