第一章 气象雷达概述

Christian Hulsmeyer 第一部船用防撞雷达
1.1 雷达发展史
一战中的轰炸机 1935年 • 《采用无线电方法探测飞机》 • 当年研制成功探测距离达到80 英里的米波防空雷达。 雷达之父 沃森.瓦特 （英国 1892.4—1973.12）
1.1雷达发展史
• 随后，英、德、法、美都有了自己 初始的第一部雷达。 • 二战使得雷达大放异彩，并促使其 成为一门引领高精尖技术发展的专 业领域。
英国的海防雷达（CD）
1.1 雷达发展史
• 二战后，世界各国都加大了雷达研究的投入 与力度。
• 军用->民用 • 雷达在气象中的应用 从天气雷达开始
1.1 雷达发展史
2、发展阶段
二战后，雷达技术获得了巨 大的发展。主要原因归于两个 非常重要的器件的发明：T/R（ 收/发）开关和磁控管。 收发开关使雷达的探测成功 地从双（多）基变成单基雷达 。也就是从收发分别用一个天 线，到共用一个天线。大大简 化了雷达系统。 磁控管的出现使雷达的探测 功率大大提高，从而大大提高 了雷达的探测能力。
2) 搜索和警戒雷达 其任务是发现飞机, 一般作用距离在400 km以上, 有的可达600 km。对于测定坐标的精确度、分辨力要 求不高。 对于担当保卫重点城市或建筑物任务的中程警戒雷达 要求有方位360°的搜索空城。 3) 引导指挥雷达(监视雷达) 这种雷达用于对歼击机的引导 和指挥作战, 民用的机场调度雷达亦属这一类。其特殊要求是: (1)对多批次目标能同时检测; (2)测定目标的三个坐标, 要求测量 目标的精确度和分辨力较高, 特别是目标间的相对位置数据的精 度要求较高。
雷达的分类（2）
警戒雷达 回避雷达 反潜战雷达 测距雷达 海面雷达 远程雷达/近程雷达 侧视雷达 多普勒雷达 合成孔径雷达 地面透视雷达 激光雷达 脉冲多普勒雷达 地基雷达 空基雷达 表面波雷达 气象雷达 高频雷达 Warning radar Avoidance radar Anti-Submarine Warfare Radar Ranging radar Sea Surface radar Short rang radar/long rang radar Side looking radar Doppler radar Synthetic aperture radar ground penetrating radar laser radar pulse Doppler radar ground-based radar airborne radar surface wave radar Meteorological radar HF radar
特高频 (分米波) 雷达频率
超高频 (厘米波)
极高频 (毫米波)
亚毫 米波 红外线
音频 视频 微波段
频率 3 kHz 30 kHz 300 kHz 3 MHz 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz 3000 GHz
雷达频率和电磁波频谱
•
雷达频段和对应的频率
国际电信联盟(ITU)为无线电定位(雷达)指定了特定的频段。 最初的代码(如P，L，S，X和K)是在二战期间为保密而引入 的。尽管后来不再需要保密，但这些代码仍沿用至今。
1.4 雷达的用途及分类
预警雷达（发现洲际导弹，尽早地发出预警警报）
军 用
搜索和警戒雷达（发现飞机） 引导指挥雷达（歼击机的引导和指挥作战） 火控雷达 （控制火炮或导弹对空中目标进行瞄准） 战场监视雷达（坦克或军车） 机载雷达、无线电测高仪、雷达引信。
气象雷达
民 用
航空管制雷达（一、二次雷达） 宇宙航行雷达 遥感设备
1.5 雷达的发展与应用
1.5.1 应用情况 军用雷达按战术来分可有下列主 要类型: 1) 预警雷达(超远程雷达) 它的主 要任务是发现洲际导弹, 以便及早发 出警报。它的特点是作用距离远达数 千公里, 至于测定坐标的精确度和分 辨力是次要的。目前应用预警雷达不 但能发现导弹, 而且可用以发现洲际 战略轰炸机。
