电子版（第二版） 雷达气象学

第一章 绪论 1.1 概述 1.2 天气雷达发展历史 1.3 天气雷达工作原理

第三节 天气雷达工作原理

1、雷达工作原理 天气雷达的工作原理 雷达主要组成 与探测性能有关的一些雷达参数

天气雷达的工作原理 基本原理同一般雷达： 定向地向空中发射电磁波列(探测脉冲)，然后接收被气象目标散射回来的电磁波列（回波信号），并在荧光屏（或计算机系统）上显示出来，从而确定气象目标物的位置和特性。(C=3*108m,1sec=106μs) Z Y R H θ φ L X 介绍内容 雷达原理主要组成 拉饿大定向安放社电磁波在大气中近似光速传播。遇到目标物反射部分电磁波能量，这信号称回波。目标物 天气雷达有不同工作波长，探测不同对象来获得不同信息。 雷达工作 R雷达实测距离 L雷达回波距离 H雷达回波高度 XYZ R雷达实测距离, R=1/2Cδt L雷达回波距离, L=Rcos(θ ) H雷达回波高度, H=Rsin(φ ) φ= 方位角，θ=仰角， δt= 往返时间

雷达的测距原理 雷达根据从开始发射无线电波到接收到目标物回波的时间间隔，来测定目标与雷达之间的距离。 为了测定目标物的距离，一般雷达不是连续发射电磁波而是每隔一定的时间作一次短时间的发射。这种短时间发射的无线电波叫脉冲波或简称无线电脉冲。

测距公式 时间是秒 基本公式： 时间是微秒 公里 C=3*108m,1sec=106μs

雷达的测角原理 雷达测量目标的方位角和仰角是依靠雷达天线的定向作用去完成的。定向天线的特点是它辐射的电磁波能量只集中在某一个方向上，此时，其他的方向上没有或只有很少的发射能量。 　　要精确地测出目标的方位角和仰角，就要求发射天线和接收天线同时指向同一目标。因此，在雷达工作过程中，要求接收天线必须与发射天线严格地同步运行，所以天线的传动系统十分复杂。在现代的脉冲雷达系统中，实际上是用同一个定向天线完成发射和接收的双重任务的。

雷达主要组成 常规天气雷达的组成

现代天气雷达系统框图

1、定时器 定时器是雷达的“指挥中心。它实际上是一个频率稳定的脉冲信号发生器。定时器每隔一定的时间间隔发出一个脉冲信号，它触发发射机，使发射机定时地产生强大的高频振荡脉冲并使阴极射线管同时开始作时间扫描。

２、发射机 在定时器的控制下，发射机每隔一定的时间产生一个很强的高频脉冲，通过天线发射出去。

天线反射器，把来自辐射喇叭的脉冲电波，以很小的张角高度定向地向外反射。 ３、雷达天线 雷达天线的作用是定向地辐射高频脉冲波和接收来自该方向的回波。气象上使用的雷达天线一般由两部分组成： 天线辐射喇叭，把发射机产生的高频脉冲能量向外辐射。 天线反射器，把来自辐射喇叭的脉冲电波，以很小的张角高度定向地向外反射。

４、天线传动装置 天线传动装置主要包括两个部分，一部分是天线的转动系统，一部分是同步系统。天线转动系统的作用是：（1）使天线绕垂直轴转动，以便探测平面上的降水分布，或漏斗面上降水、云的分布；（2）使天线在某一方位上作上下俯仰，以便探测云和降水的垂直结构和演变。 天线同步系统（也叫伺服系统）的作用是：使阴极射线管上不同时刻时间扫描基线的方位、仰角和相应时间天线所指的方位、仰角一致（即同步），从而使雷达荧光屏上出现的目标标志（用亮点或垂直偏移表示）的方位、仰角就是目标相对于雷达的实际方位、仰角。

５、天线转换开关 因为雷达发射和接受的都是持续时间极短（微秒量级）、间歇时间很长（千微秒量级）的高频脉冲波，这就有可能使发射和接收共用一根天线。天线转换开关的作用是：在发射机工作时，天线只和发射机接通，使发射机产生的巨大能量不能直接进入接收机，从而避免损坏接收机；当发射机停止工作时，天线立即和接收机接通，微弱的回波信号只进入接收机。

