气象卫星与雷达探测

气象雷达与卫星探测信息与控制学院2023/2/3主要内容气象雷达主要内容卫星探测2023/2/3气象雷达（1）雷达发展概况（2）雷达工作的基本原理（3）雷达工作的基本频率（4）雷达的用途及其分类（5）气象雷达基本原理与概念（6）多普勒天气雷达气象雷达2023/2/31雷达发展史起步阶段

（1）1903-1904，克里斯琴·赫尔斯迈耶研制出原始的船用防撞雷达并获得专利权。

（2）1935年，雷达之父沃森·瓦特出版《采用无线电方法探测飞机》，当年研制出探测距离达到80公里的米波防控雷达。（3）二战期间雷达大放异彩。逐步由军用→民用，雷达在气象中的应用从天气雷达开始。沃森·瓦特2023/2/31雷达发展史发展阶段（1）二战后，雷达技术获得了巨大的发展，主要原因归于两个非常重要的器件发明：T/R（收/发）开关和磁控管。（2）收发开关使雷达的探测成功地从双（多）基变成单基雷达。也就是从发分别用一个天线，到共用一个天线。大大简化了雷达系统。（3）磁控管的出现使雷达的探测功率大大提高，从而大大提高了雷达的探测能力。2023/2/31雷达发展史成熟阶段

20世纪60年代以来，航空、航天技术、飞机、导弹、人造卫星、宇宙飞船等对雷达提出了高精度、远距离、高分辨率及多目标测量等要求。（1）技术上：脉冲压缩技术、单脉冲雷达、相控阵雷达、目标识别、目标成像、SAR、脉冲多普勒雷达。（2）结构工艺上：微波高功率放大管，如速调管。（3）雷达的工作波长：从短波扩展至毫米波、红外线和紫外线领域。在这个时期，微波全息雷达、毫米波雷达、激光雷达和超视距雷达相继出现。2023/2/32雷达工作基本原理雷达：无线电探测和测距，即用无线电方法发现目标并测定他们在空间的位置。2023/2/33雷达工作的基本频率2023/2/33雷达工作的基本频率2023/2/34雷达的用途及分类军用预警雷达（发现洲际导弹，尽早地发出预警警报）搜索和警戒雷达（发现飞机）引导指挥雷达（歼击机的引导和指挥作战）火控雷达（控制火炮或导弹对空中目标进行瞄准）战场监视雷达（坦克或军车）机载雷达俄制舰载型的“美洲狮”火控雷达F-35机载雷达2023/2/34雷达的用途及分类民用气象雷达航空管制雷达等2023/2/34-1气象雷达分类按工作原理分类常规天气雷达；多普勒雷达双波长雷达双偏振雷达双（多）基地雷达按用途分类，测风、测雨、测云等按体制分类，脉冲、调频、多普勒等2023/2/34-1气象雷达分类常规天气雷达其探测对象主要是降水和含水量较大的云体。这类雷达大多工作在波长为3－10cm之间的微波波段。它主要由发射机、接收机、显示器和天线系统组成。有的雷达还配备有数据处理系统，以实现彩色回波图象显示，回波外推预报，和回波资料远距离传送等功能。天气雷达对雨区的有效探测半径为300—400km。由于探测范围广，不受时间限制，并能提供一定精度的定量数据等优点，已成为临近天气预报的主要工具。2023/2/34-1气象雷达分类多普勒天气雷达2023/2/34-1气象雷达分类双波长雷达同时在两个不同波长上发射和接收电磁波的雷达2023/2/34-1气象雷达分类双偏振雷达我国首台多普勒偏振天气雷达既能发射和接收水平偏振波又能发射和接收垂直偏振波的雷达。2023/2/34-1气象雷达分类双地基雷达美国海基X波段雷达在进行依靠自身动力航行一般的雷达是单基地的，即发射机和接收机安装在一起，且通常共用一个天线。而双基地或多基地雷达是将发射机和接收机分别安装在相距很远的两个或多个站址上。它能有效地捕捉雷达反射波，借助高速计算机标绘出隐形战机飞过时留下的航迹，并预测之后的航向。2023/2/34-2气象雷达的发展20世纪40年代萌芽阶段，主要观测回波的形状、移动速度、描述回波的形成发展。20世纪50-60年代定量分析阶段，这一阶段也是常规雷达的发展时期，主要用来分析回波的降水强度和雷达反射率之间的定量关系。20世纪70-80年代雷达的数字化发展时期，将数字技术和计算机技术大量的应用气象雷达。20世纪80年代后新一代天气雷达的发展时期，多普勒雷达、双波长雷达、偏振雷达、风廓线雷达等一大批新型雷达被用于气象探测。2023/2/34-3我国天气雷达发展我国天气雷达发展大致经历了从模拟天气雷达、数字化天气雷达到多普勒天气雷达的三个发展阶段。未来：双极化、相控阵、多地基雷达。2023/2/34-4我国新一代天气雷达布点2023/2/35气象雷达基本原理和概念2023/2/35气象雷达基本原理和概念气象雷达工作原理

