雷达复习

雷达气象学绪论&第一章雷达基本概念1.常用的测雨雷达波段与波长？X波段——3.2cm、C波段（反射强，内陆地区，一般性降水）——5.7cm、S波段（穿透能力强、衰减少，沿海地区，台风、暴雨）——10.7cm2.雷达主要由哪几部分组成？①雷达数据采集子系统（RDA）：A.发射机：RDA是取得雷达数据的第一步——发射电磁波信号。RDA主要是由放大器完成，产生高效率且非常稳定的电磁波信号。稳定是非常重要的，产生的每个信号必须具有相同的初相位，以保证回波信号中的多普勒信息能够被提取。一旦信号产生，就被送到天线。B.天线：将发射机产生的信号以波束的形式发射到大气并接受返回的能量，确定目标物的强度，同时确定目标物的仰角、方位角和斜距进行定位。天线仰角的设置取决于天线的扫描方式（共有三种）、体扫模式（VCP）和工作模式（分为晴空和降水两种模式）。使用三种扫描方式：扫描方式#1：5分钟完成14个不同仰角上的扫描（14/5）扫描方式#2：6分钟完成9个不同仰角上的扫描（9/6）（我国）扫描方式#3：10分钟完成5个不同仰角上的扫描（5/10）体扫模式定义4个：VCP11---VCP11规定5分钟内对14个具体仰角的扫描方式。VCP21---VCP21规定6分钟内对9个具体仰角的扫描方式。VCP31---VCP31规定10分钟内对5个具体仰角的扫描方式。VCP32---VCP32确定的10分钟完成的5个具体仰角与VCP31相同。不同之处在于VCP31使用长雷达脉冲而VCP32使用短脉冲。工作模式：工作模式A：降水模式使用VCP11或VCP21，相应的扫描方式分别为14/5和9/6。工作模式B：晴空模式使用VCP31或VCP32，两者都使用扫描方式5/10。C.接收机：当天线接收返回（后向散射）能量时，它把信号传送给接收机。由于接收到的回波能量很小，所以在以模拟信号的形式传送给信号处理器之前必须由接收机进行放大。D.信号处理器：完成三个重要的功能：地物杂波消除，模拟信号向数字化的基本数据的转换，以及多普勒数据的退距离折叠。②雷达产品生成子系统（RPG）：产品生成、产品分发、通过UCP(雷达控制台）对整个雷达系统进行控制。③主用户处理器（PUP）：主要功能是获取、存储和显示产品。预报员主要通过这一界面获取所需要的雷达产品，并将它们以适当的形式显示在图形监视器上。④宽/窄带通讯子系统（WNC）及附属安装设备3.雷达的定位原理（距离、方位、仰角）？目标位置的确定——由于雷达收发共用天线，雷达的定位就是目标的定位1、方位：极坐标360度，正北方位0度，顺时针旋转2、仰角：地平为0度，向上为正3、距离：以雷达为中心，径向延伸R=C*dT/2,C：光速；dT：电磁波从发射到接收的时间4.常用的雷达参数是哪些？1、波长λ：电磁波传播时，从一个周期的起点到下一个周期的起点之间的最短距离。波长反映了波在空间上的周期性。2、脉冲宽度：一个脉冲的持续时间3、脉冲长度h=c：一个脉冲在空间走过的长度4、脉冲重复频率F（PRF）：每秒钟发射脉冲的次数5、脉冲重复周期T：从一个脉冲前沿到下一个脉冲前沿所持续的时间，F与T互为倒数6、平均功率Pav与发射功率Pt7、发射信号8、回波信号5.天气雷达常用的显示方式？PPI：平面位置显示器，简称平显。天线固定某仰角，以正北方向为起始方位顺时针作全方位360度圆锥扫描，显示目标的距离与方位。RHI：距离高度显示器，简称高显。天线固定某方位，做俯仰扫描，显示目标的垂直剖面。CAPPI：等高平面位置显示器(PPI所显示的是锥面回波，当天线的仰角不是0°时，并受地球曲率的影响，雷达天线的波束在不同距离上的高度不同。实际工作中需要等高面的回波显示-等高位置平面显示器（CAPPI），用体积扫描（不同仰角的一系列PPI扫描）资料经计算机插值处理而合成。6.分贝的定义与应用。