６、接收机 雷达接收机的作用是将天线接收回来的微弱回波信号放大并变换成足够强的视频信号送往显示器产生回波标志。

７、显示器 由于需要重点了解的情况不同，天气雷达经常使用的显示器有： 平面位置显示器（PPI） 距离高度显示器（RHI） 显示器是把雷达探测到的云、雨等目标及其相对于雷达的坐标位置(方位、距离、高度)、回波强度等显示出来的装置。 由于需要重点了解的情况不同，天气雷达经常使用的显示器有： 平面位置显示器（PPI） 距离高度显示器（RHI） 等高平面位置显示器（CAPPI）

平面位置显示器(PPI) 当天线仰角为００，天线围绕铅直轴转动时，平面位置显水器表示的是波束扫描平面上的降水分析。 平面位置显示器是天气雷达应用得最多显示器，简称平显，也叫PPI (Plan Position Indicator)。 当天线仰角为００，天线围绕铅直轴转动时，平面位置显水器表示的是波束扫描平面上的降水分析。

距离高度显示器(RHI) 为了了解云、雨的形成和垂直结构情况，在天气雷达上还有一种常用的显示器——距离高度显示器。距离高度显示器简称高显或RHI(Rang Height Indicator)。在高显中，横坐标表示云、雨目标的斜距，纵坐标是云雨目标的高度。

距离仰角显示器(REl) 距离仰角显示器是显示云和降水的垂直结构的显示器。由于距离高度显示器只能在低仰角下使用，如711雷达和7l3雷达在作距离仰角显示时，天线的最大仰角只分别为32０和29０，这样的仰角看不到近距离天顶附近的云雨情况，为了解近距离天顶附近的云雨情况和结构，某些天气雷达(国产713雷达)可以作“距离仰角显示”，这种显示器简称为REI (Rang Elevation Indicator) 横坐标为距离，纵坐标为高度，垂直坐标尺度和水平坐标尺度一样，因此它没有距离高度显示器那样出于两个坐标尺度不一样而引起的失真。

等高平面位置显示器(CAPPl) 平面位置显示器只是在仰角为０时得到降水目标的平面分布，仰角大于０时得到的是一个远处高近处低的漏斗面上的云雨分布。为了解不同高度上的云和降水分布，了解降水发生发展的三度空间情况，人们使用了 “等高平面位置显示器”，简称CAPPI(Constant Altitude PPl)。等高平面位置显示器能够显示不同高度平面上的云雨分布

与探测性能有关的一些雷达参数 １、波长 微波范围内不同波长的雷达性能仍然有很大的不同。例如波长为10厘米的雷达通常只能探测到雨探测不到云，而波长在1厘米左右或波长更短的雷达则能够探测到云。但随着波长从10厘米缩短到3厘米以下电波在云雨中传播时道到削弱的程度迅速增加，影响雷达探测远处的云和降雨。

２、脉冲宽度和脉冲长度 发射无线电脉冲波的持续时间叫脉冲宽度，脉冲波在空间的长度叫脉冲长度。

我国新一代天气雷达（S波段）有两个脉冲宽度：短脉冲（1.57μs）和长脉冲（4.71μs） 用τ表示脉冲宽度，h表示脉冲长度，仍用c表示电波在空间的传播速度，则脉冲长度和脉冲宽度之间的关系是: h=τ c 气象上使用的雷达脉冲宽度在0.1微秒到几微秒之间，711雷达和713雷达的脉冲宽度分别为1微秒和2微秒，可以求得711雷达相713雷达的脉冲长度分别为300米和600米。 我国新一代天气雷达（S波段）有两个脉冲宽度：短脉冲（1.57μs）和长脉冲（4.71μs）

我国新一代天气雷达（S波段）的脉冲重复频率在短脉冲(1μs)是300-1300HZ；在长脉冲(4μs)是300-450HZ。 3、脉冲重复频率与脉冲重复周期 脉冲重复频率是每秒钟雷达发射脉冲波的次数。两个相邻脉冲波之间的时间间隔叫做脉冲重复周期。用F表示脉冲重复频率，T表示脉冲重复周期，它们之间互为倒数关系： 我国新一代天气雷达（S波段）的脉冲重复频率在短脉冲(1μs)是300-1300HZ；在长脉冲(4μs)是300-450HZ。 711脉冲重复周期和脉冲宽度