气象雷达通过方向性很强的天线向空间发射脉冲无线电波，它在传播过程中和大气发生各种相互作用。如大气中水汽凝结物（云、雾和降水）对雷达发射波的散射和吸收；非球形粒子对圆极化波散射产生的退极化作用，无线电波的空气折射率不均匀结构和闪电放电形成的电离介质对入射波的散射，稳定层结大气对入射波的部分反射；以及散射体积内散射目标的运动对入射波产生的多普勒效应等。

2023/2/35气象雷达基本原理和概念气象雷达回波不仅可以确定探测目标的空间位置、形状、尺度、移动和发展变化等宏观特性，还可以根据回波信号的振幅、相位、频率和偏振度等确定目标物的各种物理特性，例如云中含水量、降水强度、风场、铅直气流速度、大气湍流、降水粒子谱、云和降水粒子相态以及闪电等。此外，还可利用对流层大气温度和湿度随高度的变化而引起的折射率随高度变化的规律，由探测得到的对流层中温度和湿度的铅直分布求出折射率的铅直梯度，并通过分析无线电波传播的条件，预报雷达的探测距离，也可根据雷达探测距离的异常现象（如超折射现象）推断大气温度和湿度的层结。2023/2/36多普勒天气雷达工作原理多普勒天气雷达的工作原理即以多普勒效应为基础，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。这对研究降水的形成，分析中小尺度天气系统，警戒强对流天气等具有重要意义。2023/2/36多普勒天气雷达主要组成部分（1）触发信号发生器：触发信号发生器(控制钟)是整个雷达的控制系统，它周期性地产生一个脉冲式的触发信号，触发脉冲输送到调制解调器和显示器，指挥它们开始工作。每秒种产生的触发脉冲数目，称为脉冲重复频率，以PRF(Pulse-Recurrence-Frequency)表示。两个相邻脉冲之间的时间间隔，称为脉冲重复周期，用Ｔ表示，它等于脉冲重复频率的倒数。实际工作中，可用公式计算脉冲重复周期的数值。2023/2/36多普勒天气雷达主要组成部分（2）调制解调器（3）发射机：在调制脉冲的作用下，发射机产生短促又强大的特高频振荡，经天线向空间发射出去，即探测脉冲。发射机的主要技术参数有波长（或振荡频率F）和脉冲发射功率。波长：天气雷达通常使用的波长是厘米波，划分为K、X、C和S四个波段，K波段的雷达是用来探测非降水的云，X、C和S波段用于探测降水。脉冲发射功率：是指天线实际发射的峰值功率，如果忽略了波导管和天线的损耗，则脉冲发射功率将近似地等于发射机输出峰值功率。2023/2/36多普勒天气雷达主要组成部分（4）天线转换开关、波导管（5）天线（6）接收机和显示器2023/2/36多普勒天气雷达北京南郊S波段天气雷达塔全貌

南郊S波段多普勒天气雷达产品图（回波强度）2023/2/3卫星探测气象卫星实质上是一个高悬在太空的高级自动气象站，是空间、遥感、计算机、通信和控制等高技术相结合的产物。可连续、快速、大面积地探测全球的大气变化情况。卫星探测2023/2/31总体概况空基全球观测系统2023/2/31总体概况2023/2/31总体概况2023/2/31总体概况2023/2/32气象卫星分类由于轨道的不同，可分为两大类，即：太阳同步极地轨道气象卫星和地球同步气象卫星。前者由于卫星是逆地球自转方向与太阳同步，称太阳同步轨道气象卫星；后者是与地球保持同步运行，相对地球是不动的，称作静止轨道气象卫星，又称地球同步轨道气象卫星。在气象预测过程中非常重要的卫星