第七章 脉冲多普勒天气雷达探测(南京信息工程大学 雷达气象学)

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1、多普勒天气雷达探测原理Ø多普勒雷达探测原理Ø多普勒效应Ø多普勒频移Ø多普勒雷达工作原理Ø多普勒速度Ø多普勒速度谱宽Ø最大不模糊距离与距离折叠Ø最大不模糊速度与速度模糊Ø多普勒两难NUIST201311FinePrintSoftware,LLC16NapierLaneØ多普勒雷达SanFrancisco,CA的94133测量方法Tel:415-989-2722Fax:209-821-7869www.fineprint.com多普勒效应l多普勒效应：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；当运动在波源后面

2、时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低。波源的速度越高，所产生的效应越大。根据频率变化的程度，可以计算出波源沿着观测方向运动的速度。l应用：火车的汽NU笛声，I恒星ST的201311移动多普勒效应NUIST201311多普勒频移多普勒频移：由于相对运动造成的频率变化•设有一个运动目标相对于雷达的距离为r，雷达波长为λ。•发射脉冲在雷达和目标之间的往返距离为2r，用相位来度量为2r/λ•2π。若发射脉冲的初始相位为φ0，则散射波的相位为φ=φ0+4πr/λ。•目标物沿径向移动时，相位随时间的变化率（角频率）dj44ppdr==vrdtlldtdj==wp2f•

3、另一方面，NU角频I率S与频率的T201311关系dtD•则多普勒频率与目标运动速度的关系fD=2vr/λ多普勒频移思考n当粒子以速度V垂直于雷达径向运动时，散射回波的频率变化是多少？n当粒子以速度V与雷达径向成θ角度运动时，散射回波的频率变化是多少？n基于多普勒效应的多普勒雷达能准确测量三维风速吗？NUIST201311多普勒频移雷达波长，径向速度以及多普勒频移的关系NUIST201311多普勒雷达工作原理l常规雷达和多普勒雷达–常规雷达没有保持工作频率和相位不变的技术，不能提取多普勒频率信息–多普勒雷达能检测到回波信号中微小的频率变化，即降水粒子径向速度引起的多普

4、勒频率l相干（相参，相关，coherence）和非相干–相干：波的相位是固定的，或按一定的方式变化–非相干：波的位相是随机的，它在2π间隔内均匀分布–只有发射波和回波的相干性，才能提取回波的相位变化l全相干多普勒雷达和自相干多普勒雷达–全相干多普勒雷达晶体振荡器频率十分稳定，发射的各脉冲间有确定的相位关系–自相干多普勒雷达初位相和频率不确定，但采用锁相技术和相干振荡器NU，使每个发IS射T脉冲及201311其回波之间的位相能够进行比较。多普勒速度NUIST201311多普勒速度谱宽多普勒速度谱宽表征着雷达有效照射体积内不同大小的多普勒速度偏离其平均值的程度，实际上它是

5、由散射粒子具有不同的径向速度所引起的。影响速度谱宽的主要因子有四个：n垂直方向上的风切变；n波束宽度引起的横向风效应；n不同直径的降水粒子下落末速度的不均匀分布；n大气的湍流运动。s2=s22+s++ss22NUIST201311vsbwTs,s,ss,分别对应1、2、34、项因子造成的方差sbwT多普勒速度谱宽分析可知，垂直风NU切变I、S波T束宽度201311、下落末速不均匀三个因素的影响很小，可以忽略。所以，速度谱方差主要与大气的湍流有关，由此可以测量大气湍流。多普勒速度谱宽NUIST201311最大不模糊距离与距离折叠n最大不模糊距离R：一个雷达脉冲在下一个脉

6、冲发max射之前遇到目标物并且其回波能够返回雷达的最大距离。1cR==cTmax22´PRF其中，R为最大不模糊距离，c为光速，T为脉冲重复周期，maxPRF为脉冲重复频率。n距离折叠（模糊）：超过最大不模糊距离的探测回波在屏幕上会产生距离模糊。当目标物位于R之外时，max雷达却把目标物显示在R以内的某个位置，目标物方max位是正确的但NU距离是I错误ST的。201311最大不模糊距离与距离折叠NUIST201311目标位于最大不模糊距离之内，没有距离折叠（模糊）发生。最大不模糊距离与距离折叠NUIST201311目标位于最大不模糊距离之外，有距离折叠（模糊）发生。最

7、大不模糊距离与距离折叠NUIST201311距离模糊回波图例最大不模糊距离与距离折叠NUIST201311最大不模糊速度与速度模糊径向速度和初位相的关系n假设每个脉冲在发射时的初位相都为φ0。n第一个脉冲遇到目标物时，目标相对于雷达的距离为r，回波到达雷达时的位相φ1=φ0+2π•2r/λ。n第二个脉冲遇到目标物时，目标相对于雷达的距离为r+Δr，回波达到雷达时的位相φ2=φ0+2π•2(r+Δr)/λ。n两脉冲的位相差Δφ=φ2-φ1=2π•2Δr/λ=4πΔr/λ。n目标物径向速度NUVr=ΔIrS/T=TΔr201311•PRF=λ/4π•PR