【文章內(nèi)容簡介】 射的高頻脈沖每秒鐘重復出現(xiàn)的次數(shù)，用符號 F表示。脈沖重復頻率的高低，直接影響到雷達探測范圍的大小。 F越高，顯示器熒光屏上顯示的回波越 第 5 頁，共 25 頁 清晰，遠距離的目標越容易被發(fā)現(xiàn)。但是， F過高時，雷達的最大探測距離又會受到限制。脈沖重復周期是相鄰兩個高頻脈沖之間的間隔時間，用符號 T 表示。脈沖重復周期和脈沖重復頻率在數(shù)值上互為倒數(shù)。 (3)脈沖寬度 711 雷達的脈沖寬度為 1μ s。脈沖寬度是指一個高頻脈沖的持續(xù)時間，用符號τ表示。τ的寬窄，主要影響到雷達的最小探測距離和距離分辨能力。脈沖寬度越窄，最小探測距離越小，距離分辨能力越強。 (4)脈沖功率和平均功率 711 雷達的脈沖功率為 75W，平均功率為 30W。 脈沖功率就是在高頻脈沖持續(xù)期間發(fā)射機輸出的功率，也叫峰值功率，用符號 Pm 表示。脈沖功率的大小，主要影響雷達的探測范圍。在一定條件下，脈沖功率越大，雷達的探測范圍也越大。平均功率是指脈沖 功率在一個重復周期內(nèi)的平均值，用符號 Pc表示。 (5)波瓣寬度 前已提及，天線輻射的電磁波能量如同探照燈的燈光一樣，集中在某一個方向上形成波束。它的形狀就象花瓣一樣，于是人們叫他波瓣，這種圖叫波瓣圖。波瓣圖上兩個半功率點方向之間的夾角θ就是波瓣寬度。它是用來衡量天線定向發(fā)射性能好壞的一個指標。θ越小，天線的定向性能越好。 711 雷達在垂直方向上的波瓣寬度為 度，在水平方向上的波瓣寬度為 度。 3 新一代多普勒天氣雷達介紹 新一代 天氣雷達簡介 新一代 天氣雷達間歇性地向空中發(fā)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(jù)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 。 CINRAD 有高的可靠性，支持 24 小時連續(xù)運轉， 20 年產(chǎn)品壽命周期。 CINRAD的軟件更為豐富，在引進 NEXRAD 的各種軟件的基礎上，還容金了我過近年來的科研成果。 CINRAD 增強了探測強雷暴的能力，能較早地探測到威脅航行的氣流和發(fā)生災害性洪水的可能，并為水資源的管理決策提供有價值的信息。 CINRAD/SA天氣雷達的主要性能指標見表 第 6 頁，共 25 頁 表 CINRAD/SA天氣雷達主要性能指標 威力覆蓋范圍 460km 發(fā)射機 強度 類型 全相干放大鏈 S/N=10dB 定量探測范圍 230km 頻率 27003000MHz 準確度 1dB 峰值功率 750kW 最小 精度 1dB 脈沖寬度 s、 s 平均徑向速度 PRF 3181304Hz 當譜寬為 4m/s 且S/N8dB 時 不模糊速度 =50m/s 接收機 準確性 精度 譜寬 短時（ 1S）頻率穩(wěn)定度 =10E9 當譜寬為 4m/s 且S/N》 10dB 時 準確性 精度 45dB 最 小探測范圍（當 S/N=0dB,目標位于 50km 時） 波束寬度 = 度 雜波濾波器 憂于 50dB 第一旁瓣電平 =27dB CINRAD/SA 天氣雷達系統(tǒng)工作原理 多普勒效應是澳大利亞物理學家 年首先從運動著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，多普勒天氣雷達的工作原理即以多普勒效益為基礎，具體表現(xiàn)為：當降水粒子相對雷達發(fā)射波束相對運動時，可以測定接收信號與發(fā)射信號的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。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 。 天氣雷達間歇性地向空中發(fā)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 。 CINRAD/SA 雷達系統(tǒng)框圖見圖 。整個雷達系統(tǒng)包括三大組成部分：雷達數(shù)據(jù)采集 RDA，產(chǎn)品生成 RPG 和產(chǎn)品顯示 PUP。 