多普勒天气雷达的数据模糊与退模糊方法
摘要：现如今，多普勒天气雷达在民航气象行业中的应用是越来越广泛。特别是在夏季梅雨和雷雨多发的季节，天气雷达的探测给预报员们提供了准确及时的气象信息，大大提高了预报的准确率。
早期的雷达只具备探测目标强度的能力。随着科技的发展，新一代的多普勒天气雷达具备了探测气象目标移动速度和方向的能力，这无疑让预报员在判断气象目标发生发展趋势的时候有了更好的依据。但是多普勒天气雷达在探测目标的时候，会发生距离模糊和速度模糊的现象，本文主要讨论距离模糊和速度模糊产生的原因及解决办法。
关键词：天气雷达；多普勒测速；距离模糊；速度模糊
1 引言
在如今科技和经济飞速发展的时代下，“安全第一”始终是民航空管系统的第一宗旨，飞行安全也是民航事业的灵魂和纽带。而在保障飞行安全的过程中，气象在其中起到的重要作用已经受到人们的广泛重视。
早期的天气雷达只具备探测目标回波强度的能力，没有多普勒测速的功能，因此，其应用范围受到一定的限制。而随着多普勒效应被人们所熟知和应用，新一代的多普勒天气雷达诞生了，它除了能探测目标的强度之外，还具备了探测目标的移动速度和方向的能力，从而为雷达的用户提供了更加全面的信息。特别是在梅雨和雷雨季节，雷达通过接收大气中的气象目标对电磁波的后向散射回波来获取它们的信息，测定其空间位置和强弱分布，并进一步让预报员了解强对流天气系统的生消过程和变化趋势，为保障航班的准时起降起到了重要的作用。
多普勒天气雷达在对大气风场环境和强对流天气系统的探测方面也发挥着巨大的作用，民航气象从业人员能够通过对速度图像的分析，判断大气中气流的运动趋势，在例如微下击暴流和低空风切变等这些恶劣天气产生影响之前给出一定的预判信息，保证民航飞行有效的避免这些安全隐患。
2 多普勒天气雷达的工作原理
2.1 雷达探测的基本原理
雷达发射机产生的是高频电磁波能量，这些能量由天线集中之后向大气空间中定向辐射出去。雷达探测的基本原理是：雷达以一定的工作参数发射电磁波，当电磁波在大气中遇到气象目标后，便会产生后向散射的回波，计算电磁波从发出到被接收到的时间，便可测得气象目标的距离。由于：
V=2R/T
其中，在大气中电磁波的传播速度V=C，即光速（3×10F）；R为气象目标距离雷达的距离；T为电磁波从发射到被接收到之间的时间。由此可得：R=（V×T）/2
2.2 多普勒效应及多普勒测速原理
多普勒效应[1]的主要概念为：物体的频率由于波源和观测者之间的相对运动而产生变化。当观测者靠近波源运动时，波被压缩，波长变短，频率变高；当观测者远离波源运动时，会产生相反的效应，波长变长，频率变低。观测者和波源之间的相对速度越高，所产生的效应越大。根据频率的变化量，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。
多普勒天气雷达便是利用了多普勒效应的原理，从气象回波的频率变化中计
天气雷达是探测降水系统的主要手段，是对强对流天气（冰雹、大风、龙卷和暴洪）进行监测和预警的主要工具之一。 多普勒雷达除测量反射率因子、还可测量径向速度和速度谱宽。 S频段（10cm）、C频段（5cm）、X频段（3cm）。 我国新一代天气雷达的布局原则： 1、在我国沿海和多强降水的地区，布设S频段； 2、在我国强对流天气发生和活动较频繁、经济比较发达的中部地 区，布设C频段； 3、其他地区暂不布设全国组网的站点； 4、在天气、气候相近的地区，组网新一代天气雷达在频段和规格 上要尽可能统一； 5、组网雷达站距密度应保证雷达探测能有效覆盖布网区域。 计划在全国共布臵158部新一代天气雷达。 新一代天气雷达的应用领域 新一代天气雷达系统的应用主要在于对灾害性天气，特别是与风灾和冰雹相伴随的灾害性天气的监测和预警。它还可以进行较大范围降水的定量估测，获取降水和降水云体的风场结构。 1、对灾害性天气的监测和预警； 2、定量估测大范围降水； 3、风场信息； 4、改善高分辨率数值天气预报模式的初值场。 雷达估测降水除了雷达本身的精度的限制外，还受到降水类型（影响
