三.1+多普勒雷达的资料和显示
民用航空气象地面观测规范第14章 多普勒天气雷达知识
第十四章多普勒天气雷达知识第一节引言RADAR（Radio Detection and Ranging）是一个利用电磁波进行探测、定位的仪器。
最早用于军事目的，后来在气象部门也逐渐得到使用。
它具有准确、客观和实时的特点。
近年来，多普勒雷达的技术也逐渐成熟，它除了保持常规天气雷达的特点外，还通过计算频率（相位）的变化，提取风场的一些特征，因而更具有使用价值。
我国新一代天气雷达建设是我国20世纪末、21世纪初的一项跨世纪气象现代化工程。
我国新一代天气雷达组网的目标和原则是：在我国东部沿海和多强降水地区和四川盆地的大部分地区，布设S波段（波长10cm）新一代天气雷达；在我国强对流天气发生和活动比较频繁、经济比较发达的中部地区，布设C波段（波长5cm）新一代天气雷达；其它地区，即我国第一地形阶梯地域的青、新、藏等流域暂不布设全国组网的站点；但省（区）会所在地和重要地区根据气象服务工作的需要和可能，按统一业务布点要求设置新一代C波段天气雷达，作为局地监测和服务使用。
计划在全国部署158部新一代天气雷达。
图14-1为其中的126部的站点示意图。
截止到2005年5月份为止，已布设80余部新一代天气雷达。
图14－1我国新一代天气雷达网站新一代天气雷达将全部选用Ｓ和Ｃ两种波段，选取全相干体制，其主要探测和测量对象，包括降水、热带气旋、雷暴、中尺度气旋、湍流、龙卷、冰雹、融化层等，并具备一定的晴空回波的探测能力。
第二节多普勒天气雷达的基本工作原理粒子对电磁波作用的两种基本形式是散射和吸收。
气象目标对雷达电磁波的散射作用是雷达探测大气的基础。
当天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波）时，它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播，在传播的路径上，若遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。
粒子产生散射的原因是：粒子在入射电磁波的作用下被极化，感应出复杂的电荷分布和电流分布，它们也要以同样的频率发生变化，这种高频率变化的电荷分布和电流分布向外辐射的电磁波，就是散射波。
多普勒雷达原理
多普勒雷达原理多普勒雷达是一种利用多普勒效应进行目标探测与测速的雷达系统。
它基于多普勒效应的原理，通过测量目标相对于雷达的速度变化，实现对目标的探测和跟踪。
本文将介绍多普勒雷达的原理以及其在实际应用中的作用。
一、多普勒效应的基本原理多普勒效应是由奥地利物理学家克里斯托夫·多普勒于1842年发现的。
它描述的是当发射器和接收器相对于运动的目标靠近或远离时，频率会发生变化的现象。
在雷达系统中，这种频率变化可以用来确定目标运动的速度。
当雷达向目标发送电磁波时，如果目标与雷达靠近，接收器收到的回波会发生频率上升的变化。
反之，如果目标与雷达远离，则回波的频率会下降。
这种频率变化被称为多普勒频移，它与目标的速度成正比。
二、多普勒雷达的工作原理多普勒雷达的基本工作原理是利用多普勒效应测量目标的速度。
它通过发射器发送高频的电磁波，并接收目标回波的信号。
接收到的信号经过信号处理后，可以得到目标相对于雷达的速度信息。
具体而言，多普勒雷达系统包括一个发射器和一个接收器。
发射器发射高频的连续波或脉冲波，这些波在空间中以一定的速度传播。
当波与运动的目标相遇时，发生回波。
接收器接收到回波信号后，通过频率分析等方法，提取出其中的多普勒频移。
多普勒频移的大小与目标相对于雷达的速度成正比。
根据多普勒频移的大小可以确定目标的运动状态，包括向雷达靠近或远离以及速度大小等信息。
这些信息对于目标的跟踪、识别和定位非常重要。
三、多普勒雷达在实际应用中的作用多普勒雷达在许多领域都有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用场景：1. 气象雷达：多普勒雷达被广泛用于天气预报中的降水预测和风暴跟踪。
通过测量降水物体的速度和方向，可以预测降水的类型和强度，并及时发出预警，保护人们的生命和财产安全。
2. 空中交通管制：多普勒雷达可以用于监测飞机的速度、航向和高度，为航空机构提供实时的飞行信息。