雷达的分类（1）
成像雷达 地面雷达 岸防雷达 港口雷达/海湾雷达 高分辨率雷达 跟踪雷达 监视雷达 交通管制雷达 扩频雷达 航空器雷达 无收发装置雷达 侦察雷达 辨别雷达 目标识别雷达 预警雷达 Imaging radar Ground radar Coastal radar Harbour/bay radar High resolution radar Tracking radar Surveillance radar Traffic control radar Spread spectrum radar aerostat radar Bistatic Radar Reconnaissance radar Discrimination radar Target recognition radar Early Warning radar
此外，在飞机导航, 航道探测(用以保证航行安全), 公路上 车速测量等方面, 雷达也在发挥其积极作用。 为了满足多种用途不同的要求, 已研制了各雷达。 例如, 按 照雷达信号的形式分类, 可以分为以下几类： 1) 脉冲雷达 此类雷达发射的波形是矩形脉冲, 按一定的或 交错的重复周期工作, 这是目前使用最广的。
6) 战场监视雷达 这类雷达用于发现坦克、 军用车辆、 人 和其它在战场上的运动目标。 7) 机载雷达 这类雷达除机载预警雷达外， 主要有下列数种 类型:
(1) 机载截击雷达。当歼击机按照地 面指挥所命令, 接近敌机并进入有利 空域时, 就利用装在机上的截击雷达, 准确地测量敌机的位置, 以便进行攻 击。 它要求测量目标的精确度和分 辨率高。
2) 连续波雷达 此类雷达发射连续的正弦波, 主要用来测量 目标的速度。如需同时测量目标的距离, 则往往需对发射信号进 行调制, 例如，对连续的正弦信号进行周期性的频率调制。 3) 脉冲压缩雷达 此类雷达发射宽的脉冲波, 在接收机中对 收到的回波信号加以压缩处理, 以便得到窄脉冲。目前实现脉冲 压缩主要有两种。 线性调频脉冲压缩处理和相位编码脉冲压缩 处理。 脉冲压缩能解决距离分辨力和作用距离之间的矛盾。20 世纪70年代研制的新型雷达绝大部分采用脉冲压缩的体制。 此外，还有脉冲多卜勒雷达、噪声雷达、频率捷变雷达等。
1.1 雷达发展史
4、雷达的现状.
（1）信号处理技术得到了很大发展。 （2）移动目标检测（MTD）和脉冲多普勒（PD）功能应用 （3）自动检测和跟踪系统得到完善。 （4）采用复杂的大时宽带宽脉压信号 （5）高可靠性的固态功率源，可以组成普通固态发射机或分布 于相控阵雷达的阵元上组成有源阵。 （6）用平面阵列天线代替抛物面天线，阵列天线的基本优点是 可以快速和灵活地实现波束扫描和波束形状变化，因而有 很好的应用前景，例如： ①获得超低副瓣，用于机载雷达或抗干扰。 ②组成自适应旁瓣相消系统以抗干扰。 ③相控阵雷达。
4) 火控雷达 其任务是控制火炮(或地空导弹)对空中目标进 行瞄准攻击, 因此要求它能够连续而准确地测定目标的坐标, 并 迅速地将射击数据传递给火炮(或地空导弹)。这类雷达的作用 距离较小, 一般只有几十公里, 但测量的精度要求很高。 5) 制导雷达 它和火控雷达同属精密跟踪雷达, 不同的是制 导雷达对付的是飞机和导弹, 在测定它们的运动轨迹的同时, 再 控制导弹去攻击目标。制导雷达要求能同时跟踪多个目标, 并 对分辨力要求较高。这类雷达天线的扫描方式往往有其特点, 并随制导体制而异。
对于机载雷达共同的要求是体积小、重量轻、工作可靠性 高。 8) 无线电测高仪 它装置在飞机上。这是一种连续波调频 雷达, 用来测量飞机离开地面或海面的高度。 9) 雷达引信 这是装置在炮弹或导弹头上的一种小型雷达, 用来测量弹头附近有无目标, 当距离缩小到弹片足以击伤目标 的瞬间, 使炮弹(或导弹头)爆炸, 提 高了击中目标的命中率。
天线 2 TR1和TR2 假负载 3 接收机 保护器
发射机 1 3dB裂缝桥
4
1.1 雷达发展史
3、成熟阶段.
