氣象衛(wèi)星與雷達探測

1、2022-5-10氣象雷達與衛(wèi)星探測信息與控制學(xué)院2022-5-10主要內(nèi)容主要內(nèi)容氣象雷達氣象雷達主要主要內(nèi)容內(nèi)容衛(wèi)星探測衛(wèi)星探測2022-5-10氣象雷達氣象雷達（1）雷達發(fā)展概況）雷達發(fā)展概況（2）雷達工作的基本原理）雷達工作的基本原理（3）雷達工作的基本頻率）雷達工作的基本頻率（4）雷達的用途及其分類）雷達的用途及其分類（5）氣象雷達基本原理與概念）氣象雷達基本原理與概念 （6）多普勒天氣雷達）多普勒天氣雷達氣象氣象雷達雷達2022-5-101 雷達發(fā)展史雷達發(fā)展史v起步階段起步階段 （1）1903-1904，克里斯琴，克里斯琴 赫爾斯邁赫爾斯邁耶研制出原始的船用防撞雷達并獲耶研制出原

2、始的船用防撞雷達并獲得專利權(quán)。得專利權(quán)。 （2）1935年，雷達之父沃森年，雷達之父沃森 瓦特出瓦特出版版采用無線電方法探測飛機采用無線電方法探測飛機，當(dāng)年研制出探測距離達到當(dāng)年研制出探測距離達到80公里的公里的米波防控雷達。米波防控雷達。 （3）二戰(zhàn)期間雷達大放異彩。逐步）二戰(zhàn)期間雷達大放異彩。逐步由軍用由軍用民用，雷達在氣象中的應(yīng)民用，雷達在氣象中的應(yīng)用從天氣雷達開始。用從天氣雷達開始。沃森瓦特2022-5-101 雷達發(fā)展史雷達發(fā)展史v發(fā)展階段發(fā)展階段 （1）二戰(zhàn)后，雷達技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展，主要原）二戰(zhàn)后，雷達技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展，主要原因歸于兩個非常重要的器件發(fā)明：因歸于兩個非常重要

3、的器件發(fā)明：T/R（收（收/發(fā)）開發(fā)）開關(guān)和磁控管。關(guān)和磁控管。 （2）收發(fā)開關(guān)使雷達的探測成功地從雙（多）基變）收發(fā)開關(guān)使雷達的探測成功地從雙（多）基變成單基雷達。也就是從發(fā)分別用一個天線，到共用成單基雷達。也就是從發(fā)分別用一個天線，到共用一個天線。大大簡化了雷達系統(tǒng)。一個天線。大大簡化了雷達系統(tǒng)。 （3）磁控管的出現(xiàn)使雷達的探測功率大大提高，從）磁控管的出現(xiàn)使雷達的探測功率大大提高，從而大大提高了雷達的探測能力。而大大提高了雷達的探測能力。2022-5-101 雷達發(fā)展史雷達發(fā)展史v成熟階段成熟階段 20世紀世紀60年代以來，航空、航天技術(shù)、飛機、導(dǎo)彈、年代以來，航空、航天技術(shù)、飛機、導(dǎo)彈

4、、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等對雷達提出了高精度、遠距離人造衛(wèi)星、宇宙飛船等對雷達提出了高精度、遠距離、高分辨率及多目標測量等要求。、高分辨率及多目標測量等要求。 （1）技術(shù)上：脈沖壓縮技術(shù)、單脈沖雷達、相控陣雷）技術(shù)上：脈沖壓縮技術(shù)、單脈沖雷達、相控陣雷達、目標識別、目標成像、達、目標識別、目標成像、SAR、脈沖多普勒雷達。、脈沖多普勒雷達。 （2）結(jié)構(gòu)工藝上：微波高功率放大管，如速調(diào)管。）結(jié)構(gòu)工藝上：微波高功率放大管，如速調(diào)管。 （3）雷達的工作波長：從短波擴展至毫米波、紅外線）雷達的工作波長：從短波擴展至毫米波、紅外線和紫外線領(lǐng)域。在這個時期，微波全息雷達、毫米波和紫外線領(lǐng)域。在這個時期，微波全

