天氣雷達工作原理以及系統組成唐順仙成都信息工程大學2024.11.04目

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雷達工作原理0

雷達系統組成

雷達工作原理

雷達原理l

Radar——Radio

Detection

And

Ranging，即無

線電探測與測距。l

雷達是利用目標對電磁波的反射或散射現象來發現目

標并測定其位置的。l

雷達的早期任務為探測和測距。l

現代任務除獲取目標的距離、角度等基本信息外，還

包括測速、跟蹤、成像和識別等。雷達原理雷達的波段l

HF

3-30MHzl

VHF

30-300MHzl

UHF

300-1000MHz（420-450MHz，890-940MHz）l

L

1-2GHz（1.215-1.4GHz）l

S

2-4GHz（2.3-2.5GHz,2.7-3.7GHz）l

C

4-8GHz（5.25-5.925GHz）l

X

8-12GHz（8.5-10.68GHz）l

Ku

12-18GHz（13.4-14GHz,15.7-17.7GHz

）l

K

18-27GHz（24.05-24.25GHz）l

Ka

27-40GHz（33.4-36GHz）l

mm波

40-300GHz雷達原理l激光雷達l注：括號中為國際電信聯盟分配的雷達頻段。氣象雷達的波段天氣雷達l

S波段：2.7-3.0GHzl

C波段：5.3-5.7GHzl

X波段：9.3-9.5GHz云\霧雷達l

Ka波段：35GHzl

W波段：94GHz風廓線雷達l

L波段：1270-1375MHz（邊界層）l

UHF波段：440-450MHz（對流層）l

VHF波段：46-68MHz（平流層）測風雷達……雷達原理天氣雷達頻率（波長）選擇l不同形態的目標，例如液態水滴（雨）和固態粒子（雪或雹），對于不同波長的電磁波，其衰減特性和

后向散射特性，具有明顯的不同。l頻率越低、波長越長，衰減越小、穿透能力越強，適

合探測的目標尺度越大，設備尺寸越大。l頻率越高、波長越短，衰減越大、穿透能力越弱，適

合探測的目標尺度越小，設備尺寸越小。l頻率的選擇，取決于探測目標的宏觀和微觀特性的不

同。雷達原理極化和雙偏振天氣雷達天氣雷達的偏振特性l單偏振：水平線極化（偏振）l雙偏振：水平、垂直雙線極化（偏振）雙偏振天氣雷達體制l交替收發：單發射機（開關切換），雙發射機l

同時/交替收發：單發射機（功分加開關），雙發射機雷達原理同時收發：單發射機（功分）電磁波極化l水平極化和垂直極化：l

以地面為參考，當電場方向與地面平行時，稱為水平極

化，與地平面垂直時，稱為垂直極化雷達原理雷達原理雙極化雷達可以用于探測云層和降雨過程中的物理特性,如雨滴

大小、形狀和密度等。這有助于氣象學家更好地了解天氣系統

的形成和演變過程,為天氣預報提供更準確的數據。代表產品:

（CC、ZDR、LDR）雷達極化的意義雷達原理目標的空間位置目標信息R

=

tr雷達提取A

α,β

≥

Aα

t

,

β

t

高分辨力雷達原理回波延時Rmax

<

tr回波延時

多普勒頻移空間

位置尺寸和形狀速度天線掃描多普勒頻移距離方位仰角I雷達原理距離的測量目標距離的測量ARB雷達原理強度的測量后向散射發射接收單位體積總反射截面積最小可

檢測信號天線波束寬度最遠探測距離天線增益發射功率工作頻率氣象雷達方程16

天線增益Gt

=

平均輻射強度點目標的雷達方程-過程推導光線集中照射在指定位置的墻壁上情景示意光線均勻照射在四周的墻壁上最大輻射強度發射17O

點：

點目標的雷達方程-過程推導后向散射和接收

雷達后向散射截面積

天線有效接收面積：G兀點：.σiAAO18兀兀兀兀t

.Gt

.

雷達方程體目標程要明確：

最小分辨體積

粒子群的后向散射截面積氣象目標屬分布式目標范疇，回波強度是分辨體積內所有粒子后向散射的疊加。因此，與點目標雷達方程相比較，解析氣象目標的雷達方氣象體目標雷達方程-推導過程19

-----"俯仰角度分辨力：(R.θ)方位角度分辨力：(R.φ)氣象體目標雷達方程-推導過程徑向距離分辨力（1）最小分辨體積

V??(

)|(

σi,20氣象雷達方程

.Gt

.

!