这些信息对于空中交通管制的安全和效率非常重要。
3. 汽车雷达：多普勒雷达广泛应用于汽车领域的自动驾驶和智能安全系统中。
多普勒雷达技术及其应用
多普勒雷达技术及其应用一、引言多普勒雷达技术是一种利用声波的回波来测量目标的速度的识别技术。
它已经被广泛应用于气象、交通、国防、环保、地震、钻探等领域。
本文将对多普勒雷达技术的原理、构成、应用进行系统介绍。
二、多普勒效应原理多普勒效应指的是一种物理现象，当发射器和接收器在相对运动时，回波的频率会因为目标的运动速度而发生变化。
这种现象被称为多普勒效应。
其实现原理在于目标的速度会改变回波的相位和频率，从而使回波波长发生变化。
三、多普勒雷达技术构成多普勒雷达技术主要包括发射机、天线、接收机、信号处理系统、控制系统等。
其中发射机和接收机都是由内部谐振器驱动，通过放大器进行功率放大，天线则负责将电磁波通过空气向目标传输和接收返回波信号。
信号处理系统则负责处理这些波信号的反射和散射。
控制系统则负责控制整个系统的运行，以及收集信息和进行处理和分析。
四、多普勒雷达技术应用利用多普勒雷达技术，可以对雷暴云的运动状态、内部结构、强度、水汽含量等进行预报和研究，对于气象行业来说，这种技术的应用十分重要。
多普勒雷达技术在气象预警、天气预报、暴雨监测等方面得到了广泛应用。
（二）航空领域在无人机、小型飞机、飞行器等航空器的航行和控制中，多普勒雷达技术可以提供精确的速度、风速、空气密度、高度等信息，以帮助飞行人员进行精细化的控制和管理。
多普勒雷达还可以被用来检测航空器的状况和维修需求。
（三）交通领域在交通领域，多普勒雷达可以帮助交通管理部门监测车辆的速度和密度，进行交通拥堵的预测和管理。
多普勒雷达系统还可以被集成到交通信号灯中，以帮助行人和汽车在道路上的方向和速度。
（四）国防领域在国防领域，多普勒雷达技术可以被用来进行侦察、监测、探测和指引导弹、炮弹、卫星等的轨道和目标。
多普勒雷达技术在常规和太空战争中都扮演着重要角色。
多普勒雷达技术还可以用来监测地震活动和地质灾害发生的位置和时间情况，以便对相关地区进行预防和应急处理。
该技术可以通过检测地下的地表运动，测得地震波的传播速度和传播方向，从而准确判断地震活动的强度和方向。
多普勒
多普勒导航系统的原理及其在航空领域的应用院(系)、部：学生姓名：指导教师：专业：班级：摘要所谓多普勒效应就是，当声音，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。
最常见的实例就是火车通过时的汽笛声：当火车接近时笛声音调升高；而当火车远离时音调降低。
音调的变化就是因为声源的运动使每秒钟撞击在耳膜上的声波数目改变了。
因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。
脉冲多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等工作的雷达。
利用多普勒效应实现无线电导航的机载系统，它由脉冲多普勒雷达、航向姿态系统、导航计算机和控制显示器等组成。
多普勒雷达测得的飞机速度信号与航向姿态系统测得的飞机航向、俯仰、滚转信号一并送入导航计算机，计算出飞机的地速矢量并对地速进行连续积分等运算，得出飞机当时的位置。
利用这个位置信号进行航线等计算，实现对飞机的引导。
关键词：多普勒效应、机载脉冲多普勒雷达、多普勒导航系统、地速、偏流角目录第一章引言 (4)第二章多普勒导航系统工作的理论基础………………（5～9）2.1辐射源朝接收点作径向运动时的多普勒效应2.2辐射源朝偏离接收点方向运动时的多普勒效应2.3辐射源与接收点皆处于A点，而B点为反射点第三章多普勒导航系统的应用…………………………（9～14） 3.1 多普勒在机载雷达上的应用3.2 多普勒在其他领域的应用3.3 多普勒导航系统的发展趋势及面临的问题结束语 (15)参考文献 (16)附件 (17)第一章引言无线电导航是研究用无线电方法确定舰船，飞机，导弹，卫星，宇宙飞行器等目标的方向、速度、距离和位置，并引导他们沿预定航线运动到目的地的一门科学。
目前已在国民经济中广泛应用，在军事上也具有重要价值。
近半个世纪来，特别是第二次世界大战后，超音速飞机、核动力潜艇、远洋运输船队及各种航天器的出现，对导航提出了更高的要求。
