第 三 章 天气雷达系统
设计要求和指标
? 散射普遍现象
? 瑞利 (Rayleigh)散射
? 米 (Mie)散射
? 有效反射面
? 气象粒子反射
? 反射率因子 与 气象雷
达方程
?其他因素
? 大气吸收与衰减
? 地物与超折射回波
? 雷达综合设计参数
? 雷达信号处理内容
? 天气雷达组成
天气雷达系统
3.1 气象数据遥测系统 — 雷达
? 雷达探测大气靠气象目标对电磁波的散射
? 散射成因：大气介质，云、降水粒子等
大气介质的散射包括,
– 大气气体分子的散射
– 大气介质折射指数分布不均匀引起的散射与反射
? 雷达能探测和监测降雨、冰雹、暴风雪、飓
风、龙卷风等重要及灾害性天气过程
? 天气雷达：激光、微波（ X/C/S波段）,VHF、
UHF、超声、无源被动雷达等
3.2 电磁波在大气中的传播
散射现象
? 散射现象：当电磁波
束遇到障碍物，或在
大气中传播，遇到空
气介质或云滴、雨滴
等悬浮粒子时，入射
电磁波会从这些介质
或粒子上向四面八方
传播开来
? 散射开来的电磁波称
为散射波
散射波
入射波
散射成因
? 障碍物 ——漫反射；
? 微粒 ——粒子在入射电磁波 极化下作强迫
的多极振荡,从而发出次波（散射波）。
? 电磁波传播中的吸收：能量 ——转换为热
量，电磁波能量受到 衰减
? 散射取决于 电磁波波长 λ 和粒子等效直径 d
的比例关系
后向散射截面
? 设有一理想的散射体，其截面为：它能全
部接收射到其上的电磁波能量，并全部均
匀地向四周散射，若该理想散射体返回雷
达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同
距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波
能流密度，则该理想散射体的截面就称为
实际散射体的后向散射截面。
24
)(
r
S
S iS
?
?
? ?
瑞利散射 (Rayleigh)
? 对于 d,λ的小球形粒子的散射
? 是复折射指数； n是普通的
折射指数,K是吸收系数，散射截面,
2
2
2
6
22
2
2
4
65
2
1
3
2
2
1
3
128
?
??
?
??
m
ma
m
mrQ
i ?
?
?
?
?
? ra 2?
iKnm ??
米散射（ Mie散射）
? d≈ λ 的大球形质点的散射
? 米散射条件,
（ 1） 粒子是球形的, 粒子内外都不含自由
电荷, 散射粒子不是导电体；
（ 2） 粒子内, 外介质是均匀各向同性的,
粒子外介质一般是空气或真空；
（ 3） 入射电磁波随时间作简谐变化 。
? 米散射性质,
（ 1） 散射波是以粒子为中心的球面发散波；
（ 2） 散射波是横波, 且是椭圆偏振波；
（ 3） 散射波和入射波同频率；
（ 4） 散射波能流密度是各向异性的；
（ 5） 散射波性质与入射波波长 λ, 散射粒子
半径 r、粒子及环境的物理特性等有关。
（） a a=1 （） b a=3
粒子群的散射
? 各粒子的散射波符合叠加原理
? 合成回波的场强,
? 平均回波功率
??
??
????
N
i
i
N
i
ii itEkRtEtE
11
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?
?
?
N
i
imr EP
1
2
3.3 球形水滴和冰粒的散射
? 大气中气象粒子的尺寸分布 ——滴谱极
广，因此散射归属不好确定
? 雷达回波为全部粒子散射的综合，难于
得到完全意义上的解析公式和解析解
? 反射率（因子）与滴谱只有定性关系
雷达截面 [或后向散射截面 ]
? 单个球形粒子的瑞利散射雷达截面,
? 米散射的后向散射函数,
? 其中,an,bn为散射场的系数
2
2
2
4
652
2
2
4
65
2
1
2
164
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?
?
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mD
m
mr
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2
1
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n
nn
n ban
k
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雷达反射率与反射率因子
? 雷达反射率,
? 反射率因子,
? 关系,
?
?
?
?
?
0
6
2
2
2
4
5
)(
2
1
dDDDn
m
m
?
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Z
m
m
2
2
2
4
5
2
1
?
?
?
?
?
?