確定最小分辨體積后：21確定降水粒子散射特性后:

滿足瑞利散射時，有：

m為復折射指數，對于厘米波段，當溫度在0~20度時水態時：

K

2

=

0.93冰態時：

K

2

=

0.2022

定義反射率因子后：

|

K

|2

單

積σi

單

∵反射率因子的定義2ln2為高斯形天

線波束的修正值Z

=

Σ

Di

6單位體積??23對于大雨和小雨，它們的Z值可能相差好幾個數量級。因此，我們一般對它取對數，習慣上用dBZ來表示反射率因子的大小，即dBZ=10

*

lg

Z

C為雷達常數，只與雷達系統的參數和降水相態有關；

定義雷達常數后：雷達常數C24云滴半徑：只有5~10um，

最大也不超過50um雨滴半徑：

一般都在0.25~1.5mm之間，其中

以0.35~0.45mm范圍內為

最多。也有大于2mm的，

但當半徑大于3mm時水

滴有時會在氣流作用下

發生破裂。1432110101010雨滴譜與Z的關系：雨滴數（

/0

4

mm

）2.N

i

D

分

布i6.粒

子

大

小

分

布強度產品的顯示反射率因子一般用dBz表示，其反映了天氣目標內部降水粒子的尺度和數密度，常用來表示氣象目標的強度。26多普勒效應是奧地利數學家和物

理學家克里斯蒂安·多普勒于1842年首先從運動著的發聲源中

發現的現象。定義：

“當接收者或接收器與能

量源處于相對運動狀態時，能量

到達接收者（器）時頻率的變化”。雷達原理ChristianAndreas

Doppler（1803-1853）多普勒效應和應用下擊暴流多普勒天氣雷達雷達原理災害性天氣龍卷雷雨大風臺風收發開關天線發射機接收機多普勒天氣雷達的框圖產品顯示器信號處理器目標多普勒頻率由相對運動造成的頻率變

化稱為多普勒頻移，頻移

量稱作多普勒頻率雷達原理雷達發射信號：st

(t)=A0

.

cos(2πft

.

t+

φ0

)

距雷達

R0處

靜止

目標

.

cos

的回波信號為：

=A1

.

cos

朝向雷達的

運動

目標回波信號的延遲則為：

Δt=

2(R0

?

vr

.

t)

/c

點目標速度測量的原理運動目標與雷達間的距離是隨時間變化的其回波信號為：31點目標速度的測量

多普勒頻率

習慣上規定目標朝向雷達運動時vr為負，遠離雷達運動時vr為正。=0

，則

fd

=0。≠

0

，則

fd

∞

vr

。

1

λ公式表明：

（1）若（2）若（3）

fd目標的徑向運動速度多普勒天氣雷達波長vr

vr∞32徑向速度（m/s）波段/波長（cm）X波段/3.2C波段/5.5S波段/10.0

0.16421.062362010.0625364200100.0

625036362000波長越短，相同

徑向速度產生的

多普勒頻率越大不同波長、不同徑向速度的多普勒頻率表（單位：

Hz）33氣象目標屬分布式體目標范疇，其回波信號為分辨體積內所有粒子后向散射信號的疊加。

氣象體目標速度測量的原理34氣象目標譜參數估計因氣象數據量較大，為滿足實時處理要求，常采用PPP

（脈沖對處理）

方法經典譜估計現代譜估計過程先驗信息建模近似實際的模型頻譜估計法自相關法（1）氣象目標譜參數估計方法ARMAARMA

熵估計VPCSPCPPPFFT35PPP(Pulse-Pair

Processing):脈沖對處理，通過測量相繼返回的脈沖對

之間的相位差來確定目標徑向速度。關鍵：①

發射信號相位相參：初始相位確定②

多對脈沖進行統計：減小測速誤差（2）

PPP方法——原理發射脈沖相位

接收脈沖相位

q=q,+4Tr1d接收脈沖相位

發射脈沖相位

P=P脈沖2脈沖131312332VV2211基準頻率

振蕩器相干

振蕩器大功率射頻

放大器混頻器穩定本機振蕩器波形發生器脈沖波（2）

PPP方法——發射信號相位相參發射機（2）

PPP方法——公式推導①

假定每個脈沖發射時的初始相位為：φ0②

第一個脈沖遇到距離

r1

處目標的回波相位為：

③

經脈沖重復周期PRT后，第二個脈沖發出并遇到目標，該目標與雷達的距離為

r2

=

r1

+

Δr,

Δr=

vr

.