多普勒天气雷达
工作原理
多普勒雷达是世界上最先进的天气监测设备，并且已经在很多国家得到深入应用，因此，下面我们就多普勒 雷达的工作原理进行深入分析和研究，以便能够使人们对其工作原理有着更为清楚的认识。
1.1通过气象目标对雷达电磁波的散射和吸收
粒子能够对电磁波进行吸收和散射，这也是粒子对电磁波的两大基本形式。雷达探测大气的基础是由气象目 标对雷达电磁波的吸收和散射所得。如果电磁波的波束在大气传播途中遇到包括云滴、雨滴以及其他悬浮粒子和 空气分子，作为入射的电磁波波束中的有一部分会因为上述的粒子反射到不同地方，这类现象称之为散射。一部 分散射的电磁波波束会被粒子吸收，最终按照雷达的方向返回被雷达天线接收，多普勒天气雷达能够通过接收到 的电磁波束中自带的振幅和位相等数据，得出气象目标的平均速度以及发射率因子和速度谱宽等基本数据，进而 推断并计算出相对应的气象情况和其他内部结构特征。
重要意义
多普勒雷达是世界上最先进的雷达系统，有“超级千里眼”之称。相较于传统天气雷达，多普勒雷达能够监 测到位于垂直地面8-12公里的高空中的对流云层的生成和变化，判断云的移动速度，其产品信息达72种，天气预 报的精确度比以前将会有较大提高。1991至1997年，美国在全国及海外布的165台NEXRDA被称为天气雷达系统的 典范，是世界上最先进的和最精确的天气雷达系统。它所采用的多普勒信号处理技术和自动产生灾害性天气警报 的能力无与伦比。NEXRAD可以自动形成和显示丰富多彩的天气产品，极大地提高了对超级单体、湖泊效应雪、成 层雪、雷暴、降水、风切变、下击暴流、龙卷、锋面、湍流、冰雹等重大灾害性天气的监测和预报能力。对强雷 暴的侦察率是96%，对龙卷的发现率是83%，对龙卷警告的平均预警时间是18分钟，而在未建NEXRDA络之前，美国 国家上述参数的平均值分别是60%，40%和2分钟。从中可以预料CINRDA将从根本上增强探测强雷暴的能力，能较 早地探测到晴空下威胁航行的大气湍流和发生灾害性洪水的可能，并为水资源的管理决策提供极有价值的信息。 新一代天气雷达系统建设是我国20世纪末21世纪初的一项气象现代化工程，计划在全国建成S频段和C频段雷达 156部，该系统建成后，我国的气象现代化水平会上一个新的台阶。
多普勒天气雷达产品的识别与分析(天气雷达基础知识)
3.2 强对流天气发生的背景环境
• 大气垂直稳定度 • 水汽条件 • 抬升 • 垂直风切变
3.3 垂直风廓线及其对对流风暴的作用
• 普通单体风暴的风向随高度的分布杂乱无章，基本上是一 种无序分布，而且风速随高度的变化也较小；
• 多单体强风暴和超级单体风暴的风向风速随高度变化分布 是有序的，风向随高度朝一致方向偏转，而且风速随高度 的变化值也比普通单体风暴的大。
• 影响速度谱宽的主要因子有四个： 1. 垂直方向上的风切变； 2. 大气的湍流运动； 3. 不同直径的降水粒子产生的下落末速度的不均匀分布； 4. 由波束宽度引起的横向风效应。
1.8 标准大气雷达测高公式 • H=h0+R*sinθ+R2/17000，单位：千米
1.9 PPI图上距离与高度
1.10 天气雷达的局限性
衰减的暂时的解决办法
• 结合S波段雷达使用 波长:10cm, 强天气的衰减不明显
衰减的暂时的解决办法
课间休 息
3、多普勒天气雷达识别对流风暴及其强烈天气
单元重难点： • 1、风暴的运动 • 2、对流风暴的模型 • 3、个例分析
3.1 对流风暴的分类
普通单体风暴 多单体风暴 超级单体风暴 线风暴（飑线）
• 多普勒频移与目标物在雷达径向方向上的速度分量v有关，满足如下 关系： fd= 2v∕λ (式中λ是雷达波长，fd是多普勒频移)
• 多谱勒速度是径向速度，垂直于雷达波束的速度分量（切向速度）不 能直接测量。
1.7 多谱勒速度谱宽W
• 多谱勒速度谱宽 表征着雷达有效照射体积内不同大小的多谱勒速度偏离其平均值的 程度，实际上它是由散射粒子具有不同的径向速度所引起的。
1.1 天气雷达基本结构
多普勒雷达
多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等工作的雷达。
所谓多普勒效应就是，当声音，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。