雨滴谱与 Z
2, N D
i
分布
6
i
1, 粒 子 大 小 分 布
雨
滴
数
（
）
m
/
0
.
4
m
m
3
（
）
m
/
m
m
/
0
.
4
m
m
6
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D
i
6 i
10
4
10
3
10
2
10
1
1, 0
0 0, 8 1, 6 2, 4 3, 2
10
4
10
3
10
2
10
1
1, 0
瑞利后向散射截面
和米后向散射截面
? / 与 a的关系
M? R?
M?
R?
2,0
1,0
0,3
0,03 0,1 0,3 1,0 3,0
?? 1 0 c m
3 c m
1,7 c m
0,9 c m
=
RM
a
滴谱与 雷达截面
? 云滴半径：只有 5~10，最大也不超过 50
? 雨滴半径：一般都在 0.25~1.5mm之间，其中以 0.35~
0.45mm范围内为最多。 也有大于 2mm的，但当半径
大于 3mm时水滴有时会在气流作用下发生破裂
? 厘米波测雨雷达对于云滴，瑞利公式完全适用
? C波段 [5.6cm]和 S波段 [10cm]雷达，瑞利公式对绝大
多数的雨滴也适用
? 3.2cm波长雷达，要订正
? 水滴半径在 0.5~1.0mm内时，用瑞利公式计算的雷达
截面误差不超过 20%~30%
等效反射率因子
? 等效反射率因子 ?气象雷达方程保持瑞
利散射的简单形式
? ??
?
?
?
?
Mi
m
m
ZZe ?
?
?
2
2
2
5
4
6
2
1
10
球形干冰粒对雷达波的散射
? 瑞利散射,水滴
散射是同半径冰
粒散射的五倍
? 米散射,
大冰球粒子的雷
达截面甚至比同
体积水球大 10倍,
大冰雹时回波特
别强
?? 3, 2 c m
冰球
水球
100
10
1
0, 1
0, 0 1
0 0, 4 1, 2 2, 0 2, 8 3, 6 4, 4 4, 8
a
3.4 晴空回波的散射和反射机制
湍流大气对雷达波的散射
? 不同尺度的湍流块相当于具有不同间距
的空间衍射光栅，而不同间距的衍射光
栅对于不同的散射角上的散射能量有明
显的贡献，也即恰巧可以在该方向上形
成衍射的, 亮点,
? 湍流大气对雷达波的反射率,
? L0是湍流外尺度； M是水平折射率的垂
直梯度； a为一无量纲常数
3/1239.0 ?? ??
nc
23/4
0
2 MLaC
n ?
大气的镜式反射
? 当大气中折射率水平分布比较均匀，而
垂直方向存在很大梯度结构时，会引起
雷达波的反射，这种反射称为费涅尔反
射，也称作部分反射或镜式反射
? 对于两侧具有一定差值的过渡层而言，
层越薄，或者波长越长，反射系数也就
越大
3.5 气象目标的雷达方程
? 接收功率,
? 分贝表示反射率因子,
22
232
)221(5 1 2 rn
ZKcGP
P
t
r
?
????
?
gZd B Z 1 0 1?
3.6 设计所要考虑的其他因素
影响气象雷达回波探测的因素,
衰减
距离 ----速度模糊度
地杂波
标准大气衰减
? 水汽主要的吸收带,水汽对雷达波的衰
减还与水气密度、气压、温度等大致有
如下关系,
氧气对雷达波的吸收
0
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
2
10
3
10
4
0, 5 c m 氧气吸收线
1, 3 5 c m 水汽吸收线
1 0 0 5 0 2 0 1 0 5 3 1 0, 5
频 率 （ M H z ）
波 长 （ c m ）
假定水汽密度 P = 7, 7 5 g / m
3
云的衰减
雨的衰减
??
0
0
)]([
r
a
R drrRK
雹、雾的衰减
? 雹的衰减,
雹的衰减是雨的 l％，雪的衰减也很小，
表面溶化的冰情况不一样
? 雾的衰减
距离 ----速度模糊
? 最大不模糊距离,Rmax=C/(2*PRF)
C为光速,PRF为脉冲重复频率
? 最大不模糊速度,Vmax=λ *PRF/4
λ 为波长,PRF为脉冲重复频率
? 多普勒两难（ Doppler Dilemma）,
8
m a xm a x
c
VR
?
?
