天气雷达性能对比分析毕业论文(编辑修改稿)

天气雷达性能对比分析毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

射的高频脉冲每秒钟重复出现的次数，用符号 F表示。 脉冲重复频率的高低，直接影响到雷达探测范围的大小。 F越高，显示器荧光屏上显示的回波越 第 5 页，共 25 页 清晰，远距离的目标越容易被发现。 但是， F过高时，雷达的最大探测距离又会受到限制。 脉冲重复周期是相邻两个高频脉冲之间的间隔时间，用符号 T 表示。 脉冲重复周期和脉冲重复频率在数值上互为倒数。 (3)脉冲宽度 711 雷达的脉冲宽度为 1μ s。 脉冲宽度是指一个高频脉冲的持续时间，用符号τ表示。 τ的宽窄，主要影响到雷达的最小探测距离和距离分辨能力。 脉冲宽度越窄，最小探测距离越小，距离分辨能力越强。 (4)脉冲功率和平均功率 711 雷达的脉冲功率为 75W，平均功率为 30W。 脉冲功率就是在高频脉冲持续期间发射机输出的功率，也叫峰值功率，用符号 Pm 表示。 脉冲功率的大小，主要影响雷达的探测范围。 在一定条件下，脉冲功率越大，雷达的探测范围也越大。 平均功率是指脉冲 功率在一个重复周期内的平均值，用符号 Pc表示。 (5)波瓣宽度 前已提及，天线辐射的电磁波能量如同探照灯的灯光一样，集中在某一个方向上形成波束。 它的形状就象花瓣一样，于是人们叫他波瓣，这种图叫波瓣图。 波瓣图上两个半功率点方向之间的夹角θ就是波瓣宽度。 它是用来衡量天线定向发射性能好坏的一个指标。 θ越小，天线的定向性能越好。 711 雷达在垂直方向上的波瓣宽度为 度，在水平方向上的波瓣宽度为 度。 3 新一代多普勒天气雷达介绍 新一代 天气雷达简介 新一代 天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲 式电磁波），它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播，在传播的路径上，若遇到了气象目标物，脉冲电磁波被气象目标物散射，其中散射返回雷达的电磁波（称为回波信号，也称为后向散射），在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等的特征。 在 雷达探测中，气象目标的空间位置是用雷达天线至目标物的直线距离Ｒ(亦称斜距 ),雷达天线的仰角和方位角来表示。 斜距Ｒ可根据电磁波在大气中的传播速度Ｃ和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔来确定。 电磁波在大气中传播速度是略小于它在真空中的传播速度，但对斜距精度影响不大，故近似用 C来表示。 CINRAD 有高的可靠性，支持 24 小时连续运转， 20 年产品寿命周期。 CINRAD的软件更为丰富，在引进 NEXRAD 的各种软件的基础上，还容金了我过近年来的科研成果。 CINRAD 增强了探测强雷暴的能力，能较早地探测到威胁航行的气流和发生灾害性洪水的可能，并为水资源的管理决策提供有价值的信息。 CINRAD/SA天气雷达的主要性能指标见表 第 6 页，共 25 页 表 CINRAD/SA天气雷达主要性能指标 威力覆盖范围 460km 发射机 强度 类型 全相干放大链 S/N=10dB 定量探测范围 230km 频率 27003000MHz 准确度 1dB 峰值功率 750kW 最小 精度 1dB 脉冲宽度 s、 s 平均径向速度 PRF 3181304Hz 当谱宽为 4m/s 且S/N8dB 时 不模糊速度 =50m/s 接收机 准确性 精度 谱宽 短时（ 1S）频率稳定度 =10E9 当谱宽为 4m/s 且S/N》 10dB 时 准确性 精度 45dB 最 小探测范围（当 S/N=0dB,目标位于 50km 时） 波束宽度 = 度 杂波滤波器 忧于 50dB 第一旁瓣电平 =27dB CINRAD/SA 天气雷达系统工作原理 多普勒效应是澳大利亚物理学家 年首先从运动着的发声源中发现的现象，多普勒天气雷达的工作原理即以多普勒效益为基础，具体表现为：当降水粒子相对雷达发射波束相对运动时，可以测定接收信号与发射信号的高频频率之间存在的差异，从而得出所需的信息。 