雷達數(shù)據(jù)采集 RDA 這部分由天線、饋線系統(tǒng) 、發(fā)射機、接收機、信號處理機和雷達監(jiān)控主機組成，完成微波的產(chǎn)生、功率放大、發(fā)射、空域掃描、回波接收、放大、正交解調(diào)、模數(shù)變換、數(shù)據(jù)采集、雜波濾除、信息提取、平滑濾波等功能。雷達工作前的系統(tǒng)標定，雷達工作過程中的參數(shù)檢測，以及工作方式、工作狀態(tài)的設定等，也在這里完成。 第 7 頁，共 25 頁 圖 CINRAD/SA雷達系統(tǒng)框圖 產(chǎn)品生成 RPG RPG 主要負責接收 來自 RDA 的基本數(shù)據(jù)，通過一系列的氣象算法，形成多種圖形、圖象、字母數(shù)字氣象產(chǎn)品。 產(chǎn)品顯示 PUP 通過各種通信手段，將生成的各種氣象應用產(chǎn)品傳送分發(fā)至不同需要的用戶端，并直觀的顯示出來。主要功能是接收 RPG 生成的產(chǎn)品和雷達狀態(tài)信息，以圖象、圖形方式提供給預報分析人員。 多普勒雷達的優(yōu)越性 （ 1）常規(guī)天氣雷達只能得到天氣系統(tǒng)的雷達回波分布和強度信息，而多普天線 /天線罩 大口徑 低付瓣 全天候 接收機 相干穩(wěn)定頻率源 線性通道 對數(shù)通道 干擾檢測 測試信號源 發(fā)射機 全相干 大功率 頻譜控制 信號處理機 強度信號處理 多普勒信號處理 雜波濾除 雷達監(jiān)控 雷達控制 伺服控制 數(shù)據(jù)傳輸 參數(shù)標定 故障診斷 存 檔 A 衛(wèi)星通道 產(chǎn)品生成 氣象產(chǎn)品生成 系統(tǒng)控制 E1/T1 寬帶傳輸 存檔 B 單元控制臺 系統(tǒng)管理 狀態(tài)顯示 控制指令 主用工作站 RHI、 PPI 控制 圖象 /圖形顯示 文本信息顯示 人機交換 輔用戶工作站 圖象 /圖形顯示 文本信息顯示 人機交換 本地 /遠程 局域網(wǎng) /廣域網(wǎng) 第 8 頁，共 25 頁 勒天氣雷達除此之外還能通過產(chǎn)生的多普勒速度場獲得風場和譜寬信息，這將顯著的增強多普勒雷達監(jiān)測預報的能力。 （ 2）常規(guī)天氣雷達對熱帶氣 旋（臺風）的監(jiān)測，主要是根據(jù)雷達反射率因子所描繪的“臺風眼”幾何中心位置的變化來跟蹤熱帶氣旋的移動，不能準確的確定臺風強度及變化、“臺風眼”附近的風害位置和暴風帶等有關臺風的重要特征。而多普勒雷達探測資料可以更好地提供反映熱帶氣旋結構特征的信息，明顯地改善熱帶氣旋（臺風）登陸位置和強度預報的準確性。 （ 3）大氣的垂直運動能力反映云和降水的生成以及對流發(fā)展的不穩(wěn)定性，這對雷暴、冰雹等風雹災害的短時預報極為重要。目前依賴于常規(guī)資料難以準確地進行中尺度天氣分析，但大量的實驗研究證明多普勒雷達對風和降水具有高分辨率 的四維探測能力，可獲得探測范圍內(nèi)垂直速度和散度的局地分布。這些對準確預報雷暴生成時間、地點是很重要的信息，有助于預報人員改進風暴災害預報。 （ 4）多普勒天氣雷達有能力提供詳細的中小尺度天氣的觀測資料，特別是通過獲得的晴空和大范圍降水區(qū)內(nèi)的風場資料等信息，對改善地形影響降水的短時預報、監(jiān)測預報與鋒面相關的天氣變化、預報雷暴的發(fā)展和移動等有重要作用，并可明顯提高短期和短時天氣預報能力。 4 雙偏振雷達（ WSR98D/XD）概述 所謂雙線偏振雷達，就是雷達有水平和垂直兩個偏振通道，可以同時或交替發(fā)射和接收水平和 垂直兩種線偏振波。 WSR98D/XD 型脈沖多普勒雷達是 X波段、雙極化（同時發(fā)射接收） /水平極化、全相參脈沖多普勒雷達，主要用于發(fā)現(xiàn)、跟蹤和監(jiān)測 300 公里范圍內(nèi)的雷雨、冰雹、龍卷風等局地強對流天氣和降水現(xiàn)象，定量測量 150Km 范圍內(nèi)的降水強度，降水云系的垂直分布、移向移速、譜寬等多普勒參數(shù)和雙極化參數(shù)，為天氣預報保障、人工影響天氣和大氣科學研究提供實時氣象信息。 WSR98D/XD 型雷達在監(jiān)測局地性災害性、危險性天氣，實施人工影響天氣作業(yè)、部隊作戰(zhàn)氣象保障和飛行氣象保障中具有 S 波段和 C 波段天氣雷達所無法替代 的獨特作用。 