弊：脉冲重复频率高的雷达，其最大作用距离比较小 脉冲频率的确定 脉冲重复频率高好吗？ 利：一定时间内雷达接收到的回波信号多，有利于在短时间内得到比较准确的平均回波强度，有利于雷达的定量测量和定量应用，同时荧光屏上显示的回波也比较明亮清晰。 弊：脉冲重复频率高的雷达，其最大作用距离比较小 711雷达的重复频率为400Hz，它的最大探测距离设计为300公里； 713雷达的脉冲重复频率为200Hz，它的最大探测距离设计为600公里。

4、脉冲功率和平均功率 平均功率是指脉冲功率在其重复周期内的平均值。用Pt表示脉冲功率， 表示平均功率，有 脉冲功率是指发射机发射脉冲波期间产生的高频功率。脉冲功率也叫峰值功率。脉冲功率大，雷达接收到来自云雨的回波比较强，雷达可以探测比较远、比较弱的目标。 平均功率是指脉冲功率在其重复周期内的平均值。用Pt表示脉冲功率， 表示平均功率，有

答：30瓦 问：711雷达的脉冲功率是75千瓦，脉冲宽度为1微秒，重复周期为2500微秒，问711雷达的平均功率多大？ 我国新一代天气雷达（S波段）发射机 的脉冲峰值功率≥750kW

5、方向性图与波束宽度 为了表示雷达天线发射相接收电波能量的方向性，可以绘制雷达天线辐射的方向性图和定义一个表示天线方向性的参数—波束宽度。 后向散射 θ Pm/2 Pm 为了表示雷达天线发射相接收电波能量的方向性，可以绘制雷达天线辐射的方向性图和定义一个表示天线方向性的参数—波束宽度。

方向性图 表示天线向外辐射电波能量方向性情况的图叫方向性图 所谓定向辐射是相对的，实际上定向天线只是在某一方向辐射最强，在其它方向辐射能量相对地很少。 根据天线的互易定理，天线作为发射天线时的方向性，也就是它作为接收天线时的方向性，这就是说在辐射最强的方向上天线的接收能力也最强。

波束宽度 为了定量地表示天线辐射能量的定向程度，可以用方向性图上主波瓣最大辐射方向两侧，辐射能量为最大辐射能量一半的两个矢量之间的夹角的大小来表示，该角叫波束宽度。 方向性图的实际形状和波束宽度的大小决定于天线的形状、大小、雷达工作波长、以及辐射源馈入的形式。 水平波束宽度和垂直波束宽度

不同反射器产生不同形状的波束

波束宽度与回波失真及切向分瓣率的关系 设波束的半功率边缘接触到降水区时，雷达荧光屏上开始出现回波亮点，降水区在切线方向上的回波区会被夸大。 波束宽度引起的切向 失真示意图

切向分辨率 切向方向上两个目标能够被分辨的最小距离。两块降水区之间切向分辨率将是： 是一种可能情况，不代表所有的情况 按照这一关系，对于水平波束宽度为1.5度的711雷达在50公里和100公里距离上切向分辨率将是1.3和2.6公里。实际上由于阴极射线管上电子流的亮点本身也有一定的直径(在50—100公里问约占0.5公里)，切向方向不能分辨的距离比上面计算出来的数值还要大一些。

波束宽度的确定？ 波束宽度窄的雷选定方位和仰角的精度高(即测高精度高)、回波区切向失真小、切向分辨率高。 波束太窄不利于捕捉空间目执，并且以后还会看到，它也不利于探测比较弱的云和降水，不利于比较精确的测量平均回波强度， 因此，在气象上只能采取折衷的波束宽度。 我国新一代天气雷达（S波段）的天线直径9米，波束宽度小于1°

6、天线增益 定义：定向天线最大辐射方向上的功率密度和天线各向均匀辐射能量时同一距离上功率密度的比值。天线增益数值越大，表示天线定向辐射的能力越强。 不考虑发射机产生的电波功率在雷达机内传按时损耗的天线增益叫理想增益。考虑了上述功率在雷达机内损耗后求得的天线增益叫“有效天线增益”。 711雷达的天线增益为104或40分贝，713雷达的天线增益为6.31×108一1.78×104或38—42.5分贝。 我国新一代天气雷达（S波段）的天线增益≥44dB(2800MHZ)

