雷达介绍ppt

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《天气雷达产品的识别及应用》 教学内容： 雷达简介 天气雷达探测的基本理论 天气雷达产品简介 天气雷达产品的识别 对流性风暴的回波特征 天气雷达产品在灾害性天气预测监测中的应用 雷达简介 气象雷达简介 气象雷达的应用领域 多普勒雷达的基本构成 多普勒雷达的显示方式 一些重要的雷达参数 一、气象雷达简介 雷达 “Radar”是由词组“Radio Detection and Ranging”缩写而成，即无线电探测和测距的意思。 气象雷达发展简史：1941年在英国最早使用雷达探测风暴。1942～1943年，美国麻省理工学院专门设计了为气象目的使用的雷达。从50年开始一些国家先后建立了天气雷达探测站网，主要用于警戒强对流灾害性天气，同时，把它作为研究大气物理的重要手段。在气象雷达发展初期，一般都靠手工操作，回波资料只能作定性分析。到 60-70年代，随着半导体技术、数字技术以及计算机技术的引入，使它形成了一个系统，主要特征是信息数字化、控制自动化，专门设置了信号处理器和终端处理设备。80年代开始研制全相干脉冲多普勒雷达，美国于90年代正式进行业务布网。 我国气象雷达简介 我国在60年代末开始研制711型 - X波段测雨雷达，70年代生产713型- C波段测雨雷达作为正式布网，80年代研制出具有数字处理系统的714型 - S波段测雨雷达，90年代生产出714-CD， 714SD脉间相干多普勒雷达及C波段3824型全相干多普勒雷达。99年中美合资敏视达雷达有限公司在对美国WSR-88D进行改进的基础上，生产出第一步先进的S波段全相干脉冲多普勒雷达，它已作为我国新一代布网的天气雷达。截止到2004年初，我国已经有126部雷达参加全国联网。各省、地、市都可以从气象专线网上调用由国家气象中心下发的全国雷达拼图。从雷达拼图中，不仅可以看到本省、本地区的降水情况，还可以根据上游省份降水的强弱和移动速度推测到达本地的时间和降水强度。 气象雷达的种类 气象雷达是专门用于大气探测的雷达。气象雷达的种类很多，其中是用来探测未形成降水的云层高度、厚度以及云内物理特性的雷达叫测云雷达；用来探测高空不同大气层的水平风向、风速以及气压、温度、湿度等气象要素的雷达为测风雷达；用来探测大气中降水区的位置、分布、强弱及其变化的雷达称为天气雷达或 测雨雷达；在雷达的发射和接收部分采用多普勒体制，利用多普勒效应测量降水粒子的运动信息的天气雷达称为多普勒天气雷达。此外还有调频连续波雷达，它是一种探测边界层大气的雷达，有极高的距离分辨率和灵敏度，主要用来测定边界层晴空大气的波动、风和湍流 。 气象雷达的工作波长 气象雷达使用的无线电波长范围很宽，从1厘米到1000厘米。常用的有1、3、5、10和 20厘米波长，各对应于K波段（波长0.75～2.4厘米）、X波段（波长 2.4～3.75厘米）、C波段（波长3.75～7.5厘米）、S波段（波长7.5～15厘米）和 L波段（波长15～30厘米），超高频和甚高频雷达的波长范围分别为10～100厘米和100～1000厘米。 雷达探测大气目标的性能和其工作波长密切有关。 常用K波段雷达探测各种不产生降水的云，用X、C和S波段雷达探测降水，其中S波段最适用于探测暴雨和冰雹，用高灵敏度的超高频和甚高频雷达 探测对流层－平流层-中层的晴空流场。 二、气象雷达的应用领域 对强对流等灾害性天气的监测和预警 定量降水估计 提供风场信息 数据同化 - 为高分辨率数值天气预报模式提供初始场 为机场气象保障和气象研究提供资料。 