1、多普勒天气雷达探测原理多普勒雷达的工作原理多普勒效应多普勒频移最大不模糊距离与距离折叠最大不模糊速度与速度模糊多普勒雷达两难退模糊方法风场反演方法多普勒效应l 多普勒效应：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：火车的汽笛声，恒星的移动多普勒效应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。发射脉
2、冲在雷达和目标之间的往返距离为2r，用相位来度量为2r/2。若发射脉冲的初始相位为0，则散射波的相位为=0+4r/。目标物沿径向移动时，相位随时间的变化率（角频率）另一方面，角频率与频率的关系 则多普勒频率与目标运动速度的关系fD=2vr/44rddrvdtdt2Ddfdt多普勒频移雷达波长，径向速度以及多普勒频移的关系多普勒速度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：垂直方向上的风切变；波束宽度；大气的湍流运动；不同直径的降水粒子下落末速度的不均匀分布。多普勒速度
3、谱宽最大不模糊距离与距离折叠n 最大不模糊距离最大不模糊距离Rmax：一个雷达脉冲在下一个脉冲发射之前遇到目标物并且其回波能够返回雷达的最大距离。其中，Rmax为最大不模糊距离，c为光速，T为脉冲重复周期，PRF为脉冲重复频率。n距离折叠（模糊）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Rmax之外时，雷达却把目标物显示在Rmax以内的某个位置，目标物方位是正确的但距离是错误的。max122cRcTPRF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目标位于最大不模糊距离之外，有距离折叠（模糊）发生。最大不模糊距离与距离折
4、叠最大不模糊距离与距离折叠最大不模糊速度与速度模糊径向速度和初位相的关系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0。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1=0+22r/。n第二个脉冲遇到目标物时，目标相对于雷达的距离为r+r，回波达到雷达时的位相2=0+22(r+r)/。n两脉冲的位相差=2-1=22r/=4r/。n目标物径向速度Vr=r/T=rPRF=/4PRF。最大不模糊速度与速度模糊l 速度模糊：速度模糊：如果目标真实的径向速度大于（小于）Vrmax（-Vrmax），则多普勒雷达将给出错误的速度信息。真实速度的可能值Vr-2nVrmax
5、或Vr+2nVrmax。l最大不模糊速度最大不模糊速度：多普勒雷达能够测量的一个脉冲到下一个脉冲的最大相移是180（弧度）。与180相移对应的目标物的径向速度称为最大不模糊速度。max4rPRFV最大不模糊速度与PRF的关系PRF(Hz)波长(cm)2005001000200031.53.75 7.51552.56.25 12.5 25105.012.5 25.0 50最大不模糊速度与速度模糊速度模糊的原因速度模糊的原因 最大不模糊速度与速度模糊l如果目标运动的真实脉冲对相移小于180，雷达对速度的测量是正确的；如果目标运动的真实脉冲对相移超过180，则将赋给它一个小于180的相移值，那么速度
6、的测量是不正确的，或者说速度是模糊的。速度模糊示意图速度模糊示意图 maxmaxmaxmax22rrrTrrTrrrTrVnVVVVVnVVV 最大不模糊速度与速度模糊多普勒雷达两难多普勒雷达两难根据最大不模糊距离与不模糊速度的表式知，对每个特定雷达而言，在确定的频率下，探测的最大距离和最大速度不能同时兼顾。最大不模糊距离与不模糊速度maxmax8cVR最大不模糊距离与不模糊速度最大不模糊距离与最大不模糊速度 多普勒天气雷达使用不同的脉冲重复频率测量反射率因子和速度数据。用低PRF测反射率因子，用高PRF测速度。速度模糊的识别速度模糊的识别速度模糊的识别 径向连续性检查退模糊方法风场反演 鉴于
7、单多普勒雷达仅能获取风场的径向分量，不能直接反映真实风场，因此需要进行风场反演还原。风场反演方法分类：1.三部多普勒雷达反演 2.双部多普勒雷达反演 3.单多普勒雷达反演VAD方法反演风场 VAD方法利用天线以某一固定仰角作360方位扫描，可反演出降水区不同高度上的平均风向风速和平均散度等。Vr()=Vh()cos()cos(-0)-Vf()sin()其中：Vr()是方位角上的径向风速；Vh水平风速；Vf垂直风速；天线仰角；0为水平风向与y轴的夹角；r是探测点距离雷达的水平距离某方位角上的径向速度 均匀风场的风向风速均匀风场的风向风速Vh，Vf，0为常量，不随方位角变化，由上式可知，某一径向距
8、离r上的径向速度Vr()将按余弦方式变化，并叠加了常量Vf()sin()。当天线指向水平风的来向（迎风），=0+，此时的径向速度为Vr1=-Vhcos()-Vfsin()当天线指向水平风的去向（背风），=0，此时的径向速度为Vr2=Vhcos()-Vfsin()水平风速：Vh=(Vr2-Vr1)/(2cos()垂直风速：Vf=-(Vr1+Vr2)/(2sin()VAD方法反演风场 VAD显示VAD方法反演风场 请粗略描绘以下速度图对应的VAD图像（内圈，令Vmax=25m/s）VAD方法反演风场 水平风速随高度的变化-垂直廓线显示VAD方法反演风场线性风场的平均风向风速，平均散度和平均形变线性
9、风场的平均风向风速，平均散度和平均形变当水平风场不均匀时，VAD技术显示的将不是简单的余弦曲线。假定在某距离圈上实际风的垂直分量是常数、水平风场呈线性分布。展开径向速度的表达式Vr(）=Vh()cos()cos(0)cos()+Vh()sin()sin(0)cos()-Vf()sin()=ucos()cos()+vsin()cos()-Vf()sin()其中，u，v是水平风速Vh在水平轴x、y上的分量。依据垂直分量是常数、水平风场呈线性分布的假定，有：u=u0+uxrsin()+uyrcos()v=v0+vxrsin()+vyrcos()其中u0，v0是以雷达为中心处的风速水平分量。VAD方法
10、反演风场l将u、v带入径向风速Vr()：Vr()=u0cos()cos()+v0sin()cos()+1/2*(ux+vy)rcos()+1/2*(ux-vy)rcos(2)cos()+1/2*(uy+vx)rsin(2)cos()-Vf()sin()l同时，可以将Vr()展成傅里叶级数，写成方位角的谐波形式 Vr()=1/2a0+a1cos()+b1sin()+a2cos(2)+b2sin(2)+.+ancos(n)+bnsin(n)l经过对照a0=(ux+vy)rcos()-2Vfsin()a1=u0cos()b1=v0cos()a2=1/2(uy-vx)rcos()b2=1/2(uy+vx)rcos()VAD方法反演风场VAD方法反演风场l散度：Div Vh=ux+vy=a0+2Vfsin()/rcos()=a0/rcos()+(2Vf/r)tg()l如果仰角很小，散度可近似计算Div Vh=a0/rcos()l水平风速：Vh=(a12+b12)1/2/cos()l水平风向：tg()=b1/a1(为方位角，从正北顺时针旋转)=/2tg-1(a1/b1)(b10)或=3/2tg-1(a1/b1)(b10)l水平风场形变：Def Vh=2(a22+b22)1/2/rcos()