下面簡單介紹 WSR98D/XD 的工作原理、特點及性能指標。 工作原理 WSR98D/XD 型雙極化多普勒天氣雷達是利用降水水滴對電磁波的后向散射特性，發(fā)現(xiàn)、跟蹤降水云系的發(fā)生、演變、測定它的空間分布、強度、移向移速；利用多普勒原理和雙極化探測方法，測定降水水滴的徑向速度、速度譜寬、相態(tài)，識別降水性質(zhì)、降水強度。功能框圖如圖 所示。 第 9 頁，共 25 頁 圖 WSR98D/XD功能框圖 WSR98D/XD天氣雷達的特點 (1)很強的局地性強對流天氣目標發(fā)現(xiàn)能力，對災害性、危險性天氣預警察時間長。 (2)很強的 BIT 技術和自動標定 校正技術，硬件、軟件相結合的全機工作狀態(tài)監(jiān)控、故障隔離定位、自動告警、故障保護、安全連鎖技術，故障隔離定位時間短，雷達可靠性高、維修好，多普勒參數(shù)定量測量精度高。 (3)移植了 CINRAD/SA 多普勒天氣雷達的、已經(jīng)實踐驗證的雷達產(chǎn)品生成 /顯示軟件，輸出產(chǎn)品豐富，精確度高、實用性強。 (4)先進的同時發(fā)射接收雙極化探測功能和水平、垂直極化雙通道平衡設計、雙極化 /單極化轉換功能。 (5)注重電磁兼容性設計 (如，整機、分機、機柜以及各種信號的接地、屏蔽、濾波、隔離等 )，提高雷達電磁兼容能力和可靠性。 雙極化饋源 /天線 方位旋轉關節(jié) 數(shù)字中頻 信號處理器 頻率綜合器 三極化開關 波導開關 發(fā)射機 俯仰旋轉關節(jié) 俯仰旋轉關節(jié) 環(huán)行器 接收機 產(chǎn)品生成 /顯示 接收機 環(huán)行器 高 頻激 勵信 號（頻率綜合器） 高頻起始信號 （信號處理器） 第 10 頁，共 25 頁 (6)體積小，重量輕，易于改裝，適合于實施機動性現(xiàn)場氣象保障、大氣科學試驗和軍事行動氣象保障任務。 (7)性價比高，費用低，對操作人員和后勤支持要求不高。 主要技術指標 （如表 所示） 表 WSR98D/XD雷達的主要技術性能 工作頻率 9420177。 20MHz 測量精度 距離 100m 探測范圍 探測能力 方位角 度 強度最大探測距離 ≥ 300Km 俯仰角 度 最大定量探測距離 ≥ 150Km 高度 200m(距離 100km) 多普勒最大廁距 ≥ 150Km 300m(100200km) 高度探測范圍 020Km 發(fā)射機 脈沖功率 75KW 強度 10dB+75dB 脈沖寬度 /μ s 、 、 速度 177。 30m/s 重復頻率 3001055Hz 速度譜寬 016m/s 動目標改善因子 45dB 接收機 噪聲系數(shù) 中頻 帶寬 動態(tài)范圍 靈敏度 ≤ 60MHz ≥ 90dB 110dBm 5 天氣雷達對降水的測量方法 探測原理 雷達發(fā)射的電磁波照射到天氣目標時，一部分電磁波能量被天氣目標中的水滴、冰晶等吸收，另一部分被散射，被散射的電磁波中一部分按入射波方向被雷達接收，這一部分散射稱為反射。為表征天氣目標的反射能力，通常用目標發(fā)射面積σ表示，定義為一個理想的、各向同性的反射面積，它反射到雷達的功率密度與實際目標一致。 對于球型水 滴，當水滴直徑 D 遠小于雷達工作波長λ時（即 π Ｄ /λ 1） ,則單個水滴的雷達截面積為： σ i=(π 5/λ 4) |(m21)/(m2+2)|2 Di6=(π 5/λ 4)|K|2 Di6 （ 1） 式中 m為水的復折射指數(shù)。 雷達探測的降水目標為水滴群，其有效雷達截面積為與波瓣寬度和脈沖寬度所組成的體積中所有水滴的σ i的和 σ =(π 5/λ 4) |K|2∑ Di6 （ 2） 通常用“雷達反射因子” Z表示 ∑ Di6， 它與降水水滴尺寸譜的分布有關， 即 ： σ =(π 5/λ 4) |K|2Z （ 3） 式中 |K|2和物理性質(zhì)、雷 達波長、環(huán)境溫度等有關。對水和冰晶， |K|2與波長和溫度的關系很?。? 對水晶， |K|2 =； 對冰晶 ， |K|2= （ 4） 反射因子 Z與降水強度的關系為： Z=AIB 其中 A、 B 為經(jīng)驗 常數(shù)，其取值與降水類型有關， A的取值范圍為 100400； 第 11 頁，共 25