运用这种原理，可以测定散射体相对于雷达的速度，在一 定条件下反演出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况等。 天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波），它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播，在传播的路径上，若遇到了气象目标物，脉冲电磁波被气象目标物散射，其中散射返回雷达的电磁波（称为回波信号，也称为后向散射），在荧光屏上显示出气象目标的空间位置等的特征。 CINRAD/SA 雷达系统框图见图。 整个雷达系统包括三大组成部分：雷达数据采集 RDA，产品生成 RPG 和产品显示 PUP。 雷达数据采集 RDA 这部分由天线、馈线系统 、发射机、接收机、信号处理机和雷达监控主机组成，完成微波的产生、功率放大、发射、空域扫描、回波接收、放大、正交解调、模数变换、数据采集、杂波滤除、信息提取、平滑滤波等功能。 雷达工作前的系统标定，雷达工作过程中的参数检测，以及工作方式、工作状态的设定等，也在这里完成。 第 7 页，共 25 页 图 CINRAD/SA雷达系统框图 产品生成 RPG RPG 主要负责接收 来自 RDA 的基本数据，通过一系列的气象算法，形成多种图形、图象、字母数字气象产品。 产品显示 PUP 通过各种通信手段，将生成的各种气象应用产品传送分发至不同需要的用户端，并直观的显示出来。 主要功能是接收 RPG 生成的产品和雷达状态信息，以图象、图形方式提供给预报分析人员。 多普勒雷达的优越性 （ 1）常规天气雷达只能得到天气系统的雷达回波分布和强度信息，而多普天线 /天线罩 大口径 低付瓣 全天候 接收机 相干稳定频率源 线性通道 对数通道 干扰检测 测试信号源 发射机 全相干 大功率 频谱控制 信号处理机 强度信号处理 多普勒信号处理 杂波滤除 雷达监控 雷达控制 伺服控制 数据传输 参数标定 故障诊断 存 档 A 卫星通道 产品生成 气象产品生成 系统控制 E1/T1 宽带传输 存档 B 单元控制台 系统管理 状态显示 控制指令 主用工作站 RHI、 PPI 控制 图象 /图形显示 文本信息显示 人机交换 辅用户工作站 图象 /图形显示 文本信息显示 人机交换 本地 /远程 局域网 /广域网 第 8 页，共 25 页 勒天气雷达除此之外还能通过产生的多普勒速度场获得风场和谱宽信息，这将显著的增强多普勒雷达监测预报的能力。 （ 2）常规天气雷达对热带气 旋（台风）的监测，主要是根据雷达反射率因子所描绘的“台风眼”几何中心位置的变化来跟踪热带气旋的移动，不能准确的确定台风强度及变化、“台风眼”附近的风害位置和暴风带等有关台风的重要特征。 而多普勒雷达探测资料可以更好地提供反映热带气旋结构特征的信息，明显地改善热带气旋（台风）登陆位置和强度预报的准确性。 （ 3）大气的垂直运动能力反映云和降水的生成以及对流发展的不稳定性，这对雷暴、冰雹等风雹灾害的短时预报极为重要。 目前依赖于常规资料难以准确地进行中尺度天气分析，但大量的实验研究证明多普勒雷达对风和降水具有高分辨率 的四维探测能力，可获得探测范围内垂直速度和散度的局地分布。 这些对准确预报雷暴生成时间、地点是很重要的信息，有助于预报人员改进风暴灾害预报。 （ 4）多普勒天气雷达有能力提供详细的中小尺度天气的观测资料，特别是通过获得的晴空和大范围降水区内的风场资料等信息，对改善地形影响降水的短时预报、监测预报与锋面相关的天气变化、预报雷暴的发展和移动等有重要作用，并可明显提高短期和短时天气预报能力。 4 双偏振雷达（ WSR98D/XD）概述 所谓双线偏振雷达，就是雷达有水平和垂直两个偏振通道，可以同时或交替发射和接收水平和 垂直两种线偏振波。 WSR98D/XD 型脉冲多普勒雷达是 X波段、双极化（同时发射接收） /水平极化、全相参脉冲多普勒雷达，主要用于发现、跟踪和监测 300 公里范围内的雷雨、冰雹、龙卷风等局地强对流天气和降水现象，定量测量 150Km 范围内的降水强度，降水云系的垂直分布、移向移速、谱宽等多普勒参数和双极化参数，为天气预报保障、人工影响天气和大气科学研究提供实时气象信息。 