Z-R关系）、雷达探测高度、地面降水的差异和风等多种因素的影响。新一代天气雷达由：雷达数据采集子系统（RDA）、雷达产品生成子系统（RPG）和主用户终端子系统（PUP）以及连接它们的通讯线路。RDA由四部分构成：发射机、天线、接收机和信号处理器。 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） 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： VCP11：规定5分钟内对14个具体仰角的扫描 VCP21：规定6分钟内对9个具体仰角的扫描 VCP31：规定10分钟内对5个具体仰角的扫描 VCP32：规定10分钟完成5个具体仰角与VCP31相同。不同之处在于VCP31使用长脉冲而VCP32使用短脉冲。 VCP11通常在强对流风暴出现的情况下使用，而VCP21在没有强对流但有显著降水的情况下使用，其它情况下使用VCP31。 天气模式： 天气模式A：降水模式，使用VCP11或VCP21； 天气模式B：晴空模式，使用VCP31或VCP32； 信号处理器完成三个重要功能：地物杂物波消除、模拟信号向数字化的基本数据的转换、退多普勒数据的距离折叠。 RDA内的数据记录
1多普勒天气雷达原 理与应用
第六部分 多普勒天气雷达原理与应用（周长青） 我国新一代天气雷达原理；天气雷达图像识别；对流风暴的雷达回波特征；新一代天气雷达产品 第一章 我国新一代天气雷达原理 一、了解新一代天气雷达的三个组成部分和功能 新一代天气雷达系统由三个主要部分构成：雷达数据采集子系统（RDA ）、雷达产品生成子系统（RPG ）、主用户处理器（PUP ）。 二、了解电磁波的散射、衰减、折射 散射：当电磁波束在大气中传播，遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。 衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象称为衰减，造成衰减的物理原因是当电磁波投射到气体分子或云雨粒子时，一部分能量被散射，另一部分能量被吸收而转变为热能或其他形式的能量。 折射：电磁波在真空中是沿直线传播的，而在大气中由于折射率分布的不均匀性 （密度不同、介质不同），使电磁波传播路径发生弯曲的现象，称为折射。 2 /3730/776.0T e T P N +=波束直线传播 波束向上弯曲波束向下弯曲000=> 雷达波长，K 表示与复折射指数有关的系数，C 为常数，之决定于雷达参数和降水相态。 四、了解距离折叠 最大不模糊距离：最大不模糊距离是指一个发射脉冲在下一个发射脉冲发出前能向前走并返回雷达的最长距离，Rmax=0.5c/PRF, c 为光速，PRF 为脉冲重复频率。 距离折叠是指雷达对雷达回波位置的一种辨认错误。当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位角是正确的，但距离是错误的（但是可预计它的正确位置）。当目标位于最大不模糊距离（Rmax ）以外时，会发生距离折叠。换句话说，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，我们称之为‘距离折叠’。 五、理解雷达探测原理。 反射率因子Z 值的大小，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，反射率越大，说明单位体积中，降水粒子的尺度大或数量多，亦即反映了气象目标强度大。 反射率因子（回波强度）： ?=dD D D N Z 6)( 3 60/1m mm Z = 即反射率因子为单位体积内中降水粒子直径6次方的总和。 意义：一般Z 值与雨强I 有以下关系： 层状云降水 Z=200I1.6 地形雨 Z=31I1.71 雷阵雨 Z=486I1.37 新一代天气雷达取值 Z=300I1.4 六、了解雷达资料准确的局限性、资料误差和资料的代表性 由于雷达在探测降水粒子时，以大气符合标准大气情况为假定，与实际大气存在 一定的差别，使雷达资料的准确度具有一定的局限性，且由于雷达本身性能差异及探测方法的固有局限，对探测目标存在距离折叠及速度模糊现象，对距离模糊和速度模糊的处理等，均增大了雷达资料的误差。