不同波长的最大测速、测距
地杂波的影响
?低仰角地物等目标反射
?电磁波在大气中的折射造成
地物等目标反射
?超折射造成地物等目标反射
?干扰正常探测和判断
电磁波的反射
? 电磁波在大气中传播, 若遇到大的物体,
如山, 建筑物, 飞机和海浪等或大气结
构发生突变 (即存在大气折射率的突变层
时 )都会产生反射现象 。 反射现象也会造
成回波, 常见的有地物回波, 海浪回波
及窄带回波等 。
电磁波在大气中的折射
n(h)：高度 h上的大气折射指数
T(h),P(h),Pw(h)分别为这一高
度上的气温、气压和水汽压
110
)(
)(
4810)(
)(
6.77
)( 6 ????
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?
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hT
hP
hP
hT
hn w
等效地球半径
dh
dn
R
R
R
e
e
m
?
?
1
负
无
标
临
超
标准大气折射
? 在标准大气情况下,为实际地球半径
的 4/3倍。
此时,
? 波束路径向下弯曲，这种折射称标准大气折射，亦
称为正常折射。
? 在标准大气折射时，曲率半径为 25000km，约 4倍
于地球的半径。
? 标准大气折射时可能使最大探测距离增大了 16％。
kmR m 8 5 0 0?
15104 ?? ????? km
dh
dnK
临界折射
? 当波束路径的曲率与地球表面的曲率相
同时，即波束传播路径与地表面平行，
则称为临界折射。
? 等效地球半径 → ?
15107.15 ?? ??? kmK
超折射
? 当波束路径的曲率大于地球表面的曲率时，
即雷达波束在传播过程中将碰到地面，经地
面反射后继续向前传播，然后，再弯曲到地
面，再经地面反射，重复多次，雷达波束在
地面和某层大气之间，依靠地面的反射向前
传播，与波导管中的微波传播相似，故称大
气波导传播，又称超折射。
? 等效地球半径 0?
mR
15107.15 ?? ??? kmK
超折射形成的气象条件
? 超折射是因为大气中折射指数 n随高度迅
速减小造成。折射指数随高度迅速减小，
必须是气温向上递增，同时水汽压向上
迅速递减，也就是常说暖干盖的大气层
结。因此有人把早上雷达探测到超折射
回波，作为午后可能发生强对流天气或
晴天两种截然不同天气的一个指标
无折射
? 如果雷达波束沿直线传播，无折射现象，
又可称为零折射。这时 K=0,Rm=Re，大
气是均质的。在一般情况下，大气不会
出现这种情况
负折射
? 如果雷达波束不是向下弯曲，而是向上
弯曲，出现这种折射时，称为负折射。
这时的 K<0，等效地球半径 <实际的地球
半径。这种折射现象在大气中有时可能
出现。当暖湿气流沿冷锋面上爬时，可
能造成，即 (干绝热递减率 )时，可使 K<0。
这时，正常折射时能观测到的目标观测
不到了。
3.7 多普勒天气雷达
系统参数的选择
? 工作波长 （ 频率及稳定度 —速度分辨率 ）
? 脉冲重复频率 [速度、距离模糊 ]
? 发射脉冲频谱（宽度 [距离分辨率 ]、形状）
? 天线波瓣宽度 [角分辨率 ]
? 极化方式
工作波长 λ
? 工作频率 fC,fC =c/ λ
1、主要考虑对降水物的反射率及衰减（穿透）
特性，其次是天线尺寸。
2、通常使用 3个波段,
S波段 [10cm]：反射率低、衰减小、天线大；
C波段 [5cm]：折衷；
X波段 [3cm]：反射率高、衰减大、天线小。
3、有时也考虑多普勒频移的灵敏度。
8m a xm a x
cVR ??
多普勒频移 vs 径向速度 /波长
频率稳定度
? 频率稳定度,Δf/f
? 长期频率稳定度,
几小时 [/天 /月 /年 ]，公共频率源系统，
如卫星。
? 短期频率稳定度,
小于 1S时间内的 Δf/f，雷达中要求
Δf/f=10-9~10-12。
速度分辨率
? 速度分辨率,
频率不定度造成的速度不可分辨范围
? 测速分辨率 vs 频率稳定度
脉冲重复频率
? 脉冲重复频率,PRF=1/T
? 距离模糊：距离超过 Rmax=C/(2*PRF)的目
标回波与下一周期 [近程 ]回波混叠。
? 速度模糊：速度超过 Vmax=λ *PRF/4的目
标回波与低速目标回波有相同的测速值
（速度不可分 —— 混叠）。
? 两难,
8m a xm a x
cVR ??
