第5章 新技术在气象雷达中的应用

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1、364第9章新技术在气象雷达中的应用正像前述的那样，作用距离和距离分辨力是一对在常规脉冲雷达中难以解决的矛盾。这一点从雷达方程中可以看出。实际上雷达的作用距离是由许多参数共同决定的，例如发射功率、天线增益、接收机灵敏度和脉冲宽度等都对作用距离有影响。在脉冲多普勒天气雷达中，探测距离与测速范围之积为常数，速度模糊与距离模糊是困扰脉冲多普勒天气雷达的两个重要问题。另外，在脉冲多普勒天气雷达系统中，如何获取速度矢量也是脉冲多普勒天气雷达需要解决的问题。与军用雷达相比，新技术在天气雷达中的应用比较滞后。从目前

2、的情况来看，下列新技术有望使天气雷达应用更广、更方便。1)偏振（圆偏振、椭圆偏振和双线偏振）技术的应用对探测降水相态及云雨物理研究意义重大。2)双(多)基地天气雷达系统系统直接测出反射率、垂直风、涡流、冰雹及三维风场。3)为提高探测数据的时间分辨率（目前，一个体扫约5分钟，这对微小尺度系统是不够的），相控阵扫描及脉冲压缩技术是非常必要的。4)在解决速度模糊与距离模糊方面，相位编码技术的应用势在必行。这四点在本章的几节里将分别描述。首先讨论距离和距离分辨力的矛盾。可从如下4方面理解：①发射机的脉功率Pt

3、0发射机的脉冲功率Pt与雷达最大作用距离Rmax之间的关系如表9.1所示。表9.1脉冲功率与最大作用距离之间的关系Pt增加的倍数Rmax增加的百分比141619%41%100%从表中可以看出，若最大作用距离增加一倍，则要求脉冲功率增加十六倍。若要把最大作用距离从300—400km提高到700km，在其他参数不变的条件下，则脉冲功率要提高到10MW以上，这对功率管提出了更高的要求。另外，要获得这样高的脉冲功率，要求脉冲电压高达105V以上，相应的脉冲电流为300—400A。提供这样高的电压和电流是困难的

4、。而且把这样高的功率送到天线上去也很难，因为波导系统的功率容量有限，在这样功率下波导很容易击穿。因此，单独从提高发射机的脉冲功率来增大雷达的的作用距离，是有限度的。②天线的增益。天线的增益值与天线的有效面积成正比，也就是增大天线的有效面积，就可以增大天线的增益，从而达到增大作用距离的目的。例如，当天线的有效面积增4倍时，最大作用距离就可增大一倍。大尺寸的天线不仅在加工精度上困难，而且对天线的快速运转和风载等因素都有影响。因此说通过增加天线的有效面积来增大作用距离，难以实现。364364③接收机灵敏度。

5、我们已经知道，提高接收机灵敏度的关键在于噪声能否降低。噪声的降低本来就是一个难以解决的问题。④脉冲宽度。增加脉冲宽度可以增大作用距离的原因，可以从两个方面去解释：一是脉冲宽度的增加可以减小接收机的带宽，从而提高接收机的灵敏度；另一方面由于发射机的平均功率Pm=τ*Pt，因而在脉冲功率Pt一定的条件下，增加脉冲宽度τ可以提高发射机的平均功率Pm，也就增大了作用距离。但是脉冲宽度的增加，会使距离分辨力变差，影响测距精度。因此，单独增加脉冲宽度来增大作用距离也不是一个理想的办法。一个有效的办法是采用脉冲压缩

6、技术。脉冲压缩雷达的工作原理是，采用宽脉冲发射，以提高发射机的平均功率，保证雷达的最大作用距离。接收时利用脉冲压缩技术，获得窄脉冲，从而提高距离分辨力。因而脉冲压缩技术是解决作用距离与距离分辨力之间矛盾的一种有效办法。实现脉冲压缩的方法有两种：一是采用线性调频的脉冲压缩；二是采用编码的脉冲压缩。以下分别叙述这两种方法的基本原理以及相应的系统。9.1脉冲压缩技术概述我们知道，雷达的距离分辨力取决于信号带宽。在普通脉冲雷达中，雷达信号的时宽带宽积为一常量（约为1），因此不能兼顾距离分辨力和速度分辨力两项指

7、标。近年来，从改进雷达体制方面来扩大作用距离和提高距离分辨力方面已有很大进展。这种体制就是脉冲压缩（PC）雷达体制，它采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够的最大作用距离，而在接收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高距离分辨力，因而能较好地解决作用距离和分辨能力之间的矛盾。对于给定的雷达系统，可达到的距离分辨力为9-1-1式中，C为光速，B=Δƒ为发射波形带宽。对于简单的（未编码）脉冲雷达，B=Δƒ=1/τ，此处τ为发射脉冲宽度。因此，对于简单的脉冲系统，将有9-1-2表9.1.1不同雷达

8、应用的典型脉冲宽度雷达类型距离脉冲宽度分辨分空中交通管制100km1μs200m远程监视~300km近程监视40km0.4μs50m天气探测~400km0.8~5μs500m跟踪10~20km50ns10m高分辨率搜索10km20ns4m364364表9.1.1列出了雷达的若干应用及其相应的典型脉宽值。显然，对于某些雷达考虑到发射平均功率等因素，宜采用脉冲压缩技术，才能同时满足作用距离和距离分辨力的要求。在脉冲压缩系统中，发射波形往往在相位上或频率上进行