氣象衛(wèi)星與雷達(dá)探測(cè)

氣象雷達(dá)與衛(wèi)星探測(cè)信息與控制學(xué)院2024/11/20主要內(nèi)容氣象雷達(dá)主要內(nèi)容衛(wèi)星探測(cè)2024/11/20氣象雷達(dá)（1）雷達(dá)發(fā)展概況（2）雷達(dá)工作的基本原理（3）雷達(dá)工作的基本頻率（4）雷達(dá)的用途及其分類（5）氣象雷達(dá)基本原理與概念（6）多普勒天氣雷達(dá)氣象雷達(dá)2024/11/201雷達(dá)發(fā)展史起步階段

（1）1903-1904，克里斯琴·赫爾斯邁耶研制出原始的船用防撞雷達(dá)并獲得專利權(quán)。

（2）1935年，雷達(dá)之父沃森·瓦特出版《采用無線電方法探測(cè)飛機(jī)》，當(dāng)年研制出探測(cè)距離達(dá)到80公里的米波防控雷達(dá)。（3）二戰(zhàn)期間雷達(dá)大放異彩。逐步由軍用→民用，雷達(dá)在氣象中的應(yīng)用從天氣雷達(dá)開始。沃森·瓦特2024/11/201雷達(dá)發(fā)展史發(fā)展階段（1）二戰(zhàn)后，雷達(dá)技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展，主要原因歸于兩個(gè)非常重要的器件發(fā)明：T/R（收/發(fā)）開關(guān)和磁控管。（2）收發(fā)開關(guān)使雷達(dá)的探測(cè)成功地從雙（多）基變成單基雷達(dá)。也就是從發(fā)分別用一個(gè)天線，到共用一個(gè)天線。大大簡(jiǎn)化了雷達(dá)系統(tǒng)。（3）磁控管的出現(xiàn)使雷達(dá)的探測(cè)功率大大提高，從而大大提高了雷達(dá)的探測(cè)能力。2024/11/201雷達(dá)發(fā)展史成熟階段