选用适当退模糊措施 /算法
? 选用适当退模糊算法可减缓两难困境,
? 参差脉冲重复频率法,PRF1,PRF2
? 软件法：在脉冲多普勒雷达课程中讲述。
)(4 21
m a x
ss TT
v
?
??
?
发射脉冲频谱
? 发射脉冲频谱与下面二者相关,
– 发射脉冲宽度 [距离分辨率 ],c τ /2 = R
– 发射脉冲形状,
矩形：谐波强，对发射机要求高
高斯：谐波少，发射机效率低
升余弦：谐波少，发射机效率高
? 雷达发射 [/脉冲 ]功率（峰值功率）：数百 KW
? 提高峰值功率和提高灵敏度等价，但前者成本
和难度更大。
天线波瓣宽度
? 天线波瓣宽度：反映雷达探测的角度分
辨率 [这会影响强度 /速度的测量精度 ]，
一般在 0.8o~ 3.0o之间。
? 与波长、天线尺寸、天线类型有关
? 有旁瓣影响
极化方式
? 线极化,
– 单极化：一般采用水平极化。
– 双极化,
水平极化 + 垂直极化,
有周期轮换方式和并行方式等。
? 椭圆极化,
国外试验效果不理想
? 双极化多普勒雷达,
除具有多普勒雷达的测速功能外还能准确测量降雨，
并可判断冰雹。
3.8 信号处理精度
及处理器实现考虑
? 相位测量
相位抖动 ?镜频
速度估值：平均速度,m/S
速度谱宽,m/S
? 强度测量
幅度失衡 ?镜频
强度估值：反射率（因子） /dBz
? 精度自学
S ( v )
v
0
2 ?
v
V
a v
? ??? dvvsdffsP r )()(
?
?
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dvvS
dvvvS
V
)(
)(
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dvvS
dvvSvv
v
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8 22
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?
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1
0
*
1
1
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N
K
kk SS
N
TR
强度估值
1、干扰抑制（地物 /超折射杂波处理）
2、距离订正
3、积分平滑：距离积分 + 脉冲积分
4、衰减订正
5、雷达常数订正
?反射率（因子） /dBz
3.9 应用考虑
3.9 应用考虑
? 气象雷达用于测量,
后向散射功率 和 径向速度参数
? 降雨测量,
反射率因子与降雨率（ Z-R）经验关系,
a和 b为拟合系数
? 强暴风雪报警：超短期 [/即时 ]预报
? 微爆现象,航空躲避
baRz ?
设计要求和指标
? 散射普遍现象
? 瑞利 (Rayleigh)散射
? 米 (Mie)散射
? 有效反射面
? 气象粒子反射
? 反射率因子 与 气象雷
达方程
?其他因素
? 大气吸收与衰减
? 地物与超折射回波
? 雷达综合设计参数
? 雷达信号处理内容
? 天气雷达组成
天气雷达系统
3.1 气象数据遥测系统 — 雷达
? 雷达探测大气靠气象目标对电磁波的散射
? 散射成因：大气介质，云、降水粒子等
大气介质的散射包括,
– 大气气体分子的散射
– 大气介质折射指数分布不均匀引起的散射与反射
? 雷达能探测和监测降雨、冰雹、暴风雪、飓
风、龙卷风等重要及灾害性天气过程
? 天气雷达：激光、微波（ X/C/S波段）,VHF、
UHF、超声、无源被动雷达等
3.2 电磁波在大气中的传播
散射现象
? 散射现象：当电磁波
束遇到障碍物，或在
大气中传播，遇到空
气介质或云滴、雨滴
等悬浮粒子时，入射
电磁波会从这些介质
或粒子上向四面八方
传播开来
? 散射开来的电磁波称
为散射波
散射波
入射波
散射成因
? 障碍物 ——漫反射；
? 微粒 ——粒子在入射电磁波 极化下作强迫
的多极振荡,从而发出次波（散射波）。
? 电磁波传播中的吸收：能量 ——转换为热
量，电磁波能量受到 衰减
? 散射取决于 电磁波波长 λ 和粒子等效直径 d
的比例关系
后向散射截面
? 设有一理想的散射体，其截面为：它能全
部接收射到其上的电磁波能量，并全部均
匀地向四周散射，若该理想散射体返回雷
达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同