20世纪60年代以来，航空、航天技术、飞机、导弹、人造卫星、宇宙 飞船、反洲际弹道导弹系统等对雷达提出了高精度、远距离、高分辨力及多 目标测量等要求。 技术上：如脉冲压缩技术、单脉冲雷达、相控阵雷达、目标识别、目标成像 、SAR、脉冲多普勒雷达体制的研制成功使雷达能测量目标的位置和相对运 动速度，并具有良好的抑制地物干扰等的能力； 结构工艺上：微波高功率放大管、如速调管。微波接收机高频系统中许多低 噪声器件，如低噪声行波管工量子放大器、参量放大器、隧道二极管放大器 等的应用，使雷达接收机灵敏度大为提高，增大了雷达作用距离；同时，由 于雷达中数字电路、计算机使用使雷达结构组成和设计发生根本性的变化。 微组装工艺、系列化、标准化和模块化设计，使雷达结构更合理，性能更灵 活。 雷达的工作波长，从短波扩展至毫米波、红外线和紫外线领域。在这个时 期，微波全息雷达、毫米波雷达、激光雷达和超视距雷达相继出现。
(2) 机载护尾雷达。 它用来发现和指示机尾后面一定距离内 有无敌机。这种雷达结构比较简单, 不要求测定目标的准确位置, 作用距离也不远。 (3) 机载导航雷达。它装在飞机或舰船上，用以显示地面或 港湾图像, 以便在黑夜和大雨、 浓雾情况下, 飞机和舰船能正确 航行。 这种雷达要求分辨力较高。
(4) 机载火控雷达。20世纪70年代后的战斗机上火控系统的 雷达往往是多功能的。它能空对空搜索和截获目标，空对空制 导导弹，空对空精密测距和控制机炮射击，空对地观察地形和 引导轰炸，进行敌我识别和导航信标的识别, 有的还兼有地形跟 随和回避的作用, 一部雷达往往具有七八部雷达的功能。
气象雷达原理与系统
电子工程学院 大气探测学院 中国气象局大气探测重点开发实验室 何建新
•第一章 气象雷达概述
1.1 雷达发展史
• 建立电磁波的理论
麦 克 斯 韦
• 并由赫兹实验证明电磁波的存在
1.1 雷达发展史
• 起步阶段
1903～1904年，克里斯琴·赫尔斯迈耶 （Christian Hulsmeyer）研制出原始 的船用防撞雷达并获得专利权。
1.2 雷达工作基本原理
•雷达:无线电探测和测距，即用无线电 方法发现目标并测定它们在空间的位置。
1.3 雷达工作的基本频率
波长 100 km
•
10 km
1 km
100 m
10 m
1 m
10 cm
1 cm
1 mm
0.1 mm
甚低频 (超长波)
低频 (长波)
中频 (中波) 广播段
高频 (短波)
甚高频 (超短波)
3) 宇宙航行中用雷达 这种雷达用来控制飞船的交会和对接, 以及在月球上的着陆。某些地面上的雷达用来探测和跟踪人造 卫星。 4) 遥感设备 安放在卫星或飞机上的某种雷达, 可以作为微 波遥感设备。 它主要感受地球物理方面的信息, 由于具有二维 高分辨力而可对地形、 地貌成像。 雷达遥感也参与地球资源的 勘探, 其中包括对海的情况、 水资源、冰覆盖层、 农业森林、 地质结构及环境污染等进行测量和地图描绘。 也曾利用此类雷 达来探测月亮和行星(雷达天文学)。
也可以按其它标准对雷达进行分类, 例如:#; (1) 按角跟踪方式分, 有单脉冲雷达、 圆锥扫描雷达、 隐蔽 锥扫雷达等。 (2) 按测量目标的参量分, 有测高雷达、 两坐标雷达、 三 坐标雷达、测速雷达、目标识别雷达等。 (3) 按信号处理方式分, 有各种分集雷达(频率分集, 极化分 集等等)、相参或非相参积累雷达、 动目标显示雷达、合成孔 径雷达等。 (4) 按天线扫描方法分, 有机械扫描雷达、 相控阵雷达、 频扫雷达等。
在民用雷达方面, 举出以下一些类型和应用#; 1) 气象雷达 这是观察天气现象的雷达, 用来测量暴风雨和 云层的位置及其移动路线。 2) 航行管制(空中交通)雷达 在现代航空飞行运输体系中, 对 于机场周围及航路上的飞机, 都要实施严格的管制。 航行管制 雷达兼有警戒雷达和引导雷达的作用, 故有时也称为机场监视雷 百度文库, 它和二次雷达配合起来应用。 二次雷达的地面设备发射询 问信号, 机上接到信号后, 用编码的形式, 发出一个回答信号, 地 面收到后在航行管制雷达显示器上显示。这一雷达系统可以鉴 定空中目标的高度、速度和属性, 用以识别目标。