7、接收机灵敏度 接收机的灵敏度表示了接收机接收微弱信号的能力。可以用最小可测回波强度来表示，也可以用噪声系数来表示。最小可测回波强度是雷达能够探测的最小回波强度。噪声系数的定义是接收机输入端的信噪比和接收机输出瑞信噪比的比值。 噪声系数 信号/噪声(输入端) 信号/噪声(输出端) 我国新一代天气雷达（S波段）接收机最小可测灵敏度≤-107 dbm(1μs)，≤-113dbm(4μs)。雷达的探测能力在200公里处探测到的最小回波强度不大于-7dBZ。

雷达站址环境要求 (一) 雷达站址周围无高大建筑物、高大树木、山脉等遮挡。在雷达主要探测方向上(天气过程的主要来向)的遮挡物对天线的遮挡仰角不应大于0.5° ，其它方向的遮挡角一般不大于1° 。建站时应绘制四周遮挡角分布图，以及距测站1千米高度和海拨3千米、6千米高度的等射束高度图。 (二) 雷达站周围不能有电磁干扰。 (三) 雷达站应具备必要的水、电、路及人员生活基本条件，具有自身供电能力。 (四) 雷达站必须具有防雷设施，有效保护雷达和人员安全。

观测模式 圆锥扫描模式 雷达天线在仰角不变，方位进行360° 的连续扫描称为圆锥扫描，也称平面位置显示(PPI)观测。 垂直扫描模式 雷达天线方位角不变，仰角进行0-30° (或更高)的上下扫描称为垂直扫描，也称为距离高度显示(RHI)观测。 立体扫描模式 选定的多个不同仰角圆锥扫描的集合称为立体扫描（VOL）。立体扫描一般选用大于200千米的距离档，从0° 仰角开始作圆锥扫描，完成一个圆锥扫描后，依次抬升仰角，进行多次圆锥扫描。

观测时次 天气雷达观测采用北京时。计时方法采用24小时制，日界从零点零分零秒为一天的开始时间；计时精度为秒，观测资料的记录时间从00:00:00到23:59:59。观测用的钟表和计算机每天至少对时一次，保证走时准确。 全国定时观测时段 (一) 北京、天津、河北、山西、内蒙、辽宁、吉林、黑龙江、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆、西藏从5月1日-10月5日。 (二) 上海、江苏、安徽、山东、河南、湖北、四川、云南、贵州、重庆从4月1日-10月5日。 (三) 浙江、江西、湖南、福建、广东、广西、海南从3月1日-10月5日。 (四) 除上述全国定时观测时段外，各省(区、市)应该制定适合本省(区、市)情况的恶劣天气观测规定。 全国定时观测时间为8时、11时、14时、17时、20时、23时。除上述6次全国定时观测外，各雷达站应根据当地气象服务需求，增加观测时次或进行加密观测、跟踪观测。

观测模式 1、圆锥扫描模式 (一) 雷达天线在仰角不变，方位进行360° 的连续扫描称为圆锥扫描，也称平面位置显示(PPI)观测。 (二) 用圆锥扫描作定量强度、速度观测，转速不超过每分钟2圈，警戒观测可适当提高转速。 2、垂直扫描模式 (一) 雷达天线方位角不变，仰角进行0-30° (或更高)的上下扫描称为垂直扫描，也称为距离高度显示(RHI)观测。RHI图像中横坐标(表示距离)和纵坐标(表示高度)的标尺分辨率不同，纵坐标分辨率放大，以利于分析降水云体的垂直结构。 (二) 垂直扫描的天线俯仰速度要求均匀，俯仰速度不超过每秒3°，径向数据的采样间隔小于0.2° 。

3、立体扫描模式 (一) 选定的多个不同仰角圆锥扫描的集合称为立体扫描（VOL）。立体扫描一般选用大于200千米的距离档，从0° 仰角开始作圆锥扫描，完成一个圆锥扫描后，依次抬升仰角，进行多次圆锥扫描。 (二) 立体扫描根据不同的观测对象和目的，选择不同圆锥扫描的个数和仰角间隔。仰角选取的原则是在低仰角下间隔较小，高仰角下间隔较大。 (三) 海拔3千米高度上的雷达拼图采用的立体扫描，一般由0°、0.5°、1.0°、1.5°、2.0°、2.5°等6个仰角的圆锥扫描组成。 (四) 局部对流性降水的立体扫描一般由0°、0.5°、1.0°、1.5°、2.0°、2.5°、3.0°、4.0°、5.0°、6.0°、8.0°、10.0°、12.0°、15.0° 等14个仰角的圆锥扫描组成。 (五) 大面积强降水的立体扫描一般由0°、0.5°、1.0°、1.5°、2.0°、3.0°、4.0°、5.0°、6.0°、8.0°、10.0°、13.0°、16.0°、19.0°、22.0°、25.0° 等16个仰角的圆锥扫描组成。 (六) 各地可根据实际情况对圆锥扫描个数和仰角作适当调整。

