雷達氣象學之第三章(多普勒天氣雷達探測原理和方法)

第三章

多普勒天氣雷達探原理及方法

本章重點1、多普勒雷達測量原理2、最大不模糊速度3、多普勒雷達信息的提取方法（傅立葉變換法和脈沖對處理器）4、VAD技術(shù)測量原理及其在測量水平流場及降水量的應(yīng)用§1多普勒雷達測量原理多普勒雷達的工作原理是以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的。所謂多普勒效應(yīng)就是，當聲音，光和無線電波等振動源與觀測者以相對速度相對運動時，觀測者所收到的振動頻率與振動源所發(fā)出的頻率有所不同。因為這一現(xiàn)象是奧地利科學家多普勒最早發(fā)現(xiàn)的，所以稱之為多普勒效應(yīng)。常規(guī)天氣雷達利用的是降水回波的幅度信息，即利用信號強度來探測雨區(qū)的分布、雨區(qū)強度、垂直結(jié)構(gòu)等情況。多普勒天氣雷達是利用多普勒效應(yīng)來測定降水粒子的徑向(朝向雷達或遠離雷達方向)運動速度，并通過這種速度信息推斷風速分布、垂直氣流速度、大氣湍流、降水粒子分布、降水中特別是強降水中的風場結(jié)構(gòu)特征。多普勒雷達通過測定接收回波信號與發(fā)射探測脈沖信號頻率之間出現(xiàn)的頻率差異，在得到目標物的反射率因子外，還可以測定散射體相對于雷達的徑向速度和速度譜寬，并根據(jù)這三個基本量，可推斷出相應(yīng)的天氣系統(tǒng)，尤其是降水天氣系統(tǒng)的某些內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特征，它對降水成因、中小尺度天氣系統(tǒng)以及強對流造成的災(zāi)害性天氣的監(jiān)測與研究具有重要意義，是發(fā)布嚴重災(zāi)害性天氣警報和臨近預(yù)報的重要探測工具。脈沖多普勒雷達的工作原理：當雷達發(fā)射一固定頻率的脈沖波對空掃描時，如遇到活動目標，回波的頻率與發(fā)射波的頻率出現(xiàn)頻率差，稱為多普勒頻率。根據(jù)多普勒頻率的大小，可測出目標對雷達的徑向相對運動速度；根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時間差，可以測出目標的距離。同時用頻率過濾方法檢測目標的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達從強雜波中分辨出目標信號。所以脈沖多普勒雷達比普通雷達的抗雜波干擾能力強，能探測出隱蔽在背景中的活動目標。一、多普勒頻率與徑向速度的關(guān)系由多普勒效應(yīng)所形成的頻率變化叫做多普勒頻移，它與相對速度V成正比，與振動的波長成反比。設(shè)發(fā)射電磁波的相位為：電磁波返回到天線的相位為：那么兩個相位差為：相位隨時間的變化率：又因為：即：得到：目標的徑向運動速度多普勒天氣雷達波長徑向速度徑向速度:簡單的定義為目標物實際運動速度在雷達探測波束（雷達徑向）方向上的分量。它既可以向著雷達，也可以離開雷達，但符號（正負）不同。脈沖多普勒天氣雷達能直接測量得到的是降水粒子群相對于雷達的平均徑向速度，它與我們需要的實際水平風速有關(guān)但又不同。①徑向速度總是小于或等于實際目標物速度②當目標物運動垂直雷達徑向或靜止是徑向速度為零。徑向速度與水平實際風的關(guān)系二、多普勒雷達脈沖參數(shù)的選擇

及最大不模糊速度1.多普勒雷達脈沖參數(shù)的關(guān)系運用信號分析知識，可以得到載波脈沖序到參數(shù)與其所對應(yīng)的頻譜參數(shù)之間有如下關(guān)系：（1）脈沖序列總長度t1決定每條譜線精細結(jié)構(gòu)的寬度；（2）脈沖寬度τ決定頻譜包絡(luò)線的寬度；（3）載波頻率f0決定譜帶中心位置；（4）脈沖重復周期T決定譜線間隔。根據(jù)上述各關(guān)系，又可以獲得以下四點結(jié)論：（1）脈沖寬度雖然決定頻譜包絡(luò)線的寬度，但對確定目標運動狀態(tài)無關(guān)；（2）載波頻率決定中心譜線位置，但是譜線絕對位置并不影響對復包絡(luò)函數(shù)的檢測；（3）脈沖序列長度決定每條譜線的半寬度B（B=1/t1）；（4）脈沖重復頻率F決定每條譜線的間隔。2、最大不模糊速度及最大不模糊距離最大不模糊速度：多普勒天氣雷能夠測量的一個脈沖到下一個脈沖的最大相移的上限是180度，我們把與180度脈沖對項移所對應(yīng)的目標物徑向速度值稱之為最大不模糊速度。速度模糊：如果一個目標在兩個脈沖的時間間隔期間移動得太遠，它的真實相移超過180度，則將賦給它一個小于180度的項移值，那么速度的第一個值是不正確的，也就是說是模糊的。PRF為脈沖重復頻率最大不模糊距離（距離折疊）：是指雷達一個發(fā)射脈沖在下一個發(fā)射脈沖發(fā)出前能向前走并返回雷達的最長距離。距離模糊：指雷達確定的目標物方位是正確的，但距離是錯誤（模糊）的，當目標物位于雷達的最大不模糊距離Rmax之外時，雷達卻把目標物顯示在Rmax之內(nèi)的某個位置。實際回波顯示（視在回波）Rmax二次回波的概念二次回波的危害150km020km0km2080造成測量誤差Rmam52503005kmkm2550虛假回波Rmax180200二次回波的危害根據(jù)最大不模糊速度及最大不模糊距離可得：當雷達波長一定時，上式右邊是常數(shù)，由此可見，若要求測速范圍大，則測距范圍必然變?。ǘ嗥绽諆呻y）。所以在設(shè)計雷達參數(shù)F時，只能折衷地選擇vmax及rmax值，即選擇適當?shù)拿}沖重復頻率。解決辦法：采用多種PRF，不同的取樣方式（硬件）;另一種是用軟件，即在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中設(shè)置判別及退速度模糊的程序。

