新一代天气雷达原理上

6 3 m m /m
dBZ 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70
新一代天气雷达原理上
费海燕
中国气象局气象干部培训学院
致谢：俞小鼎、周小刚、王秀明、袁薇、张深寿、高玉春等提供部 分课件素材
问题

为什么要学雷达？ 了解雷达原理有什么用？
雷达（Radar）

Radio Detection And Ranging
◦ 无线电探测和测距
雷达的优势
资料密集 高分辨率 立体扫描 风场信息 产品丰富

CINRAD/SA的天线增益G≥44dB （约2.5 万倍）
3.1.6接收机灵敏度

接收机能分辨的最小可辨功率，Pmin表 示。
◦ 就是回波信号刚刚能比噪声信号中分辨出 来时的回波功率。

CINRAD/SA的Pmin
◦ 短脉冲(1.57μs)为-107dBm ◦ 长脉冲（4.71μs）为-113dBm
主要内容


气象目标对雷达电磁波的散射
电磁波在大气中的衰减和折射


雷达气象方程
距离折叠


回波信号中信息的提取
雷达取样技术
第一章 气象目标对雷达电磁波的散射
1.1雷达电磁波
散射
电磁波或无线电波就是以光速在空间传播的电场和磁场， 他们与沿途物质相互作用，这些作用引起散射、衍射和折射； 电磁波由天线系统聚焦成波束，在时间和空间上成正弦变 化，相邻的峰值之间的距离或时间确定了波长和波的周期。
◦ 接收机灵敏度
3.1.1波长λ
决定雷达性能的雷达参数，探测时不可变。Leabharlann 3.1.2脉冲重复频率PRF

雷达每秒产生的触发脉冲的数目，PRF表示。我国新一代 天气雷达的PRF在300~1300Hz之间。 脉冲重复周期PRT 为PRF的倒数：
τ、h
PRT
3.1.3脉冲宽度τ
◦ 探测脉冲的持续振荡时间。脉冲长度 h=cτ。
距离圈间隔为15km，引自刘黎平等 （2014）
雷达布网的一般原则

根据天气现象
◦ 沿海地区，暴雨台风多，S波段为主 ◦ 内陆地区：一般性降水，C波段为主

电磁特性
◦ 暴雨，S波段穿透能力强，衰减小 ◦ 一般性降水，S波段散射弱，C波段散射强
39
2.2折射的基本概念
◦ 电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中 由于折射指数分布的不均匀性，就会产生折射 ，使电磁波的传播路径发生弯曲。电磁波的折 射对天气雷达的探测有重要的影响。
目标物收到的能量
1.4.1后向散射截面定义

定义：
◦ 设有一个理想的散射体，其截面面积为σ，它能全 部接收射到其上的全部能量，并且均匀地向四周散 射，若该理想散射体返回雷达天线的电磁波能流密 度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的 电磁波能流密度，则该理想散射体的截面面积σ就 称为实际散射体的后向散射截面。
Rm dn 1 Rm dh
R
' m

等效地球半径
R
R
R
H
R
2.2.5标准大气折射回波高度查算
第三章 雷达气象方程
3.1重要的雷达参数

与发射机有关的参数
◦ ◦ ◦ ◦ 波长λ 脉冲重复频率PRF 脉冲宽度τ 脉冲功率Pt

与天线有关的参数
◦ 天线的方向图及波束宽度 ◦ 天线增益G

与接收机有关参数

冰水均匀混合球（雪花融化） 比水包 冰球增加慢，复杂
2007年3月3-4日北京雨转雪
第二章电磁波在大气中的衰减和折射
2.1衰减的基本概念

衰减的物理原因
◦ 散射
电磁波投射到气体分子或云雨粒子上时，一部分能 量被散射
◦ 吸收
一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量
2. 1. 1云、雨、冰雹的衰减
若脉冲宽度以μs为单位，这上式可以写为
h=300T（m） SA 两种脉冲宽度：短脉冲 1.57 和 长脉冲4.71μs（晴 空，一般不用）
3.1.4天线方向图及波束宽度

