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顺风耳----气象雷达 3.1 探测原理 气象雷达的基本工作原理与一般的雷达相同，可以概括地描述为：它间歇性地向空中发射电磁波列（称为探测脉冲），然后接收被气象目标散射回来的电磁波列（称为回波信号），并在荧光屏上显示出来，从而确定气象目标的空间位置和特性。 在雷达探测中，目标的空间位置是用离雷达站的直线距离r、相对于雷达站的仰角α和方位角β来表示的，见图3.1。 3.1 目标空间位置的确定 ? 3.1.1 目标距离的测定 目标离雷达的距离r是根据电磁波的传播速度和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔Δt来确定的。电磁波在大气中的传播速度与在真空中稍有不同，但对测距精度的影响很小，故仍可取c=3×108m/s。因此： (3.1) s为单位，故上式可写成： r=0.15Δt (km) (3.2) r=150Δt (m) (3.3) ? 3.1.2 目标方位角和仰角的测定 目标的方位角和仰角的测定是依靠天线的方向性来实现的。天气雷达的天线具有很强的方向性，它能将探测脉冲的能量集中地向某一方向发射。同样，它也只能接收沿同一方向来的回波信号。所以，只有当天线对准目标时，才能接收到目标的回波信号。根据这一原理，当发现目标时，天线所在的方位角和仰角就是目标相对于雷达的方位角和仰角。 ? 3.1.3 目标特性的测定 气象目标对雷达电磁波的散射是雷达探测大气的基础。大气中引起雷达波散射的主要物质是大气介质，云、降水粒子等。其中大气介质的散射与反射包括大气气体分子的散射，以及大气介质折射指数分布不均匀引起的散射与反射。云、降水粒子的散射情况随相态、几何形状不同而异，表示气象目标散射特性的物理量有雷达截面，即后向散射截面，雷达反射率以及雷达反射率因子。雷达回波功率是由有效照射体积内所有气象目标产生的。 有的雷达在大气中的无云区，或在由不可能被探测到的很小粒子所组成的云区内能探测到回波，说明这种雷达的灵敏度很高，探测到的回波称为晴空回波。产生这种回波的气象条件有二种：一是大气中存在折射指数不均匀的区域，即湍流大气造成了对雷达波的散射；二是分层大气中存在折射指数垂直梯度很大的区域，即大气对雷达波造成了镜式反射。 ? 3.1.4 多普勒雷达探测原理 多普勒雷达发射出的电磁波，遇到运动的目标物后，返回信号产生频率漂移，从而可导出目标物相对于雷达运动的径向速度。 假设目标物的径向速度为υ，脉冲重复周期为T，则在后一个发射脉冲的时刻，目标物和雷达之间的距离将比前一个发射脉冲发射时变化了υT的距离，这个脉冲发射回来时在空中的传播距离将有2υT的变化。和这个距离变化相应的相位ψ的变化应是： 3.4） （3.5） 就是角频率ω，且ω和频率f之间的关系为ω=2πf。把这个关系代入（3.5）式，即得： (3.6) fD ? ? 3.2 云雨雷达 云雨雷达，顾名思义，它就是以云、雨等降水粒子为检测目标的一类气象雷达。与现代多普勒雷达不同的是，云雨雷达只关心云、雨、雹等粒子的产生及降水的形成、维持、发展和消散的过程，因此，俗称“常规天气雷达”。 3.2.1 天气雷达的测云能力 一个气象目标能否被天气雷达所探测到，取决于回波信号的功率是否大于雷达接收机的最小可辩功率。因此，天气雷达的探测能力不仅取决于雷达的技术参数，还取决于气象目标的强弱、途中介质的衰减，以及雷达发出的探测脉冲是否能照射到该气象目标。 普通的云由于云滴的直径很小，不足以产生足够的回波功率而很难探测到。那么，什么样的云才能探测到呢？有人根据云、雨滴谱的观测资料，得出一些云、雨的平均反射因子（Z）值，如表3.1所示。 3.1 一些云、雨的平均Z值 的种类 Ac As Sc St Cu Cb 小雨（1.25mm/h） 5.0mm/h） 12.5mm/h） Z(mm6/m3) 7.1×10-4 7.6×10-4 3.6×10-3 4.5×102 4.5×103 1.4×104 Ac—高积云，As—高层云，Sc—层积云，St—层云，Cu—积云，Cb—积雨云 3cm雷达为例，在不考虑途中衰减、并假设充塞系数为1的情况下，我们可以计算出不同距离r处对应最小可变功率Pmin的Zmin值，如表3.2所示。 3.2 某X波段天气雷达能够探测到的最小Z值 r (km) 1 10 100 Zmin(mm6/m3) 4.1×10-3 4.1×10-1 4.1×10