距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波
能流密度，则该理想散射体的截面就称为
实际散射体的后向散射截面。
24
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瑞利散射 (Rayleigh)
? 对于 d,λ的小球形粒子的散射
? 是复折射指数； n是普通的
折射指数,K是吸收系数，散射截面,
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米散射（ Mie散射）
? d≈ λ 的大球形质点的散射
? 米散射条件,
（ 1） 粒子是球形的, 粒子内外都不含自由
电荷, 散射粒子不是导电体；
（ 2） 粒子内, 外介质是均匀各向同性的,
粒子外介质一般是空气或真空；
（ 3） 入射电磁波随时间作简谐变化 。
? 米散射性质,
（ 1） 散射波是以粒子为中心的球面发散波；
（ 2） 散射波是横波, 且是椭圆偏振波；
（ 3） 散射波和入射波同频率；
（ 4） 散射波能流密度是各向异性的；
（ 5） 散射波性质与入射波波长 λ, 散射粒子
半径 r、粒子及环境的物理特性等有关。
（） a a=1 （） b a=3
粒子群的散射
? 各粒子的散射波符合叠加原理
? 合成回波的场强,
? 平均回波功率
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3.3 球形水滴和冰粒的散射
? 大气中气象粒子的尺寸分布 ——滴谱极
广，因此散射归属不好确定
? 雷达回波为全部粒子散射的综合，难于
得到完全意义上的解析公式和解析解
? 反射率（因子）与滴谱只有定性关系
雷达截面 [或后向散射截面 ]
? 单个球形粒子的瑞利散射雷达截面,
? 米散射的后向散射函数,
? 其中,an,bn为散射场的系数
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2
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雷达反射率与反射率因子
? 雷达反射率,
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瑞利后向散射截面
和米后向散射截面
? / 与 a的关系
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滴谱与 雷达截面
? 云滴半径：只有 5~10，最大也不超过 50
? 雨滴半径：一般都在 0.25~1.5mm之间，其中以 0.35~
0.45mm范围内为最多。 也有大于 2mm的，但当半径
大于 3mm时水滴有时会在气流作用下发生破裂
? 厘米波测雨雷达对于云滴，瑞利公式完全适用
? C波段 [5.6cm]和 S波段 [10cm]雷达，瑞利公式对绝大
多数的雨滴也适用
? 3.2cm波长雷达，要订正
? 水滴半径在 0.5~1.0mm内时，用瑞利公式计算的雷达
截面误差不超过 20%~30%
等效反射率因子
? 等效反射率因子 ?气象雷达方程保持瑞
利散射的简单形式
? ??
?
?
?
?
Mi
m
m
ZZe ?
?
?
2
2
2
5
4
6
2
1
10
球形干冰粒对雷达波的散射
? 瑞利散射,水滴
散射是同半径冰
粒散射的五倍
? 米散射,
大冰球粒子的雷
达截面甚至比同
体积水球大 10倍,
大冰雹时回波特
别强
?? 3, 2 c m
冰球
水球
100
10
1
0, 1
0, 0 1
0 0, 4 1, 2 2, 0 2, 8 3, 6 4, 4 4, 8
a
3.4 晴空回波的散射和反射机制
湍流大气对雷达波的散射
? 不同尺度的湍流块相当于具有不同间距
的空间衍射光栅，而不同间距的衍射光
栅对于不同的散射角上的散射能量有明
显的贡献，也即恰巧可以在该方向上形
成衍射的, 亮点,
? 湍流大气对雷达波的反射率,
? L0是湍流外尺度； M是水平折射率的垂
直梯度； a为一无量纲常数
3/1239.0 ?? ??
nc
23/4
0
2 MLaC
n ?
大气的镜式反射
? 当大气中折射率水平分布比较均匀，而
垂直方向存在很大梯度结构时，会引起
雷达波的反射，这种反射称为费涅尔反
射，也称作部分反射或镜式反射
? 对于两侧具有一定差值的过渡层而言，
层越薄，或者波长越长，反射系数也就
越大
3.5 气象目标的雷达方程
? 接收功率,
? 分贝表示反射率因子,
22
232
)221(5 1 2 rn
ZKcGP
P
t
r
?
????