天线的水平和垂直面上的辐射能流密度的相对分布曲线图
，叫天线方向图
◦ 影响雷达旁瓣假回波

两个半功率点的夹角，叫波束宽度
◦ 决定雷达径向探测精度

n1和n2为介质的折射指数， 角， 为折射角。
为入射
由于地球上空气的密度随高度的 变化，折射指数随密度减小而正 比例地减小。
引自:8080
2.2.1折射指数随高度的变化
2.2.2折射的分类
2.2.3超折射
最容易形成超折射的气象条件：
由于辐射逆温的存在而易于形成辐射超折射；
R P r r Z c
2
85
6 Z=∫N(D)D dD
Z dBZ 10 lg Z0
Z
0
1mm / m
6
3

dBZ ① 0 dBZ不是没有回波 ② 10～15dBZ的差别与 15～20dBZ的差别不同
dBZ -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Pt S s ( ) G 2 2 (4 R )
推导单个雷达气象方程：
3、引入雷达截面
目标物散射回天线的后向散射能流密度
Smax G Sav
PG t 4 R 2
S s ( ) 4 R 2 Smax
Pt S s ( ) G 2 2 (4 R )
推导单个雷达气象方程：
1.2散射的定义
一种现象
散射
散射是指微粒把入射到其上的辐射重新向各方向辐射出去的
。
对天气雷达发射的电磁波起显著散射作用的是云滴、雨滴、
雪花、冰雹等。
1.3圆球形粒子的散射分类
引进无量纲尺度参数
2 r

，对散射进行划分。
式中r 为散射微粒的半径，λ为入射辐射的波长
瑞利散射 米散射
几何光学散射
暖而干的空气移到冷水面时易于形成平流超折射；
雷暴消散期，其底部下沉辐散气流在近地面层附近
几百米高度处形成逆温而易于产生雷暴超折射。
超折射
超折射（圆圈内所示）0.5度仰角在雷达图上呈辐辏状，抬高到1.5度仰角以后， 回波消失，对应速度图上速度为0
2.2.4等效地球半径(Rm’)

设想地球半径加大到某一数值Rm’时， 使得Rm’为半径的球面上沿直线传播的 超短波的最大探测距离和真实地球表回 上沿折射曲线轨道传播的最大深测距离 相同，则Rm’就称为等效地球半径。
粒子群的散射
P r

i 1
N
P i
圆形抛物面

有效照射深度h/2和有效照射体积
r h V 2 2
2
证明方法

1、天线开始收到A粒子的回波信号的 时间为

2、开始收到B粒子的回波信号时间为
证明方法

3、最后收到A粒子回波信号的时间为

4、天线开始收到B粒子的回波的时间恰 好是最后收到A粒子回波的时间
PtG h Pr 2 2 1024(ln 2) r
2 2
单位体积
i
反射率

后向散射截面总和，称为气象目标的反 射率，单位 cm2/m3 不仅和粒子尺寸和数量有关，和雷达波 长也有关。但相同波长的发射率可以比 较。

η
单位体积
i
满足雷利散射时，有：
2 6 i 4 K Di 单位体积 单位体积
5
反射率因子 （mm6/m3）
Z
单位体积
D
6 i
83
反射率因子
PtG 22h Pr 1024(ln 2) 2r 2
单位体积
i
2
2 6 K D i i 4 单位体积 单位体积
5
令：
Pt G h c K 2 1024ln 2
3
2
c Pr 2 Z R
米散射
瑞利散射（6mm 误差<20%）
雷达布网的一般原则

根据天气现象
◦ 沿海地区，暴雨台风多，S波段为主 ◦ 内陆地区：一般性降水，C波段为主

电磁特性
◦ 暴雨，S波段穿透能力强，衰减小 ◦ 一般性降水，S波段散射弱，C波段散射强
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1.4 后向散射截面
1.4.1气象目标物对电磁波的散射
雷达收到的能量
1. D<50mm 水球比冰球的后向散射截面大很多
2. 60mm<D<80mm 大致相当 3. D>90mm 水球小于冰球很多
1.4.4 球形干粒子散射
1.4.5 冰水混合物散射

水包冰球 （零度层亮带）
◦ 小球（瑞利散射）
迅速增加，和同体积水球相当
◦ 大球（米散射）
10cm波长，后向散射截面总是增加 5cm波长，直径大于5cm的球迅速减小
3.2雷达气象方程
雷达发射功率和雷达接收功率之间的关 系 雷达气象方程用来表示回波强度与哪些 因子有关，以及呈现什么样的关系

推导单个雷达气象方程：
1、先考虑理想情况：天线作各向同性的球面发射
Smax G Sav
2、引入天线增益G
PG t 4 R 2
S s ( ) 4 R 2 Smax
(1)若α<<1，即 r<<λ ，则称为瑞利散射，也称为分子散射。
散射能力 ∝ λ-4
例如，云滴的直径通
常<0.1mm，几乎对于