多普勒天氣雷達消除二次回波PRF=1000HzRmax=150km

隨機相位編碼

×

PRF=1000HzRmax=150km多普勒天氣雷達消除二次回波

隨機相位編碼

√

§2多普勒雷達信息提取回波強度--反射率因子回波位相--徑向速度回波信號—多普勒譜從回波信號中獲得多普勒的方法有很多種，目前比較典型的有三種方法：

1、傅里葉變換法（FFT）：它的優(yōu)點是精度較高，而且能夠獲得多普勒頻譜，由此可得到平均多普勒頻率相頻譜寬度等信息。但出于計算的數(shù)據(jù)量很大，即使應(yīng)用快速傅里葉變換（FFT）也要用高集成芯片才能對全域做到實時處理。

2、脈沖對處理法（PPP）在一定假設(shè)條件下對每一個距離庫內(nèi)的連續(xù)兩個取樣值作成對處理．從而獲得平均多普勒頻率和頻譜寬度。此法優(yōu)點在于能實時處理．并且有一定精度，但它不能得到頻率譜。

3、相干記憶濾波器（CMF）處理法此法只需要一個線路，在不設(shè)置距離庫的情況下同時對雷達探測范圍內(nèi)各個距離上作粗略的譜分析，并能用如PSI(平面切變線是其)等直接顯示出來。但它精度不高；§3降水回波信號的幾個

統(tǒng)計特征降水回波信號，是雷達有效照射體內(nèi)所有降水粒子后向散射的綜合結(jié)果。降水回波的統(tǒng)計特征一般表述：

1、回波功率譜

2、平均多普勒頻率

3、頻譜寬度一、回波功率譜回波平均功率信號的功率譜密度多普勒速度譜分布多普勒速度譜分布密度回波平均功率就是功率譜密度在整個頻域上的積分值二、平均多普勒速度及速度譜寬平均多普勒頻移的定義為：而頻譜寬度的定義為：在實際工作中需要了解的是有效照射體內(nèi)平均的多普勒速度和速度譜寬度，根據(jù)以上關(guān)系式，并注意到關(guān)系式，則平均多普勒速度,和速度譜方差分別為：徑向速度譜密度、平均徑向速度、徑向速度譜寬三者的關(guān)系示意圖

速度場垂直風廓線補充風符號1.風向桿表示風的來向。2.風羽每條代表風速4米/秒，半條代表2米/秒，三角旗代表20米/秒。譜寬反射率三、影響速度譜寬的氣象因子多普勒速度譜寬表征著有效照射體內(nèi)不同大小的多普勒速度偏離其平均值的程度，實際上它是由散射粒子具有不同的徑向速度所引起的。對氣象目標物而言，影響速度譜寬的主要因子有四個：（1）垂直方向上的風切變；（2）由波束寬度引起的橫向風效應(yīng)；（3）大氣的湍流運動；（4）不同直徑的降水粒子產(chǎn)生的下落末速度的不均勻分布。風切變的概念風切變是一種大氣現(xiàn)象，是風速在水平和垂直方向的突然變化。風切變，又稱風切或風剪，是指大氣中兩點間風速和風向的劇烈變化。根據(jù)兩點高度之間的差異，風切變可分為水平和垂直兩大類。垂直風切變是指垂直于地面方向上風速或風向隨高度的劇烈變化，強烈的垂直風切變的存在會對橋梁、高層建筑、航空飛行等造成強烈的破壞作用，可造成橋梁樓房坍塌、飛機墜毀等惡性事故，給人類生活造成嚴重影響。水平風切變則指與地面平衡的方向上風向的急速轉(zhuǎn)變。垂直風切對飛機降落時的影響高空水平風切產(chǎn)生的云層現(xiàn)象波束寬度