20世紀(jì)60年代以來，航空、航天技術(shù)、飛機(jī)、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等對(duì)雷達(dá)提出了高精度、遠(yuǎn)距離、高分辨率及多目標(biāo)測(cè)量等要求。（1）技術(shù)上：脈沖壓縮技術(shù)、單脈沖雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、目標(biāo)識(shí)別、目標(biāo)成像、SAR、脈沖多普勒雷達(dá)。（2）結(jié)構(gòu)工藝上：微波高功率放大管，如速調(diào)管。（3）雷達(dá)的工作波長(zhǎng)：從短波擴(kuò)展至毫米波、紅外線和紫外線領(lǐng)域。在這個(gè)時(shí)期，微波全息雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)和超視距雷達(dá)相繼出現(xiàn)。2024/11/202雷達(dá)工作基本原理雷達(dá)：無線電探測(cè)和測(cè)距，即用無線電方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)定他們?cè)诳臻g的位置。2024/11/203雷達(dá)工作的基本頻率2024/11/203雷達(dá)工作的基本頻率2024/11/204雷達(dá)的用途及分類軍用預(yù)警雷達(dá)（發(fā)現(xiàn)洲際導(dǎo)彈，盡早地發(fā)出預(yù)警警報(bào)）搜索和警戒雷達(dá)（發(fā)現(xiàn)飛機(jī)）引導(dǎo)指揮雷達(dá)（殲擊機(jī)的引導(dǎo)和指揮作戰(zhàn)）火控雷達(dá)（控制火炮或?qū)棇?duì)空中目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)）戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)（坦克或軍車）機(jī)載雷達(dá)俄制艦載型的“美洲獅”火控雷達(dá)F-35機(jī)載雷達(dá)2024/11/204雷達(dá)的用途及分類民用氣象雷達(dá)航空管制雷達(dá)等2024/11/204-1氣象雷達(dá)分類按工作原理分類常規(guī)天氣雷達(dá)；多普勒雷達(dá)雙波長(zhǎng)雷達(dá)雙偏振雷達(dá)雙（多）基地雷達(dá)按用途分類，測(cè)風(fēng)、測(cè)雨、測(cè)云等按體制分類，脈沖、調(diào)頻、多普勒等2024/11/204-1氣象雷達(dá)分類常規(guī)天氣雷達(dá)其探測(cè)對(duì)象主要是降水和含水量較大的云體。這類雷達(dá)大多工作在波長(zhǎng)為3－10cm之間的微波波段。它主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、顯示器和天線系統(tǒng)組成。有的雷達(dá)還配備有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)彩色回波圖象顯示，回波外推預(yù)報(bào)，和回波資料遠(yuǎn)距離傳送等功能。天氣雷達(dá)對(duì)雨區(qū)的有效探測(cè)半徑為300—400km。由于探測(cè)范圍廣，不受時(shí)間限制，并能提供一定精度的定量數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)，已成為臨近天氣預(yù)報(bào)的主要工具。2024/11/204-1氣象雷達(dá)分類多普勒天氣雷達(dá)2024/11/204-1氣象雷達(dá)分類雙波長(zhǎng)雷達(dá)同時(shí)在兩個(gè)不同波長(zhǎng)上發(fā)射和接收電磁波的雷達(dá)2024/11/204-1氣象雷達(dá)分類雙偏振雷達(dá)我國(guó)首臺(tái)多普勒偏振天氣雷達(dá)既能發(fā)射和接收水平偏振波又能發(fā)射和接收垂直偏振波的雷達(dá)。2024/11/204-1氣象雷達(dá)分類雙地基雷達(dá)美國(guó)海基X波段雷達(dá)在進(jìn)行依靠自身動(dòng)力航行一般的雷達(dá)是單基地的，即發(fā)射機(jī)和接收機(jī)安裝在一起，且通常共用一個(gè)天線。而雙基地或多基地雷達(dá)是將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別安裝在相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)或多個(gè)站址上。它能有效地捕捉雷達(dá)反射波，借助高速計(jì)算機(jī)標(biāo)繪出隱形戰(zhàn)機(jī)飛過時(shí)留下的航跡，并預(yù)測(cè)之后的航向。2024/11/204-2氣象雷達(dá)的發(fā)展20世紀(jì)40年代萌芽階段，主要觀測(cè)回波的形狀、移動(dòng)速度、描述回波的形成發(fā)展。20世紀(jì)50-60年代定量分析階段，這一階段也是常規(guī)雷達(dá)的發(fā)展時(shí)期，主要用來分析回波的降水強(qiáng)度和雷達(dá)反射率之間的定量關(guān)系。20世紀(jì)70-80年代雷達(dá)的數(shù)字化發(fā)展時(shí)期，將數(shù)字技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)大量的應(yīng)用氣象雷達(dá)。20世紀(jì)80年代后新一代天氣雷達(dá)的發(fā)展時(shí)期，多普勒雷達(dá)、雙波長(zhǎng)雷達(dá)、偏振雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)等一大批新型雷達(dá)被用于氣象探測(cè)。2024/11/204-3我國(guó)天氣雷達(dá)發(fā)展我國(guó)天氣雷達(dá)發(fā)展大致經(jīng)歷了從模擬天氣雷達(dá)、數(shù)字化天氣雷達(dá)到多普勒天氣雷達(dá)的三個(gè)發(fā)展階段。未來：雙極化、相控陣、多地基雷達(dá)。2024/11/204-4我國(guó)新一代天氣雷達(dá)布點(diǎn)2024/11/205氣象雷達(dá)基本原理和概念2024/11/205氣象雷達(dá)基本原理和概念氣象雷達(dá)工作原理

氣象雷達(dá)通過方向性很強(qiáng)的天線向空間發(fā)射脈沖無線電波，它在傳播過程中和大氣發(fā)生各種相互作用。如大氣中水汽凝結(jié)物（云、霧和降水）對(duì)雷達(dá)發(fā)射波的散射和吸收；非球形粒子對(duì)圓極化波散射產(chǎn)生的退極化作用，無線電波的空氣折射率不均勻結(jié)構(gòu)和閃電放電形成的電離介質(zhì)對(duì)入射波的散射，穩(wěn)定層結(jié)大氣對(duì)入射波的部分反射；以及散射體積內(nèi)散射目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)對(duì)入射波產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)等。