为火箭、导弹和航天器的发射与飞行提供必要的气象资料 三、多普勒雷达的基本构成 新一代天气雷达系统由五个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA）、宽/窄带通讯子系统（WNC）、雷达产品生成子系统（RPG）、主用户处理器（PUP）和附属安装设备。其中RDA产生和发射电磁脉冲，并将接收到的脉冲信号转换成数据化雷达资料，RPG通过宽带通信从RDA获取数据化雷达资料，通过一系列水文气象算法生成雷达产品；PUP通过窄带通信从RPG获得气象产品，进行显示存档，这里也是预报员的业务工作平台。 新一代天气雷达基本结构框图 雷达数据采集单元RDA 雷达数据采集单元RDA由天线、发射机、接收机、信号处理器、系统监控及通信等部分组成，该单元产生和发射电磁脉冲，并将接收到的脉冲信号处理生成数字化基本资料，在RDA单元还完成第一级和第二级资料存档任务，RDA的上述功能是由RDA计算机监视和控制的。 一、发射机（Transmitter） 多普勒天气雷达通过速调管放大器产生一个相当稳定的高功率射频脉冲，然后通过天线收发转换开关送到天线处向外辐射。为了保证多普勒资料能够精确的从返回信号中提取，对所发射脉冲信号的稳定度要求很高，产生的每个脉冲必须具有相同的初位相。 雷达数据采集单元RDA 二、天线（Antenna） 雷达发射机产生的电磁脉冲（RF）通过天线发射到大气中，并接收电磁脉冲遇到云雨目标物后返回的能量，WSR—88D多普勒天气雷达天线扫描的仰角可从-1度到60度，主要取决于扫描策略 、体积覆盖模式（VCP），操作模式三个要素。 1．扫描策略（Scan Strategy） 扫描策略决定一个体扫描包含多少个仰角，以及完成一次体扫描所需的时间，WSR—88D中有三个扫描策略： 1：一个体扫描包含14个仰角，用时5分钟。 2：一个体扫描包含9个仰角，用时6分钟。 3：一个体扫描包含5个仰角，用时10分钟。 2．体积覆盖模式（ VCP） 扫描策略决定了一个体扫描中包含多少个仰角，而体积覆盖模式指定具体的仰角值（如0.5、1.5度等），WSR—88D可包含20个不同的VCP，但目前定义的仅为四个： VCP11：扫描策略1 版本1：指定在5分钟完成的体扫中14个不同仰角 VCP21：扫描策略2 版本1： 指定在6分钟完成的体扫中9个不同仰角 VCP31：10分钟内完成5个具体仰角的扫描 （使用长雷达脉冲） VCP32：10分钟内完成5个具体仰角的扫描（使用短雷达脉冲） 3．操作模式 操作模式决定使用哪一种体积覆盖模式和扫描策略WSR—88D有两个操作模式，降水模式（Mode A）和晴空模式（Mode B）。 Mode A： 降水模式，使用VCP11或VCP21，相应的体扫描策略为Scan Strategy 1（14层/5分钟）或Scan Strategy 2（9层/6分钟）。 Mode B：晴空模式，使用VCP31或VCP32，相应的体扫描策略为Scan Strategy 3（5层/10分钟）。 雷达数据采集单元RDA 三、接收机（Receiver） 当天线接收到从云雨目标物返回的后向发射能量后，将信号传递到接收机，由于与发射的信号相比，接收到的信号是一个非常小的量，所以当接收信号被送到信号处理器之前，必须被放大。 四、信号处理器（Signal Processor） 信号处理器从接收机获得模拟信号后，完成三个重要任务，地物杂波抑制，模数转换和多普勒资料距离退折叠。 1. 地物杂波抑制 气象回波和地物回波的主要区别是地物杂波很少或几乎没有运动，而气象目标物返回的信号有明显的运动。信号处理器利用目标物运动与否作为主要判据消除地物的回波。 雷达数据采集单元RDA 2．模数转换 来自于接收机的模拟信号在信号处理器中被处理成三种基本类型的数字信号：基本反射率因子，基本平均径向速度和基本谱宽。 3．