虽然如此，由于径向速度是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，为平均径向速度，雷达反射率因子通过对沿径向上的四个取样体积平均得到的，其径向分辨率相当于四个取样体积的长度，这也使雷达探测的资料具有一定的代表性。 第二章 天气雷达图像识别 一、掌握多普勒效应 多普勒效应为，当接收者或接受器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接受者或接收器时频率的变化。多普勒频率，是由于降水粒子等目标的径向运动引起的雷 多普勒天气雷达的数据模糊与退模糊方法 摘要：现如今，多普勒天气雷达在民航气象行业中的应用是越来越广泛。特别是在夏季梅雨和雷雨多发的季节，天气雷达的探测给预报员们提供了准确及时的气象信息，大大提高了预报的准确率。 早期的雷达只具备探测目标强度的能力。随着科技的发展，新一代的多普勒天气雷达具备了探测气象目标移动速度和方向的能力，这无疑让预报员在判断气象目标发生发展趋势的时候有了更好的依据。但是多普勒天气雷达在探测目标的时候，会发生距离模糊和速度模糊的现象，本文主要讨论距离模糊和速度模糊产生的原因及解决办法。 关键词：天气雷达；多普勒测速；距离模糊；速度模糊 1 引言 在如今科技和经济飞速发展的时代下，“安全第一”始终是民航空管系统的第一宗旨，飞行安全也是民航事业的灵魂和纽带。而在保障飞行安全的过程中，气象在其中起到的重要作用已经受到人们的广泛重视。 早期的天气雷达只具备探测目标回波强度的能力，没有多普勒测速的功能，因此，其应用范围受到一定的限制。而随着多普勒效应被人们所熟知和应用，新一代的多普勒天气雷达诞生了，它除了能探测目标的强度之外，还具备了探测目标的移动速度和方向的能力，从而为雷达的用户提供了更加全面的信息。特别是在梅雨和雷雨季节，雷达通过接收大气中的气象目标对电磁波的后向散射回波来获取它们的信息，测定其空间位置和强弱分布，并进一步让预报员了解强对流天气系统的生消过程和变化趋势，为保障航班的准时起降起到了重要的作用。 多普勒天气雷达在对大气风场环境和强对流天气系统的探测方面也发挥着巨大的作用，民航气象从业人员能够通过对速度图像的分析，判断大气中气流的运动趋势，在例如微下击暴流和低空风切变等这些恶劣天气产生影响之前给出一定的预判信息，保证民航飞行有效的避免这些安全隐患。 2 多普勒天气雷达的工作原理 2.1 雷达探测的基本原理 雷达发射机产生的是高频电磁波能量，这些能量由天线集中之后向大气空间中定向辐射出去。雷达探测的基本原理是：雷达以一定的工作参数发射电磁波，当电磁波在大气中遇到气象目标后，便会产生后向散射的回波，计算电磁波从发出到被接收到的时间，便可测得气象目标的距离。由于： V=2R/T 其中，在大气中电磁波的传播速度V=C，即光速（3×10F）；R为气象目标距离雷达的距离；T为电磁波从发射到被接收到之间的时间。由此可得：R=（V×T）/2 2.2 多普勒效应及多普勒测速原理 多普勒效应[1]的主要概念为：物体的频率由于波源和观测者之间的相对运动而产生变化。当观测者靠近波源运动时，波被压缩，波长变短，频率变高；当观测者远离波源运动时，会产生相反的效应，波长变长，频率变低。观测者和波源之间的相对速度越高，所产生的效应越大。根据频率的变化量，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。 多普勒天气雷达便是利用了多普勒效应的原理，从气象回波的频率变化中计 第十四章多普勒天气雷达知识 第一节引言 RADAR（Radio Detection and Ranging）是一个利用电磁波进行探测、定位的仪器。最早用于军事目的，后来在气象部门也逐渐得到使用。它具有准确、客观和实时的特点。近年来，多普勒雷达的技术也逐渐成熟，它除了保持常规天气雷达的特点外，还通过计算频率（相位）的变化，提取风场的一些特征，因而更具有使用价值。 我国新一代天气雷达建设是我国20世纪末、21世纪初的一项跨世纪气象现代化工程。我国新一代天气雷达组网的目标和原则是：在我国东部沿海和多强降水地区和四川盆地的大部分地区，布设S波段（波长10cm）新一代天气雷达；在我国强对流天气发生和活动比较频繁、经济比较发达的中部地区，布设C波段（波长5cm）新一代天气雷达；其它地区，即我国第一地形阶梯地域的青、新、藏等流域暂不布设全国组网的站点；但省（区）会所在地和重要地区根据气象服务工作的需要和可能，按统一业务布点要求设置新一代C波段天气雷达，作为局地监测和服务使用。