PRT

，則第二個脈沖的回波相位為：

④

相繼返回的兩個脈沖間的相位差為：Δφ

=⑤

求得目標的徑向速度為：vr

=

這個速度圖是正確的么？（3）

天氣雷達回波速度圖（1）最大不模糊速度最大不模糊速度是雷達可準確測出的最大徑向速度。多普勒天氣雷達能夠不模糊地測量的最大脈沖對相移為180°。當目標的徑向速度大于最大不模糊速度時，就會產生模糊。那么，為什么多普勒雷達能夠測量的最大脈沖對相移是180°

呢？由

得：vmax

=

模糊速度的產生Δφ=?(兀

+

a)=?2兀+(兀

?

a)4兀

.

Δr

aλ

兀兀

?

a

=

λ

→

Δr

=

(1

?

兀)

.

4相繼返回的兩個脈沖間相位差為：

Δφ

=

若目標

遠離

雷達運動Δr>0,

Δφ

>

0若目標

朝向

雷達運動Δr<0,

Δφ

<

0在PRT

內，遠離

雷達

方向移動不到的距離在PRT

內，朝向

雷達

方向移動超過了的距離當Δφ>

兀

時，對于朝向雷達運動的物體，相位探測元件無法分辨（2）

最大脈沖對相移是180°

??(兀

+a)=

→Δr=?

(1

+

)4兀

.

Δra

λλ/4λ/4λ.4因相位探測元件無法分辨相差為

2兀

整數倍的相位間區別，為避免速度測量的不確定性，規定相位差變化范圍為[?兀,兀]

，對應的速度測量范圍為[?Vmax,Vmax

]若目標徑向速度Vr大于最大不模糊速度Vmax，會產生多次速度折疊：

（3）模糊的速度與真實徑向速度間的關系

雷達圖上讀

出的速度

速度折疊

次數

實際速度3)找突變邊界：徑向速度

從正（負）最大值突變為

負（正）值2)由零速度區逐漸向鄰近

區域（徑向擴展）搜索Vtrue=20-2×1

×27=20-54=-34

m/s1)滿足風速連續性原則Vr=20

m/s速度模糊的主觀識別多普勒效應和應用多普勒效應對于雷達的意義l

當雷達和目標之間發生相對運動時，會引起電磁波

頻率（波長）發生改變。l發射信號與回波相比，頻率（波長）的提高（減小）

或降低（增加），與相對運動的方向（接近或遠離）

有關。l發射信號與回波相比，頻率（波長）的提高（減小）

或降低（增加）量，與相對運動的方向速度存在比

例關系。多普勒雷達局限性l只能識別和測量徑向運動。雷達原理結論：利用多普勒原理可以

使雷達具有識別目標

的運動，并且測量徑

向速度的能力，這樣

的雷達稱為多普勒雷

達。多普勒速度S波段C波段X波段對應風速等級3GHz5.46GHz9.37GHz10cm5.5cm3.2cm0.1m/s2Hz4Hz6Hz0級0~0.2m/s1.0m/s20Hz36Hz62Hz1級0.3~1.5m/s5.0m/s100Hz182Hz313Hz3級3.4~5.4m/s10.0m/s200Hz364Hz625Hz5級8.0~10.7m/s20.0m/s400Hz727Hz1250Hz8級17.2~20.7m/s35.0m/s700Hz1273Hz2188Hz12級32.7~36.9m/s55.0m/s1100Hz2000Hz3438Hz16級51.0~56.0m/s雷達原理多普勒頻率與徑向速度多普勒效應和應用

雷達原理真實風與徑向風之間的關系

在每個仰角上，沿著雷達向外徑向距離的增加代表了離地高度的增加。

因此，雷達掃描一周便能揭示出從地面直到雷達顯示范圍邊緣高度上的

所有風。多普勒雷達的徑向速度47速度分量：?

Vh：水平風速?Vf

：垂直速度=降落末速度多普勒雷達的徑向速度vr

(θ)=

vh

(θ)cosαcos(θ?θ0

)

?

vf

(θ)sinα雷達的坐標系：方位角、仰角，

距離48某點的徑向速度為零，實際上包含兩種情況：①

該點處的真實風向與該點相對于雷達的徑向垂直。

②

該點的真實風速為零，那里的大氣運動速度極小或處

于靜止狀態。一般情況下，大氣總是處于運動狀態，通過零速度點，應用上述第一種情況，可大致判斷該點附近區域的風向。

零速度點的風向應該是：垂直

該點的徑向，由鄰近的負速度區，吹向正速度區。

這種判斷風向的方法只適用于風向均勻或風向連

續變化的情況。零徑向速度的意義上述判斷風向的方法對諸如鋒面等風向不連續面就不一定適用，因為

在不連續面上的風速很小，往往顯

示出零速度色標(零速度色標包含了

絕對值較小的正負速度范圍)。是屬

于上述零徑向速度的第二種情況。零徑向速度的意義在該高度點畫出第二步中直線的垂直箭頭，并從趨近雷達的速度(負速度)區域指向遠離雷達的速度(正速度)區域，該箭頭的指向即為該高度所對應的風向。確定要分析的高度，在零速度線上找到