描述天線性能的參數(shù)之一，又名半功率波束寬帶，是指一種天線模式或波束角度，其中相對功率為或者超過最高功率的50％。波束寬度有兩種:水平波束寬度是指在水平方向上，在最大輻射方向2側(cè)，輻射功率下降3dB的兩個方向的夾角。而垂直波束寬度是指在垂直方向上，在最大輻射方向2側(cè)，輻射功率下降3dB的2個方向的夾角。由于波束存在一定的水平寬度，與波束軸線垂直的橫向風在偏軸線方向上就有徑向分量。大氣湍流運動在湍流大氣中，有效照射體內(nèi)一定直徑的粒子除了具有環(huán)境風場的平均和它本身重力引起的下落速度外，還隨周圍大氣的湍流脈動而運動。大一些的粒子，由于其慣性作用，對大氣脈動的影響不如小粒子那樣靈敏。由于粒子的慣性，同一有效照射體內(nèi)不同大小的粒子具有不同的速度方差。因此，由湍流效應(yīng)產(chǎn)生的多普勒譜寬，既依賴于湍流強度本身，也依賴于粒子對大氣湍流運動相應(yīng)的靈敏度。不同直徑粒子的下落末速度分布

由于重力和大氣的阻力作用，不同大小的粒子具有不同的下落末速度，在雷達以一定仰角探測時，由他們造成的雷達波束軸線上的徑向分量也就不同，因而產(chǎn)生了多普勒速度譜寬。顯然，雷達有效照射體中粒子直徑的差別越大，由此造成的多普勒速度譜越寬。因此速度的譜寬實際上也取決于降水粒子的譜分布。當雷達水平探測時，粒子的下落末速度在雷達波軸上的徑向分量為零，所以它對多普勒速度譜寬沒有任何影響。而當雷達垂直指向探測時，粒子下落末速度即為徑向速度，故由此造成的譜曾寬作用最大。因此，有粒子下落末速度分布造成的多普勒速度譜寬與成正比?！?VAD技術(shù)測量水平流場及降水量氣象多普勒雷達探測到的風矢量徑向速度分量，當仰角和徑向距離固定時，徑向速度在一個整圓（以雷達為中心的等距離圈）上隨方位大致呈簡諧曲線分布,簡諧曲線的振幅和位相反映了雷達掃描范圍內(nèi)的風速和風向，簡諧曲線相對于零線的偏移則反映此范圍內(nèi)的風存在輻合或輻散。利用諧波分析方法擬合多普勒速度隨方位分布的簡諧曲線來反演雷達掃描范圍內(nèi)的平均風向、風速等風場信息的方法稱為速度方位顯示技術(shù)，即VAD技術(shù)，它在氣象多普勒雷達中得到普遍使用。速度方位顯示產(chǎn)品

橫坐標為方位角（0°或360°為正北方向，180°朝向正南），縱坐標表示徑向速度。正弦曲線的振幅表示水平風速，正弦曲線上的波谷（負值最大點）所在方位角表示水平風向。

圖像中帶顏色的離散點為7公里高度上非零徑向速度的點，點的顏色代表這些離散點所在處的反射率因子強度。圖中的白色曲線為用最小平方法擬合這些離散點所得曲線，曲線的表達式在圖像上方，表達式第一項表示對稱度，振幅表示水平風速大小，擬合曲線最底部（負速度）所對應(yīng)的方位角為水平風向。圓錐掃描示意圖降水粒子在某一距離和方向上的徑向速度水平風向與軸的夾角方位角天線仰角按照上式和實際流場是否均勻，可以探測風向、風速、輻散輻合、形變等物理量。一、測量均勻流場的風速若流場是均勻的，則由上式可知，當仰角不變時，雷達測得的某一固定距離上的徑向速度將按余弦方式變化，而且疊加一個常數(shù)值。當雷達天線指向水平風速的來向時，因，故有：即徑向速度取極大值。

當天線指向下風方向時，徑向速度取極小值：，比較上面兩式，可以解出被探測高度上的水平風速，即：而水平風的來向，就是雷達徑向速度極小值時天線指向的方位角。同樣，粒子的平均下落速度：此即為垂直方向的平均多普勒速度。再采用前面介紹的方法就可以進一步導出大氣垂直速度和雨滴譜分布。二、測量非均勻流場的風向、風速、輻散和形變當水平風場不均勻時，則VAD曲線將不是余弦曲線的形式。實際上在前面的方法中并未應(yīng)用曲線的全部消息，只用了曲線的極值和零點。而VAD曲線的非簡諧振蕩形式提供了水平風場更多的信息。對VAD曲線作諧波分析。應(yīng)用傅氏級數(shù)的零次，一次和二次諧波展開，可以得到水平輻合、水平風向和風速以及水平風場的形變等信息。原理：形變軸取向角：水平風形變：風向：水平風速：水平輻散：

這里β和γ均以逆時針方向為正。具體探測方法

其中i為的取