基本观测步骤 第二十一条 雷达接通电源前，检查电源电压、天线位置、收发机机柜门、伺服系统及各个保险开关是否处于正常工作状态，注意天线附近是否有人，防止天线转动和微波辐射对人体的伤害。 第二十二条 启动雷达，按照雷达说明书的要求对雷达进行预热。启动计算机，检查系统中各项设置是否符合观测要求。检查雷达各分机是否处在正常工作状态，转动天线，使天线处于低仰角位置上。 第二十三条 雷达加高压后，先进行0° 仰角(或最佳仰角)的PPI观测。根据地物回波或晴空下的速度回波检查雷达工作是否正常，重点判断发射机、接收机、信号处理器以及计算机工作状态是否正常。发现异常情况，及时调整、检查。然后选择观测模式进行观测。 第二十四条 值班人员必须注意回波演变，监视重要天气的发生发展。认真填写观测记录，保证记录的完整性。及时存储数据，生成和传送规定产品。 第二十五条 关机时，先关高压，然后把天线调整到规定位置，再依次关闭计算机及雷达各种电源。

观测方式 定时观测 (一) 定时观测是全国组网天气雷达观测的基本任务。 (二) 定时观测采用立体扫描观测模式。 (三) 定时观测必须严格按照规定时间进行。正点前15分钟开始采样，采样结束后对数据进行处理，生成各种规定产品，于正点前上网或发送。 (四) 定时观测因故不能正点进行时，30分钟以内的及时进行补充观测。超过30分钟的也要进行补充观测，但不发送拼图文件。 (五) 定时观测与其它观测在时间上冲突时，以定时观测替代其它观测。

组网拼图观测 (一) 组网拼图观测是按照全国或区域雷达拼图业务要求进行的观测。 (二) 拼图观测的时段和时次，按拼图规定执行。 (三) 在非定时观测时间的组网拼图观测，在规定时间前10分钟开始采样，规定时间前发出拼图文件。 (四) 组网拼图观测与非定时观测的其它观测重叠时，采用层次较多的立体扫描模式；采样观测时间可适当提前，采样结束后必须生成拼图文件，按拼图要求传送。 (五) 拼图数据采用海拨3千米高度上的等高平面位置显示(CAPPI)反射率因子的分贝值(dBZ)。海拨高度在3千米以上的雷达站用最佳观测仰角的PPI代替。

本地天气警戒观测 (一) 本地天气警戒观测主要目的是监测灾害性天气，为发布灾害性天气警报和短时灾害性天气预报服务。 (二) 本地天气警戒观测的主要对象是暴雨、冰雹、龙卷、飑线、雷雨大风、台风和热带气旋等。本地天气观测采用加密观测、跟踪观测两种方式。 (三) 加密观测是在定时观测的基础上，加密到每隔一小时或半小时一次的观测。300千米内发现回波，应加强警戒，每小时观测一次；200千米内发现大于40dBZ的回波，每半小时观测一次。 (四) 跟踪观测是在加密观测的基础上所进行的连续不断的观测。发现大于45dBZ的回波应进行跟踪观测。台风观测根据有关规定进行。 (五) 层状云降水加密观测每小时一次，混合性降水加密到每半小时一次，强风暴天气采用连续跟踪观测。 (六) 根据上级有关部门加密观测指令或临近雷达站灾害性天气信息进行本地天气警戒观测。 (七) 发现灾害性天气及时向上级部门和有关单位报告。

专项服务观测 (一) 为特定目的（如人工影响天气、科学研究等）开展的天气雷达观测称为专项服务观测。 (二) 专项服务的观测方法、资料收集和传输方式根据专项服务的需求确定。

2005/5/19~20

本章结束 谢谢大家！