分贝的定义：0log10PPNP:比较值P0:基准值表示电信号在传输过程中功率增加或减少的计算单位第二章气象目标对雷达电磁波的散射1.为何引进散射函数β？β在三维空间的图像及在三个坐标面上的图像？散射函数β（方向函数）——反映单位面积上入射波转化成散射波的能力，为了定量地描述散射能量分布的方向性。2.推导瑞利散射时散射截面的表达式Qs。2224654isiss2m1m3r128d),(S/dASS/PQ3.比较小粒子的散射截面、后向散射截面及几何截面的定义式、物理意义、大小？散射截面：dQs4,物理意义：反映粒子的总散射能力大小：222465213128mmrQs后向散射截面（雷达截面）：isSRS24意义：以入射波能流密度Si乘上雷达截面σ，得到一个散射粒子的总散射功率，当散射粒子以这个功率作各向同性散射时，散射到天线处的功率密度正好等于该粒子在天线处造成的实际的后向散射能流密度。大小：22246521mmD几何截面：42DS4.瑞利散射与米散射的主要区别与联系？联系：均为球形粒子造成的散射。区别：瑞利散射：dλ的小球型粒子散射。Rayleigh散射的能流密度空间分布是对称的，前后向相等且均为最大值。米散射：d≈λ的大球质点散射。米散射的前向散射（0度）集中了大部分能量。5.在不同D/λ时，比较σ水与σ冰的大小。瑞利区：干冰粒的散射大约是同体积水球散射的1/5米区：随冰粒直径的增大，雷达截面也增大，最大达水滴的10倍。6.非球形粒子如何出现正交偏振分量？当入射电场和椭球长轴既不平行也不正交时，会出现和入射电场向垂直的散射分量，即正交偏振分量。7.晴空回波的湍流散射机理？可造成湍流散射的湍流尺度？机理：在弹性散射中，入射光的能量没有损耗,但入射光的传播方向发生变化。当入射光的波长与散射目标的直径接近时,为布拉格散射。物理实质：不同尺度的湍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、特定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”。能造成散射的湍流尺度为雷达的半波长:L0=λ/2第三章大气、云、降水粒子对雷达波的衰减1.理解衰减因子K、衰减系数kL与分贝形式的衰减系数k的定义、量纲、物理意义及它们之间的关系。衰减因子K:假设没有考虑大气、云、降水等衰减时的平均回波率为1，则考虑大气、云、降水等衰减时的平均回波率的数值大小称为衰减因子10rrPPK物理意义：平均回波率为1时的衰减后平均回波率衰减系数kL:接收功率随距离的衰减与接收功率本身的大小以及距离成正比，比例系数kL即称为衰减系数dRPkPdrLr2单位：1/mkL的物理意义：由于衰减作用，单位接收功率在往返大气单位距离时所衰减掉的能量。分贝形式的衰减系数k:RrrkdRPP002lg10单位:dB/m它们之间关系：0200rdRkrrPKePPRL，Lkk343.4,RkdRK02102.与衰减有关的几个截面是什么？它们之间的关系？散射截面issSPQ/、吸收截面iaaSPQ/、衰减截面itastSPQQQ/单位时间内入射到该截面上的能量全部被散射、吸收和衰减掉了，是对粒子散射、吸收和衰减能力的度量.量纲：Q为面积，P为能量/时间，S为能量/时间面积3.雨强、波长与衰减的关系？雨强越大，衰减越大；（公式）IKIKktr2波长越大，衰减越小。（图）4.衰减可能造成的回波失真现象？①雨区面积变小（远处强回波已衰减，回波消失；衰减严重时，强雷暴后的弱回波区不可见）②雨区畸变（强回波中心减弱，次强中心成为强中心，靠近测站）③冰雹的V形缺口5.V型缺口的现象及成因？现象：1、Ｖ形缺口顶端的强回波，即强降雹区的位置2、Ｖ形缺口的中分线沿雷达的径向，而缺口两侧并不沿径向3、缺口的尖头始终对准测站雹暴的Ｖ形缺口成因：由于较强的降雹区对电磁波产生强烈的衰减，在远离雷达一侧出现呈Ｖ形的无回波缺口。