?
gZd B Z 1 0 1?
3.6 设计所要考虑的其他因素
影响气象雷达回波探测的因素,
衰减
距离 ----速度模糊度
地杂波
标准大气衰减
? 水汽主要的吸收带,水汽对雷达波的衰
减还与水气密度、气压、温度等大致有
如下关系,
氧气对雷达波的吸收
0
10
0
10
-1
10
-2
10
-3
10
-4
10
2
10
3
10
4
0, 5 c m 氧气吸收线
1, 3 5 c m 水汽吸收线
1 0 0 5 0 2 0 1 0 5 3 1 0, 5
频 率 （ M H z ）
波 长 （ c m ）
假定水汽密度 P = 7, 7 5 g / m
3
云的衰减
雨的衰减
??
0
0
)]([
r
a
R drrRK
雹、雾的衰减
? 雹的衰减,
雹的衰减是雨的 l％，雪的衰减也很小，
表面溶化的冰情况不一样
? 雾的衰减
距离 ----速度模糊
? 最大不模糊距离,Rmax=C/(2*PRF)
C为光速,PRF为脉冲重复频率
? 最大不模糊速度,Vmax=λ *PRF/4
λ 为波长,PRF为脉冲重复频率
? 多普勒两难（ Doppler Dilemma）,
8
m a xm a x
c
VR
?
?
不同波长的最大测速、测距
地杂波的影响
?低仰角地物等目标反射
?电磁波在大气中的折射造成
地物等目标反射
?超折射造成地物等目标反射
?干扰正常探测和判断
电磁波的反射
? 电磁波在大气中传播, 若遇到大的物体,
如山, 建筑物, 飞机和海浪等或大气结
构发生突变 (即存在大气折射率的突变层
时 )都会产生反射现象 。 反射现象也会造
成回波, 常见的有地物回波, 海浪回波
及窄带回波等 。
电磁波在大气中的折射
n(h)：高度 h上的大气折射指数
T(h),P(h),Pw(h)分别为这一高
度上的气温、气压和水汽压
110
)(
)(
4810)(
)(
6.77
)( 6 ????
?
?
??
?
?
?? ?
hT
hP
hP
hT
hn w
等效地球半径
dh
dn
R
R
R
e
e
m
?
?
1
负
无
标
临
超
标准大气折射
? 在标准大气情况下,为实际地球半径
的 4/3倍。
此时,
? 波束路径向下弯曲，这种折射称标准大气折射，亦
称为正常折射。
? 在标准大气折射时，曲率半径为 25000km，约 4倍
于地球的半径。
? 标准大气折射时可能使最大探测距离增大了 16％。
kmR m 8 5 0 0?
15104 ?? ????? km
dh
dnK
临界折射
? 当波束路径的曲率与地球表面的曲率相
同时，即波束传播路径与地表面平行，
则称为临界折射。
? 等效地球半径 → ?
15107.15 ?? ??? kmK
超折射
? 当波束路径的曲率大于地球表面的曲率时，
即雷达波束在传播过程中将碰到地面，经地
面反射后继续向前传播，然后，再弯曲到地
面，再经地面反射，重复多次，雷达波束在
地面和某层大气之间，依靠地面的反射向前
传播，与波导管中的微波传播相似，故称大
气波导传播，又称超折射。
? 等效地球半径 0?
mR
15107.15 ?? ??? kmK
超折射形成的气象条件
? 超折射是因为大气中折射指数 n随高度迅
速减小造成。折射指数随高度迅速减小，
必须是气温向上递增，同时水汽压向上
迅速递减，也就是常说暖干盖的大气层
结。因此有人把早上雷达探测到超折射
回波，作为午后可能发生强对流天气或
晴天两种截然不同天气的一个指标
无折射
? 如果雷达波束沿直线传播，无折射现象，
又可称为零折射。这时 K=0,Rm=Re，大
气是均质的。在一般情况下，大气不会
出现这种情况
负折射
? 如果雷达波束不是向下弯曲，而是向上
弯曲，出现这种折射时，称为负折射。
这时的 K<0，等效地球半径 <实际的地球
半径。这种折射现象在大气中有时可能
出现。当暖湿气流沿冷锋面上爬时，可
能造成，即 (干绝热递减率 )时，可使 K<0。
这时，正常折射时能观测到的目标观测
不到了。
3.7 多普勒天气雷达
系统参数的选择
? 工作波长 （ 频率及稳定度 —速度分辨率 ）
? 脉冲重复频率 [速度、距离模糊 ]
? 发射脉冲频谱（宽度 [距离分辨率 ]、形状）
? 天线波瓣宽度 [角分辨率 ]
? 极化方式
工作波长 λ
? 工作频率 fC,fC =c/ λ
1、主要考虑对降水物的反射率及衰减（穿透）
特性，其次是天线尺寸。
2、通常使用 3个波段,
S波段 [10cm]：反射率低、衰减小、天线大；
C波段 [5cm]：折衷；
X波段 [3cm]：反射率高、衰减大、天线小。
3、有时也考虑多普勒频移的灵敏度。
8m a xm a x
cVR ??