2024/11/205氣象雷達(dá)基本原理和概念

氣象雷達(dá)回波不僅可以確定探測(cè)目標(biāo)的空間位置、形狀、尺度、移動(dòng)和發(fā)展變化等宏觀特性，還可以根據(jù)回波信號(hào)的振幅、相位、頻率和偏振度等確定目標(biāo)物的各種物理特性，例如云中含水量、降水強(qiáng)度、風(fēng)場(chǎng)、鉛直氣流速度、大氣湍流、降水粒子譜、云和降水粒子相態(tài)以及閃電等。此外，還可利用對(duì)流層大氣溫度和濕度隨高度的變化而引起的折射率隨高度變化的規(guī)律，由探測(cè)得到的對(duì)流層中溫度和濕度的鉛直分布求出折射率的鉛直梯度，并通過分析無線電波傳播的條件，預(yù)報(bào)雷達(dá)的探測(cè)距離，也可根據(jù)雷達(dá)探測(cè)距離的異常現(xiàn)象（如超折射現(xiàn)象）推斷大氣溫度和濕度的層結(jié)。2024/11/206多普勒天氣雷達(dá)工作原理多普勒天氣雷達(dá)的工作原理即以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，具體表現(xiàn)為：當(dāng)降水粒子相對(duì)雷達(dá)發(fā)射波束相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以測(cè)定接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。運(yùn)用這種原理，可以測(cè)定散射體相對(duì)于雷達(dá)的速度，在一定條件下反演出大氣風(fēng)場(chǎng)、氣流垂直速度的分布以及湍流情況等。這對(duì)研究降水的形成，分析中小尺度天氣系統(tǒng)，警戒強(qiáng)對(duì)流天氣等具有重要意義。2024/11/206多普勒天氣雷達(dá)主要組成部分（1）觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器：觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器(控制鐘)是整個(gè)雷達(dá)的控制系統(tǒng)，它周期性地產(chǎn)生一個(gè)脈沖式的觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)脈沖輸送到調(diào)制解調(diào)器和顯示器，指揮它們開始工作。每秒種產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖數(shù)目，稱為脈沖重復(fù)頻率，以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency)表示。兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔，稱為脈沖重復(fù)周期，用Ｔ表示，它等于脈沖重復(fù)頻率的倒數(shù)。實(shí)際工作中，可用公式計(jì)算脈沖重復(fù)周期的數(shù)值。2024/11/206多普勒天氣雷達(dá)主要組成部分（2）調(diào)制解調(diào)器（3）發(fā)射機(jī)：在調(diào)制脈沖的作用下，發(fā)射機(jī)產(chǎn)生短促又強(qiáng)大的特高頻振蕩，經(jīng)天線向空間發(fā)射出去，即探測(cè)脈沖。發(fā)射機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有波長(zhǎng)（或振蕩頻率F）和脈沖發(fā)射功率。波長(zhǎng)：天氣雷達(dá)通常使用的波長(zhǎng)是厘米波，劃分為K、X、C和S四個(gè)波段，K波段的雷達(dá)是用來探測(cè)非降水的云，X、C和S波段用于探測(cè)降水。脈沖發(fā)射功率：是指天線實(shí)際發(fā)射的峰值功率，如果忽略了波導(dǎo)管和天線的損耗，則脈沖發(fā)射功率將近似地等于發(fā)射機(jī)輸出峰值功率。2024/11/206多普勒天氣雷達(dá)主要組成部分（4）天線轉(zhuǎn)換開關(guān)、波導(dǎo)管（5）天線（6）接收機(jī)和顯示器2024/11/206多普勒天氣雷達(dá)北京南郊S波段天氣雷達(dá)塔全貌

南郊S波段多普勒天氣雷達(dá)產(chǎn)品圖（回波強(qiáng)度）2024/11/20衛(wèi)星探測(cè)氣象衛(wèi)星實(shí)質(zhì)上是一個(gè)高懸在太空的高級(jí)自動(dòng)氣象站，是空間、遙感、計(jì)算機(jī)、通信和控制等高技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物?？蛇B續(xù)、快速、大面積地探測(cè)全球的大氣變化情況。衛(wèi)星探測(cè)2024/11/201總體概況空基全球觀測(cè)系統(tǒng)2024/11/201總體概況2024/11/201總體概況2024/11/201總體概況2024/11/202氣象衛(wèi)星分類由于軌道的不同，可分為兩大類，即：太陽同步極地軌道氣象衛(wèi)星和地球同步氣象衛(wèi)星。前者由于衛(wèi)星是逆地球自轉(zhuǎn)方向與太陽同步，稱太陽同步軌道氣象衛(wèi)星；后者是與地球保持同步運(yùn)行，相對(duì)地球是不動(dòng)的，稱作靜止軌道氣象衛(wèi)星，又稱地球同步軌道氣象衛(wèi)星。在氣象預(yù)測(cè)過程中非常重要的衛(wèi)