WSR98D/XD 型雷达在监测局地性灾害性、危险性天气，实施人工影响天气作业、部队作战气象保障和飞行气象保障中具有 S 波段和 C 波段天气雷达所无法替代 的独特作用。 下面简单介绍 WSR98D/XD 的工作原理、特点及性能指标。 工作原理 WSR98D/XD 型双极化多普勒天气雷达是利用降水水滴对电磁波的后向散射特性，发现、跟踪降水云系的发生、演变、测定它的空间分布、强度、移向移速；利用多普勒原理和双极化探测方法，测定降水水滴的径向速度、速度谱宽、相态，识别降水性质、降水强度。 功能框图如图 所示。 第 9 页，共 25 页 图 WSR98D/XD功能框图 WSR98D/XD天气雷达的特点 (1)很强的局地性强对流天气目标发现能力，对灾害性、危险性天气预警察时间长。 (2)很强的 BIT 技术和自动标定 校正技术，硬件、软件相结合的全机工作状态监控、故障隔离定位、自动告警、故障保护、安全连锁技术，故障隔离定位时间短，雷达可靠性高、维修好，多普勒参数定量测量精度高。 (3)移植了 CINRAD/SA 多普勒天气雷达的、已经实践验证的雷达产品生成 /显示软件，输出产品丰富，精确度高、实用性强。 (4)先进的同时发射接收双极化探测功能和水平、垂直极化双通道平衡设计、双极化 /单极化转换功能。 (5)注重电磁兼容性设计 (如，整机、分机、机柜以及各种信号的接地、屏蔽、滤波、隔离等 )，提高雷达电磁兼容能力和可靠性。 双极化馈源 /天线 方位旋转关节 数字中频 信号处理器 频率综合器 三极化开关 波导开关 发射机 俯仰旋转关节 俯仰旋转关节 环行器 接收机 产品生成 /显示 接收机 环行器 高 频激 励信 号（频率综合器） 高频起始信号 （信号处理器） 第 10 页，共 25 页 (6)体积小，重量轻，易于改装，适合于实施机动性现场气象保障、大气科学试验和军事行动气象保障任务。 (7)性价比高，费用低，对操作人员和后勤支持要求不高。 主要技术指标 （如表 所示） 表 WSR98D/XD雷达的主要技术性能 工作频率 9420177。 20MHz 测量精度 距离 100m 探测范围 探测能力 方位角 度 强度最大探测距离 ≥ 300Km 俯仰角 度 最大定量探测距离 ≥ 150Km 高度 200m(距离 100km) 多普勒最大厕距 ≥ 150Km 300m(100200km) 高度探测范围 020Km 发射机 脉冲功率 75KW 强度 10dB+75dB 脉冲宽度 /μ s 、 、 速度 177。 30m/s 重复频率 3001055Hz 速度谱宽 016m/s 动目标改善因子 45dB 接收机 噪声系数 中频 带宽 动态范围 灵敏度 ≤ 60MHz ≥ 90dB 110dBm 5 天气雷达对降水的测量方法 探测原理 雷达发射的电磁波照射到天气目标时，一部分电磁波能量被天气目标中的水滴、冰晶等吸收，另一部分被散射，被散射的电磁波中一部分按入射波方向被雷达接收，这一部分散射称为反射。 为表征天气目标的反射能力，通常用目标发射面积σ表示，定义为一个理想的、各向同性的反射面积，它反射到雷达的功率密度与实际目标一致。 对于球型水 滴，当水滴直径 D 远小于雷达工作波长λ时（即 π Ｄ /λ 1） ,则单个水滴的雷达截面积为： σ i=(π 5/λ 4) |(m21)/(m2+2)|2 Di6=(π 5/λ 4)|K|2 Di6 （ 1） 式中 m为水的复折射指数。 雷达探测的降水目标为水滴群，其有效雷达截面积为与波瓣宽度和脉冲宽度所组成的体积中所有水滴的σ i的和 σ =(π 5/λ 4) |K|2∑ Di6 （ 2） 通常用“雷达反射因子” Z表示 ∑ Di6， 它与降水水滴尺寸谱的分布有关， 即 ： σ =(π 5/λ 4) |K|2Z （ 3） 式中 |K|2和物理性质、雷 达波长、环境温度等有关。 对水和冰晶， |K|2与波长和温度的关系很小： 对水晶， |K|2 =； 对冰晶 ， |K|2= （ 4） 反射因子 Z与降水强度的关系为： Z=AIB 其中 A、 B 为经验 常数，其取值与降水类型有关， A的取值范围为 100400； 第 11 页，共 25。