距离退折叠 在基本速度和谱宽资料中由于不同气象目标物传输路径差异会引起距离折叠，WSR—88D通过与基本反射率因子资料对比对以上两种资料进行距离退折叠。 雷达数据采集单元RDA 五．I、II级数据记录存档（ARCHIVE LEVEL I、II） 在RDA中包含最初的两级数据记录存档。 1．存档I（ARCHIVE LEVEL I） 这一级存档设有存储设备和介质，在信号处理器中自动完成，搜集来自于接收机的模拟信号。 2．存档Ⅱ（ARCHIVE LEVEL II） WSR—88D 存档Ⅱ收集的资料为信号处理器产生的高分辨率数字基本资料，包括反射率因子、平均径向速度和谱宽，这些资料未经水文气象算法处理，目前存储的介质为每盒4.77GB的8毫米磁带。 雷达数据采集单元RDA 六、宽/窄带通讯 宽带通信提供了RDA和RPG之间一个高速的双向资料传送连接，RDA和RPG可同在一处，也可相距几十km。依据RDA和RPG之间的距离以及当地情况，宽带通信连接可采用直接电缆连接，光纤、微波通信（MLOS）和TI方式。上海WSR—88D采用的是直接的电缆连接。 窄带通讯是指RPG与PUP之间的通讯传输。 雷达产品生成单元（RPG） 雷达产品生成单元（RPG）是一个多任务的单元，RPG的主要功能是产品生成、产品分发。它由宽带通讯线路从RDA接受数字化的基数据，通过各种水文气象算法处理和生成三十多类70多种气象产品，经窄带通信发送到用户。RPG还可以通过雷达控制台（UCP）对RDA进行监控 ，是整个雷达系统的控制中心，这里还提供第三级数据记录存档（ARCHIVE LEVEL III） 雷达控制台（UCP） 雷达控制台UCP是RPG的操作界面，可以实时地对RPG和RDA进行控制，UCP采用流行的窗口界面，主要的命令集成在菜单和工具栏中，使用这些命令可实现对RPG和RDA的有效控制，UCP为雷达操作员提供了一个可以与RPG和RDA系统人机交互的界面。它具有应用终端和系统控制台的双重功能。应用终端用来发布命令和修正参数。系统控制台允许雷达操作员通过与RPG的操作系统的交互来达到文件维护、文件和数据的备份以及软件安装等。 主用户处理单元（PUP） 主用户处理单元（PUP）是收集、处理和存贮从RPG 获得的气象产品的软硬件的总称，由主用户处理器和交互式用户工作站两部分组成。 PUP交互式用户工作站由两个高分辨图形监视器，图像板，应用终端和彩色打印机组成，是预报人员显示和操作WSR—88D产品的工作平台； 主用户处理器连接一个系统终端，为操作者提供PUP软件安装、运行监控等功能。为了方便操作人员异地了解雷达工作状况，在主用户处理单元还配有远程单元控制面板（远程UCP）。此外，PUP还提供第四级数据记录存档（ARCHIVE　LEVEL IV）。 主用户处理单元（PUP） PUP的主要功能有：气象产品的采集，操作人员通过在PUP上设置常规产品集（RPS）或通过一次性请求从RPG上采集气象产品或信息，也可通过设置警报区域和警报阈值自动从RPG采集警报配对产品。气象产品的处理和显示，包括气象产品的显示、放大、动画、产品叠加、地理信息的叠加以及强天气的自动报警功能等。 PUP（CINRAD WSR-98D）的操作界面：主要分为4个区域：视窗、菜单、工具栏和状态栏。视窗进一步分为3个子区域：图象区、标注区和属性表区。在产品有显示状态下菜单的种类有12个。工具栏有4种：常规工具栏、动画工具栏、警报信息栏和编辑工具栏。 主用户处理单元（PUP） 二、远程雷达控制 为了方便操作人员在PUP工作单元了解整个雷达系统的工作状态，实施RPG远程关闭、启动操作、以及进行一些异地RDA、RPG故障的诊断、排除等，在PUP单元配置远程单元控制面板，远程UCP通过9.6K BPS DDN专线与RPG相连，其功能与本地UCP完全相同，但RPG本地UCP和远程UCP只能选择其中一个工作。  