因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应.脉冲多普勒雷达是利用多普勒效应制成的雷达。
它的工作原理可表述如下：当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率。
根据多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。
同时用频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。
所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。
脉冲多普勒雷达
Rm a xVm a x
c
8
λ是雷达波长，c为光速。λ越大，不模糊距离和速度的乘积就越大， 但要增加雷达的体积和成本，还有其他限制，因而是不现实的。
(2)解距离模糊
(a)重频参差解距离模糊
雷 频达率以下重读复出频的率模f糊r1、距f离交不替同工，作可，以如据果此发计生算了出距实离际模距糊离，。在解两距个离重复模 糊有两个限制：
(4)无杂波区
适当选择雷达脉冲重复频率使地面杂波不连续不重叠，形成无杂波 区．在无杂波区域，只有接收机噪声，没有地面杂波，有利于发 现该区域的运动目标．
2.脉冲重复频率的选择
根据技术要求和用途(如要求雷达在无杂波区检测目标还是满足无模糊测速)， 也可以根据战术要求选择高，中，低脉冲重复频率段．
结果：
回波
目标 扫描轨迹
回波
扫描角度
图3.8 圆锥扫描示意
扫描角度
βx 波程差l
y
x 图3.9 单脉冲跟踪示意
目标方位βx与波程差l和信号相位差θ的关系：
l x sin x
(3-9)
l 360(度)
( 3-10)
x
arcsin
360 x
( 3-11)
同样可以求得y方向的方位角βy。 在PD雷达中实现单脉冲体制是非常困难的：性能优良的杂波滤波器
f
(c)用fsa1时钟复采样的数字信号延拓频谱
图3.12采样信号频谱延拓与频谱模糊的产生
同样由于目标回波的多普勒频移可能大于若干脉冲重复频率，使测
量到的多普勒频率与实际多普勒频率不一定相等，同一频率读数对
应的目标真实速度有多种可能值的现象叫做测速模糊。未经解模糊 肯定的读数速度叫做模糊速度。
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大气科学学院 白爱娟
雷达产品类型
1、基数据 反射率因子R，径向速度V，谱宽W； 2、物理量产品：回波顶高，雨强显示，垂直累 积含水量，径向散度，方位涡度等；
3、反演识别产品：阵风锋，下击暴流，中气旋， 暴雨，龙卷涡旋等。
一 、雷达产品显示方式
新一代雷达采用体积扫描VOL的方式进行探 测。体积扫描是雷达按不同的仰角全方位扫描 方式。获取的数据可以用PPI、RHI、VCS和 RCS等方式显示。 基本显示方式 PPI： 平面位置显示-Plan Position Indicator RHI：距离高度显示-Radar Height Indicator VCS和RCS：任意垂直剖面-MICAPS系统交互操作
Velocity Cross Section， Reflectivity Cross Section
1、雷达产品PPI-Plan Position Indicator
可显示产品有 基数据和各种产品 • VIL • OHP（THP、STP） • HI 、SRM、TVS、 M、CS等
1、平面位置显示－PPI
2、距离高度显示RHI
RHI显示的特殊回波
RHI显示的应用
RHI显示：以雷达站为参考点，方位角是用 户自选的，可显示该方位上对流性天气的垂直 结构。 RHI的应用：强对流天气系统中经常出现的穹 隆结构、三体散射、回波墙、云砧，旁瓣回波 等。
RHI显示柱状回波
RHI显示特殊回波：穹隆、回波墙、云砧、三体散 射，旁瓣回波等，显示降水系统的垂直结构。
PPI显示的广泛应用
已经总结的很多有关雷达强度回波产品的分 布形状，比如典型的回波：钩状、指状、带状 回波、V字型缺口、絮状回波等与一定类型的 强对流天气有关。一般可通过分析这些特殊的 PPI产品来分析相应的天气。
钩状回波PPI
飑线的弓形-带状回波
晴空窄带回波
旁瓣回波、三体散射
台风的螺旋结构