多普勒频移 vs 径向速度 /波长
频率稳定度
? 频率稳定度,Δf/f
? 长期频率稳定度,
几小时 [/天 /月 /年 ]，公共频率源系统，
如卫星。
? 短期频率稳定度,
小于 1S时间内的 Δf/f，雷达中要求
Δf/f=10-9~10-12。
速度分辨率
? 速度分辨率,
频率不定度造成的速度不可分辨范围
? 测速分辨率 vs 频率稳定度
脉冲重复频率
? 脉冲重复频率,PRF=1/T
? 距离模糊：距离超过 Rmax=C/(2*PRF)的目
标回波与下一周期 [近程 ]回波混叠。
? 速度模糊：速度超过 Vmax=λ *PRF/4的目
标回波与低速目标回波有相同的测速值
（速度不可分 —— 混叠）。
? 两难,
8m a xm a x
cVR ??
选用适当退模糊措施 /算法
? 选用适当退模糊算法可减缓两难困境,
? 参差脉冲重复频率法,PRF1,PRF2
? 软件法：在脉冲多普勒雷达课程中讲述。
)(4 21
m a x
ss TT
v
?
??
?
发射脉冲频谱
? 发射脉冲频谱与下面二者相关,
– 发射脉冲宽度 [距离分辨率 ],c τ /2 = R
– 发射脉冲形状,
矩形：谐波强，对发射机要求高
高斯：谐波少，发射机效率低
升余弦：谐波少，发射机效率高
? 雷达发射 [/脉冲 ]功率（峰值功率）：数百 KW
? 提高峰值功率和提高灵敏度等价，但前者成本
和难度更大。
天线波瓣宽度
? 天线波瓣宽度：反映雷达探测的角度分
辨率 [这会影响强度 /速度的测量精度 ]，
一般在 0.8o~ 3.0o之间。
? 与波长、天线尺寸、天线类型有关
? 有旁瓣影响
极化方式
? 线极化,
– 单极化：一般采用水平极化。
– 双极化,
水平极化 + 垂直极化,
有周期轮换方式和并行方式等。
? 椭圆极化,
国外试验效果不理想
? 双极化多普勒雷达,
除具有多普勒雷达的测速功能外还能准确测量降雨，
并可判断冰雹。
3.8 信号处理精度
及处理器实现考虑
? 相位测量
相位抖动 ?镜频
速度估值：平均速度,m/S
速度谱宽,m/S
? 强度测量
幅度失衡 ?镜频
强度估值：反射率（因子） /dBz
? 精度自学
S ( v )
v
0
2 ?
v
V
a v
? ??? dvvsdffsP r )()(
?
?
?
dvvS
dvvvS
V
)(
)(
?
? ?
?
dvvS
dvvSvv
v
)(
)()( 2
2?
x
v
j
r exPxR
?
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4
)()( ?
)](a r g [
4
xR
x
v
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?
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NR
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xv ?
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1
8 22
2
2
?
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?
?
?
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1
0
*
1
1
)(
N
K
kk SS
N
TR
强度估值
1、干扰抑制（地物 /超折射杂波处理）
2、距离订正
3、积分平滑：距离积分 + 脉冲积分
4、衰减订正
5、雷达常数订正
?反射率（因子） /dBz
3.9 应用考虑
3.9 应用考虑
? 气象雷达用于测量,
后向散射功率 和 径向速度参数
? 降雨测量,
反射率因子与降雨率（ Z-R）经验关系,
a和 b为拟合系数
? 强暴风雪报警：超短期 [/即时 ]预报
? 微爆现象,航空躲避
baRz ?