5、息雷達、毫米波雷達、激光雷達和超視距雷達相繼出現(xiàn)。雷達、激光雷達和超視距雷達相繼出現(xiàn)。2022-5-102 雷達工作基本原理雷達工作基本原理v雷達：無線電探測和測距，即用無線電方法發(fā)現(xiàn)雷達：無線電探測和測距，即用無線電方法發(fā)現(xiàn)目標并測定他們在空間的位置。目標并測定他們在空間的位置。2022-5-103 雷達工作的基本頻率雷達工作的基本頻率2022-5-103 雷達工作的基本頻率雷達工作的基本頻率2022-5-104 雷達的用途及分類雷達的用途及分類v軍用軍用p 預(yù)警雷達（預(yù)警雷達（發(fā)現(xiàn)洲際導(dǎo)彈，盡早地發(fā)出預(yù)警警報）發(fā)現(xiàn)洲際導(dǎo)彈，盡早地發(fā)出預(yù)警警報）p 搜索和警戒雷達（發(fā)現(xiàn)飛機）搜索和警戒雷達（

6、發(fā)現(xiàn)飛機）p 引導(dǎo)指揮雷達（殲擊機的引導(dǎo)和指揮作戰(zhàn)）引導(dǎo)指揮雷達（殲擊機的引導(dǎo)和指揮作戰(zhàn)）p 火控雷達（控制火炮或?qū)棇罩心繕诉M行瞄準）火控雷達（控制火炮或?qū)棇罩心繕诉M行瞄準）p 戰(zhàn)場監(jiān)視雷達（坦克或軍車）戰(zhàn)場監(jiān)視雷達（坦克或軍車）p 機載雷達機載雷達俄制艦載型的“美洲獅”火控雷達 F-35機載雷達 2022-5-104 雷達的用途及分類雷達的用途及分類v民用民用p 氣象雷達氣象雷達p 航空管制雷達等航空管制雷達等2022-5-104-1 氣象雷達分類氣象雷達分類v按工作原理分類按工作原理分類p 常規(guī)天氣雷達；常規(guī)天氣雷達；p 多普勒雷達多普勒雷達p 雙波長雷達雙波長雷達p 雙偏振雷達雙

7、偏振雷達p 雙（多）基地雷達雙（多）基地雷達v按用途分類，測風(fēng)、測雨、測云等按用途分類，測風(fēng)、測雨、測云等v按體制分類，脈沖、調(diào)頻、多普勒等按體制分類，脈沖、調(diào)頻、多普勒等2022-5-104-1 氣象雷達分類氣象雷達分類v常規(guī)天氣雷達常規(guī)天氣雷達其探測對象主要是降水和含水量較大的云體。這類雷達大多工作在波長為310cm之間的微波波段。它主要由發(fā)射機、接收機、顯示器和天線系統(tǒng)組成。有的雷達還配備有數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以實現(xiàn)彩色回波圖象顯示，回波外推預(yù)報，和回波資料遠距離傳送等功能。天氣雷達對雨區(qū)的有效探測半徑為 300400km。由于探測范圍廣，不受時間限制，并能提供一定精度的定量數(shù)據(jù)等優(yōu)點，已成為

8、臨近天氣預(yù)報的主要工具。 2022-5-104-1 氣象雷達分類氣象雷達分類v多普勒天氣雷達多普勒天氣雷達2022-5-104-1 氣象雷達分類氣象雷達分類v雙波長雷達雙波長雷達同時在兩個不同波長上發(fā)射和接收電磁波的雷達 2022-5-104-1 氣象雷達分類氣象雷達分類v雙偏振雷達雙偏振雷達我國首臺多普勒偏振天氣雷達既能發(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。 2022-5-104-1 氣象雷達分類氣象雷達分類v雙地基雷達雙地基雷達美國?；鵛波段雷達在進行依靠自身動力航行 一般的雷達是單基地的，即發(fā)射機和接收機安裝在一起，且通常共用一個天線。而雙基地或多基地雷達是將發(fā)射機和接收機