云高、云砧
显示回波结构的高悬状 态，穹隆结构等。
RHI显示的应用
2）注意：为了便于分析回波的垂直结构，RHI 显示的高度坐标是放大了的。这样对于没有方向 性的标量产品强度和谱宽没有影响，但对于带有 方向性的矢量产品会产生较大的影响，如不注意 会造成分析判断的重大失误。（径向速度并不直 接表示上升或下降速度）
CR垂直最大回波显示
CR，常称组合反射率： 1．显示出整个可探测空间的最大反射率因子分布 2．与基本反射率因子相比，有助于探测风暴结构特征 和强度等。
CR显示的优点
• 该方式有助于快速查看最大回波强度的分布。 对有些突发性的强对流天气，其初始回波往往出 现在中空，用户使用该产品可以有效监测这一类 的强对流天气。
• 在冰雹发生的区域，对流层中层可能存在高 反射率因子区，所以CR产品可以作为监测冰雹发 生发展的工具之一。
CR显示的局限性
使用CR产品应注意到近距离处的地物回波干 扰，以免把地物回波误认为最大回波强度。在远 距离处，由于最低仰角获取的数据离地面有一定 的高度，所以有可能探测不到真正的最大回波。 另外新一代多普勒雷达的工作限制，一般体积扫 描的最高仰角不会很大，所以在雷达周围不一定 能探测到最大回波强度。
垂直剖面，交互操作！
速度的VCS显示
强度RCS显示
VCS和RCS显示的应用
优点：与RHI显示不同，不受固定方位角限制， 可沿降水系统的走向分析任意方向垂直结构，尤 其可以沿对流性天气的中心做剖面，显示强对流 天气的结构和垂直发展状况。RHI只能沿半径方 向做剖面。
4、垂直最大回波显示CR
CR：应用体积扫描获取的回波强度数据， 在以1km×1km（或2km×2km）为底面积，直 到回波顶的垂直柱体中，对所有位于该柱体中 的回波强度资料进行比较，挑选出最大的回波 强度。再用测高公式计算最大回波强度的所有 高度，从而得到最大回波强度及其所在高度的 图像。
中气旋和急流图
a b
速度图像PPI
2、距离高度RHI
Radar Height Indicator RHI：指雷达天线通过固定方位角作俯仰扫 描的探测方式获得数据，在以雷达为坐标原点的 极坐标中用不同色标来表示数据的大小和方向。 新一代雷达的仰角和旋转速度是固定的，RPG 可根据体扫数据加工成RHI产品。 显示种类：强度、径向速度、速度谱宽等。
RHI显示的雷暴穹隆
超级单体的穹隆结构
B
C
A：穹隆
A
B：旁瓣回波
C：三体散射
RHI显示的倾斜回波墙
3 、任意垂直剖面显示
VCS和RCS：可用来分析降水云体的垂直结构， 根据体扫的三维数据来获取。 Micaps系统根据用户在PPI图像上确定的两点， 以两点连线作为垂直剖面的基线，显示出垂直剖 面与其它仰角PPI图像相交的数据。 由于体积扫描时，相邻仰角之间的间隔不可能 取得很小，所以在不同仰角之间的区域，仍采用 双线性插值及距离加权平均插值的方法予以弥补
PPI显示的优点
优点：①探测方式简单，没有过多的处理过程。实时 显示，应用广泛，积累了丰富的应用方法和经验。典型的 回波：钩状、指状、带状回波、V字型缺口、絮状回波， 旁瓣回波、三体散射等。
② 估计大尺度流场的锋面、高低空急流、冷暖平流、 辐合辐散，并分析风速随高度的分布。依据：测高公式、 风向的顺转和逆转。 ③ 中小尺度系统的中气旋、中尺度辐合辐散等。中尺 度相对较小，流场高度差也小，PPI显示其全貌。
PPI显示方式
PPI显示的距离与高度
L=Rcos H h R sin R 2 /17000
高度H：与探测仰角有关，通常的高度是由标准 大气折射下的测高公式来确定的。
强度PPI显示和头文件
强度产品PPI显示
强度和速度产品PPI显示
飑线天气的PPI显示
速度产品PPI显示
谱宽产品的PPI显示
雷达探测范围与CR
课后习题
1、什么是雷达的体积扫描？ 2、什么是雷达产品的PPI和RHI显示？各有哪 些优点？ 3 、什么是雷达的CR产品，CR产品显示资料 有那些优点？
PPI：雷达以固定仰角，天线以全方位扫描的 方式获取数据，通过以雷达站为中心的极坐标形 式，采用不同色标来表示数据的大小和方向。 PPI显示：强度R、径向速度V、速度谱宽W， 其它各种物理量产品。 可配上当地的地形、河流、行政区划等地理信 息，使用方便。 PPI显示头文件：探测时间、仰角、色标，雷 达站的位置，以及观测极值。