6.考虑散射与衰减，如何选择雷达波长？气体对电磁波的衰减以吸收为主，波长大于2cm的雷达，气体吸收可以忽略。①对于3~10cm波长雷达，气体衰减一般可以忽略。②云滴对厘米波段的雷达波可以看成是小球粒子，液态云滴对于3cm雷达波在长距离时可造成几分贝的衰减。冰云对厘米波段的雷达波的衰减可以忽略。③雨滴对于小于10cm的雷达波一般可看做是大球粒子。除特大暴雨外，10cm雷达波在一般雨中的衰减可以忽略。5cm雷达波在中小雨中的衰减也可以忽略。第四章雷达气象方程1.目标雷达方程的推导思路，涉及哪些参数和公式？⑴天线辐射强度在波束内均匀分布天线增益：G=Smax/Sav（Sav：平均能流密度）各项同性辐射：Sav=Pt/4πR2定向辐射时：σ=Ss(π)4πR2/Smax雷达接收到的后向散射(反射)功率：Pr=Ss(π)Ae天线理论有Ae=λ2G/4πsreSPA/max雷达方程：43224RGPPtr⑵天线辐射强度在波束内不均匀分布天线增益为：2max,,,navavfSSSSG则雷达方程为：44322,4ntrfRGPP2.有效照射深度和有效照射体积？有效照射深度：雷达发射的脉冲具有一定的宽度τ，这个脉冲定向发射到空间将占有一定的长度h。只有在波束中距离R到R+h/2范围内的那些粒子散射的回波才能在同一时刻到达天线，称h/2为波束有效照射深度。有效照射体积：22hRRdRdRV（见补充中有效照射体积）3.为什么方程中要考虑2,f？雷达波束的电场强度在各个方向上分布不一样（天线辐射能量在各个方向上分布不均匀）而电磁波理论中，S(θ,ϕ)正比于E2(θ,ϕ),而|f(θ,ϕ)|=|E(θ,ϕ)|/|Emax|4.考虑衰减和充塞程度后的雷达气象方程？RkdRtrZmmRhGPP02.022222112310212ln10245.请分析平均接收功率Pr与各因素的关系？①Pt增加可以提高最大可测距离②脉冲宽度τ：决定有效照射深度，有效照射体积，盲区，平均发射功率τ增加，Pr增大，提高探测能力；有效照射体积增大，距离分辨能力下降。τ的选取：大范围监测时取大τ，低PRF；结构探测时取小τ，高PRF③波束宽度：抛物面天线，波束宽度与天线直径D有近似式：θ=ϕ=73°λ/Dθ，ϕ增大，天线发射能力越分散，水平垂直分辨率下降，入射能流密度减小很快，使有效探测距离变小，能量回波变弱，充塞难以保证。④天线增益G增加时，Pr以平方的倍数增加。2/pAGAp为天线截面积，λ不变，Ap越大，G越大；Ap不变，波长越长，增益越小，为了保证达到一定增益，波长越长的雷达，使用天线越大⑤气象因子的作用——目标物的后向散射特性|K|2Z:与粒子的大小、形状、相态、温度等有关；波束路径上各种粒子对雷达波的衰减作用。⑥距离因子：由于能流密度随距离增大而变小，使Pr与距离R2成正比。第五章超短波在大气中的折射1.产生折射的物理原因？折射定律？电磁波传播路径为何在分层大气中向下弯曲？物理原理：光波或电磁波在不同介质中传播速度不同所致折射定律：rivvrisinsin入射角i，折射角r，传播速度v折射定律：正弦定律：33222211sinsinsinsinnjnnjn23221211sinsinsinsinrjrrjr大气密度-上疏下密，n1n2n3，从地面向上，折射角大于入射角2.折射率n与P、e、T的关系？)4810(6.7710)1(6TepTnNn主要随P减小而减小3.熟悉5种典型折射的特点（定义、路径、判据、等效地球半径）标准大气折射传射路径不是直线，而是微微向下弯曲由于K值比地球曲率15.7*10-8m-1要小，所以传播路径曲率在直线和地球曲率之间。等效地球半径：kmRdhdnRRRmmmm8500341010*4117.010*418112mdhdnKmdhdMmdhdN临界折射：射线相对于地