9、分別安裝在相距很遠的兩個或多個站址上。它能有效地捕捉雷達反射波，借助高速計算機標繪出隱形戰(zhàn)機飛過時留下的航跡，并預(yù)測之后的航向。 2022-5-104-2 氣象雷達的發(fā)展氣象雷達的發(fā)展v20世紀世紀40年代年代萌芽階段，主要觀測回波的形狀、移動速度、描述回波的形成發(fā)展。v20世紀世紀50-60年代年代定量分析階段，這一階段也是常規(guī)雷達的發(fā)展時期，主要用來分析回波的降水強度和雷達反射率之間的定量關(guān)系。v20世紀世紀70-80年代年代雷達的數(shù)字化發(fā)展時期，將數(shù)字技術(shù)和計算機技術(shù)大量的應(yīng)用氣象雷達。v20世紀世紀80年代后年代后新一代天氣雷達的發(fā)展時期，多普勒雷達、雙波長雷達、偏振雷達、風(fēng)廓線雷達等

10、一大批新型雷達被用于氣象探測。2022-5-104-3 我國天氣雷達發(fā)展我國天氣雷達發(fā)展v我國天氣雷達發(fā)展大致經(jīng)歷了從我國天氣雷達發(fā)展大致經(jīng)歷了從模擬天氣雷模擬天氣雷達達、數(shù)字化天氣雷達數(shù)字化天氣雷達到到多普勒天氣雷達多普勒天氣雷達的三的三個發(fā)展階段。個發(fā)展階段。v未來：雙極化、相控陣、多地基雷達。未來：雙極化、相控陣、多地基雷達。2022-5-104-4 我國新一代天氣雷達布點我國新一代天氣雷達布點2022-5-105 氣象雷達基本原理和概念氣象雷達基本原理和概念2022-5-105 氣象雷達氣象雷達基本原理和概念基本原理和概念v氣象雷達工作原理氣象雷達工作原理 氣象雷達通過方向性很強的天線

11、向空間發(fā)射脈沖無線氣象雷達通過方向性很強的天線向空間發(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）對雷達發(fā)射波的大氣中水汽凝結(jié)物（云、霧和降水）對雷達發(fā)射波的散射和吸收；非球形粒子對圓極化波散射產(chǎn)生的退極散射和吸收；非球形粒子對圓極化波散射產(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)對入射波的散射，穩(wěn)定層結(jié)大氣對電形成的電離介質(zhì)對入射波的散射，穩(wěn)定層結(jié)大氣對入射波的部分反射；以及散射體積內(nèi)散射目標的運動入射波的部分反射；以及散射體積

12、內(nèi)散射目標的運動對入射波產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)等。對入射波產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)等。 2022-5-105 氣象雷達氣象雷達基本原理和概念基本原理和概念 氣象雷達回波不僅可以確定探測目標的空間位置、形狀、氣象雷達回波不僅可以確定探測目標的空間位置、形狀、尺度、移動和發(fā)展變化等宏觀特性，還可以根據(jù)回波信號的振尺度、移動和發(fā)展變化等宏觀特性，還可以根據(jù)回波信號的振幅、相位、頻率和偏振度等確定目標物的各種物理特性，例如幅、相位、頻率和偏振度等確定目標物的各種物理特性，例如云中云中含水量含水量、降水強度降水強度、風(fēng)場風(fēng)場、鉛直氣流速度鉛直氣流速度、大氣湍流大氣湍流、降降水粒子譜水粒子譜、云和降水粒子相態(tài)以及閃電云

13、和降水粒子相態(tài)以及閃電等。此外，還可利用對等。此外，還可利用對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，由探測得到的對流層中溫度和濕度的鉛直分布求出折的規(guī)律，由探測得到的對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)報雷達射率的鉛直梯度，并通過分析無線電波傳播的條件，預(yù)報雷達的探測距離，也可根據(jù)雷達探測距離的異?，F(xiàn)象（如超折射現(xiàn)的探測距離，也可根據(jù)雷達探測距離的異?，F(xiàn)象（如超折射現(xiàn)象）推斷象）推斷大氣溫度和濕度的層結(jié)大氣溫度和濕度的層結(jié)。2022-5-106 多普勒天氣雷達多普勒天氣雷

14、達v工作原理工作原理 多普勒天氣雷達的工作原理即以多普多普勒天氣雷達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)降水粒子勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，具體表現(xiàn)為：當(dāng)降水粒子相對雷達發(fā)射波束相對運動時，可以測定相對雷達發(fā)射波束相對運動時，可以測定接收信號與發(fā)射信號的高頻頻率之間存在接收信號與發(fā)射信號的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。運用這種的差異，從而得出所需的信息。運用這種原理，可以測定散射體相對于雷達的速度原理，可以測定散射體相對于雷達的速度，在一定條件下反演出大氣風(fēng)場、氣流垂，在一定條件下反演出大氣風(fēng)場、氣流垂直速度的分布以及湍流情況等。這對研究直速度的分布以及湍流情況等。這對研究降水的形成