對應此高度的點；畫出該點與雷達

中心點的連線；根據零徑向速度線確定某高度上的風向51根據零速度線確定某高度上的風向52多普勒效應和應用多普勒天氣雷達的兩種形式?全相參多普勒天氣雷達：發射主控信號頻率由穩定的晶

體振蕩器產生，保證發射的高頻相參，它的相參性能好，

地物消除能力強。?半（中頻）相參多普勒天氣雷達：

通過對發射信號采樣，

與本振混頻以及鎖相技術，以保證中頻相參，達到測量頻

率變化，它的相參性能較差，消除地物的能力較差。?非相參（常規）天氣雷達：相對于多普勒天氣雷達而言，

不具有多普勒能力的天氣雷達。雷達原理雷達原理收發開關發射機脈沖（環形器）（磁控管）調制器非相參（常規）天氣雷達接收機

（混頻器）本振幅度檢波天

線↓雷達原理收發開關發射機脈沖（環形器）（磁控管）調制器相位檢波半（中頻）相參多普勒天氣雷達發射采樣

（混頻器）接收機

（混頻器）穩定本振天

線雷達原理接收機

（混頻器）頻率源高穩定度

參考晶振收發開關發射機脈沖（環形器）（放大鏈）調制器相位檢波全相參多普勒天氣雷達天

線天氣雷達掃描方式天氣雷達掃描方式?圓周掃描：PPI（Plan

Position

Indicator）?高度掃瞄：

RHI（Range

Height

Indicator）?體積掃描：VCP（Volume

Coverage

Pattern)?定點掃描：

RTI（Range

Time

Indicator）雷達原理雷達原理天氣雷達掃描方式?PPI（Plan

Position

Indicator）雷達原理天氣雷達掃描方式?RHI（Range

Height

Indicator

）雷達原理天氣雷達掃描方式?RHI（Range

Height

Indicator）雷達原理天氣雷達掃描方式?VCP（Volume

Coverage

Pattern）雷達原理天氣雷達掃描方式?RTI（Range

Time

Indicator）…uI(t)Dn-

D1

D10采樣保持電

路量化編碼電路uI/(t)雷達原理衡量A/D轉換性能的主要指標有：?

A/D轉換位數?信噪比、無雜散動態范圍?孔徑抖動?實現回波數字化的核心器件是A/D

converter.A

/D

轉換的一般步驟:采樣、保持、量化、編碼回波數字化輸入模擬量輸出數字量雷達原理特點：?（1）是在白噪聲背景檢測信號的最佳線性濾波器；?（2）輸出信噪比在某個時刻達到最大。

t0

xo(t)

=

so(t)

+

no(t)|(

S

)(N,omaxy(t)=h(t)

②

xi

(t)Y(W)=X(W)H(W)匹配濾波器h(t)匹配濾波的基本概念xi

(t)

=

si

(t)

+

ni

(t)

雷達原理匹配濾波器概念（a）矩形脈沖波形；

(b)矩形高頻脈沖頻譜；

(c)匹配濾波器特性匹配濾波器輸出的最大信噪比為

max

=

雷達原理舉例雷達原理雷達波形及性質介紹脈沖壓縮由基本雷達方程可知，雷達作用距離與雷達平均發射功率之間呈正比。雷達的距離分辨率與帶寬B關系：deltaR

=

C/2B距離分辨力與脈沖寬度之間關系：deltaR

=

C*pulsewidth/2

對于早期雷達，滿足:

時寬帶寬積為1。由上可知，提高雷達的作用距離有兩條途徑：⑴

提高雷達的發射功率:受發射器件功率容限限制⑵

增大脈沖寬度:

導致距離分辨率降低提高雷達作用距離和提高距離分辨率出現矛盾！雷達原理脈沖壓縮簡介l脈沖壓縮(PC,Pulse

Compression)雷達體制采用寬脈沖發射

以提高發射的平均功率，保證足夠的最大作用距離，在接收機

中設置一個與發射信號頻率相匹配的壓縮網絡、