三、第四级数据记录存档（（ARCHIVE　LEVEL IV） 可以存储任何多普勒天气雷达产品和信息。 四、雷达资料的显示方式 雷达的PPI扫描方式 在每个仰角，雷达天线绕垂直轴进行360°扫描，所采集到的圆锥面上的资料被投影到地面。 因此，在PPI上，以雷达为中心，沿着雷达波束向外，径向距离的增加同时也表示距地面的高度增大。 等高平面位置显示（CAPPI） 由计算机根据一系列不同高度角处的资料经计算而得到的。按照用户设置的高度，应用测高公式，选取临近该高度平面上的上下两个仰角相应雷达测距上的数据，然后用内插方法得到该高度上的数据。 局部多层CAPPI显示的处理原理类似于等高平面位置显示（CAPPI），利用体积扫描获取的三维数据，在任一PPI显示的图像中确定所选区域，经处理得出多个不同高度上所选区域的CAPPI，然后构成假三维结构的图像。 CAPPI数据获取示意图 距离高度显示RHI 任意垂直剖面显示（RCS） RCS产品一般用来分析降水云体的垂直结构，它需要用体积扫描获取的三维数据制作。根据用户在任意仰角的PPI图像上确定的两点，以该两点连线作为需分析的垂直剖面的基线，显示出这垂直剖面与其它仰角的PPI相交的数据。由于体积扫描时，相邻不同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。 RCS产品与RHI产品不同，它不受必须固定方位角的限制，因此能分析回波区中任意方向的垂直结构。 垂直最大回波强度显示（CR） CR产品是应用体积扫描获取的回波强度数据，在以1km X 1km（或2km X 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两幅分布图像。为方便用户分析，将这两幅分布图像作同屏显示。 五、一些重要的雷达参数 当前常用的雷达大多数是脉冲雷达，常规的脉冲雷达周期性地发射高频电磁波脉冲，相关的技术参数主要有脉冲宽度τ、脉冲重复频率PRF、脉冲重复周期T、脉冲功率Pt 、天线增益G、天线波束宽度等 脉冲宽度τ：探测脉冲的振荡持续时间。由于探测脉冲具有一定的持续时间，因而它在空间也有一定的长度h＝ cτ 。若脉冲宽度以s为单位，则上式可写成h=300τ（m） 一些重要的雷达参数 我国新一代天气雷达WSR-98D使用两种脉冲宽度：短脉冲（1.57 s ）和长脉冲（4.71 s ）。对应的空间宽度约为500米和1500米。 一些重要的雷达参数 脉冲重复频率PRF：每秒产生的脉冲数目。 脉冲重复周期T：相邻两个脉冲之间的时间间隔 ，它等于脉冲重复频率的倒数。 一些重要的雷达参数 脉冲功率Pt ：发射机发射脉冲的峰值功率。WSR-88D的脉冲峰值功率为475kw，我国天气雷达WSR-98D的脉冲峰值功率在650-800kw之间。 天线增益G：辐射总功率相同时，定向天线在最大辐射方向的能流密度与各向均匀天线的能流密度之比。通常称为放大倍数。 一些重要的雷达参数 天线的波束宽度：两个半功率点方向的夹角称波束宽度。通常所说的波束宽度指的是天线主瓣的宽度，在垂直面上用θ表示，在水平面上用Φ表示。波束宽度越小，角度的分辨率越高，探测精度也越高。我国新一代雷达的波束宽度约为1° 单元思考题 气象雷达有哪些用途？ 新一代多普勒雷达主要由哪几部分构成？ 新一代雷达的体积覆盖模式（VCP）有哪四种？ 新一代雷达的工作模式有哪两种？它们分别采用怎样的体扫方式 ？ 雷达PPI显示方式与CAPPI显示方式有何不同？ 雷达 VCS产品与RHI产品有何不同？ 什么是脉冲重复周期？什么是脉冲重复频率？它们之间有何关系？ 什么是天线的波束宽度？3ID红软基地