15、，分析中小尺度天氣系統(tǒng)，警降水的形成，分析中小尺度天氣系統(tǒng)，警戒強對流天氣等具有重要意義。戒強對流天氣等具有重要意義。 2022-5-106 多普勒天氣雷達多普勒天氣雷達v主要組成部分主要組成部分 （1）：觸發(fā)信號發(fā)生器：觸發(fā)信號發(fā)生器(控制鐘控制鐘)是整個是整個雷達的控制系統(tǒng)，它周期性地產(chǎn)生一個脈沖式的觸發(fā)信雷達的控制系統(tǒng)，它周期性地產(chǎn)生一個脈沖式的觸發(fā)信號，觸發(fā)脈沖輸送到調(diào)制解調(diào)器和顯示器，指揮它們開號，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，以率，以PRF(Pulse-Recurren

16、ce-Frequency) 表示。兩個相表示。兩個相鄰脈沖之間的時間間隔，稱為脈沖重復(fù)周期，用表示鄰脈沖之間的時間間隔，稱為脈沖重復(fù)周期，用表示，它等于脈沖重復(fù)頻率的倒數(shù)。實際工作中，可用公式，它等于脈沖重復(fù)頻率的倒數(shù)。實際工作中，可用公式計算脈沖重復(fù)周期的數(shù)值。計算脈沖重復(fù)周期的數(shù)值。 2022-5-106 多普勒天氣雷達多普勒天氣雷達v主要組成部分主要組成部分 （2）調(diào)制解調(diào)器）調(diào)制解調(diào)器 （3）發(fā)射機：在調(diào)制脈沖的作用下，發(fā)射機產(chǎn)生短促又強）發(fā)射機：在調(diào)制脈沖的作用下，發(fā)射機產(chǎn)生短促又強大的特高頻振蕩，經(jīng)天線向空間發(fā)射出去，即探測脈沖。發(fā)大的特高頻振蕩，經(jīng)天線向空間發(fā)射出去，即探測脈沖。

17、發(fā)射機的主要技術(shù)參數(shù)有波長（或振蕩頻率射機的主要技術(shù)參數(shù)有波長（或振蕩頻率F）和脈沖發(fā)射功）和脈沖發(fā)射功率。率。波長波長：天氣雷達通常使用的波長是厘米波，劃分為：天氣雷達通常使用的波長是厘米波，劃分為K、X、C和和S四個波段，四個波段，K波段的雷達是用來探測非降水的云，波段的雷達是用來探測非降水的云，X、C和和S波段用于探測降水。波段用于探測降水。脈沖發(fā)射功率脈沖發(fā)射功率：是指天線實際：是指天線實際發(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)射機輸出峰值功率。發(fā)射功率將近似地等于發(fā)射機輸出峰值功率。 2022-5

18、-106 多普勒天氣雷達多普勒天氣雷達v主要組成部分主要組成部分 （4）天線轉(zhuǎn)換開關(guān)、波導(dǎo)管）天線轉(zhuǎn)換開關(guān)、波導(dǎo)管 （5）天線）天線 （6）接收機和顯示器）接收機和顯示器 2022-5-106 多普勒天氣雷達多普勒天氣雷達北京南郊S波段天氣雷達塔全貌 南郊S波段多普勒天氣雷達產(chǎn)品圖（回波強度） 2022-5-10衛(wèi)星探測衛(wèi)星探測氣象衛(wèi)星實質(zhì)上是一個高懸在太空的高級自動氣象衛(wèi)星實質(zhì)上是一個高懸在太空的高級自動氣象站，是空間、遙感、計算機、通信和控制氣象站，是空間、遙感、計算機、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、大面積地探測全球的大氣變化情況。積地探測全球的大氣變化情況。衛(wèi)星衛(wèi)星探測探測2022-5-101 總體概況總體概況v空基全球觀測系統(tǒng)空基全球觀測系統(tǒng)2022-5-101 總體概況總體概況2022-5-101 總體概況總體概況2022-5-101 總體概況總體概況2022-5-102 氣象