计划在全国部署158部新一代天气雷达。图14-1为其中的126部的站点示意图。截止到2005年5月份为止，已布设80余部新一代天气雷达。 图14－1我国新一代天气雷达网站 新一代天气雷达将全部选用Ｓ和Ｃ两种波段，选取全相干体制，其主要探测和测量对象，包括降水、热带气旋、雷暴、中尺度气旋、湍流、龙卷、冰雹、融化层等，并具备一定的晴空回波的探测能力。 第二节多普勒天气雷达的基本工作原理 粒子对电磁波作用的两种基本形式是散射和吸收。气象目标对雷达电磁波的散射作用是雷达探测大气的基础。当天气雷达间歇性地向空中发射电磁波（称为脉冲式电磁波）时，它以近于直线的路径和接近光波的速度在大气中传播，在传播的路径上，若遇到空气分子、大气气溶胶、云滴和雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些粒子上向四面八方传播开来，这种现象称为散射。粒子产生散射的原因是：粒子在入射电磁波的作用下被极化，感应出复杂的电荷分布和电流分布，它们也要以同样的频率发生变化，这种高频率变化的电荷分布和电流分布向外辐射的电磁波，就是散射波。雷达波束通过云和降水粒子时被散射，其中一部分后向的散射波要返回雷达方向，被雷达天线接收。在雷达探测中，气象目标的空间位置是用雷达天线至目标物的直线距离Ｒ（亦称斜距）、雷达天线的仰角和方位角来表示。斜距Ｒ可根据电磁波在大气中的传播速度Ｃ和探测脉冲与回波信号之间的时间间隔来确定（图14-2）。 图14－2 电磁波传播和粒子散射示意图 多普勒天气雷达除了具备探测云和降水回波的位置及强度功能外，它以多普勒效应为基础（多普勒效应是指发射源和接收器之间有相对的径向运动时，虽然发射源所发射的信号频率固定不变，但接受器所收到的信号频率相对于发射源的频率却发生了变化，1842年首先被澳大利亚物理学家J.Doppler发现），通过测定接收回波信号与发射探测脉冲信号频率之间出现的频率差异，在得到目标物的反射率因子外，还可以测定散射体相对于雷达的径向速度和速度谱宽，并根据这三个基本量，可推断出相应的天气系统，尤其是降水天气系统的某些内部结构和特征，它对降水成因、中小尺度天气系统以及强对流造成的灾害性天气的监测与研究具有重要意义，是发布严重灾害性天气警报和临近预报的重要探测工具。 新一代天气雷达采用多普勒体制，它的发展是建立在无线电技术，信息处理技术和计算机技术基础上的，所以新一代天气雷达亦称多普勒天气雷达。 第三节多普勒天气雷达基本组成 新一代多普勒天气雷达的模糊技术 多普勒天气雷达是利用气象目标的回波信息来探测 雨、雪及冰雹等天气状况的位置和强度分布情况。气象目标的动态范围通常大于80DB,在强对流天气条件下的平均速度 会超过30m/s，因此要求气象雷达具有较大的测距和测速范围，否则就会出现距离和速度模糊现象。本文探讨了如何使用双脉冲重复频率技术提高多普勒天气雷达数据质量的问题。 关键词】双脉冲重复频率速度模糊距离模糊 确定了一部雷达的脉冲重复频率，其实也就确定了它能 探测的最大不模糊距离。如果探测目标斜距所造成的延时大于了雷达的脉冲重复周期，那就造成雷达对目标的距离测量值并不是目标的真实距离，而是相对于雷达脉冲重复周期整数倍的余数，这也就产生了距离模糊（距离折叠）。同理，当探测目标的径向速度所造成的多普勒频移超出脉冲重复频率时，则雷达的测量值是以脉冲重复频率为模的余数，就会出现了速度模糊（速度折叠） 目前最流行的事利用双脉冲重复频率法（DPRF来解模 糊处理，双脉冲重复频率法就是参差重复频率法的一种，而且是得到最广泛应用的一种。主要是因为双脉冲重复频率法 不仅能很好的解距离模糊，也能很好的解速度模糊。 1双脉冲重复频率技术解模糊方法的基本原理 1.1 双脉冲重复频率技术解距离模糊的基本原理双重复频率解距离模 糊的原理是由雷达发射两种不同 重复频率的脉冲序列而测量值求余数来计算出目标真实距离。解距离模糊的过程就是解一组同余式联立方程组的过程。 但是应用这种方法还是有个前提就是要保证这个同余方程成立，这时雷达参数就必须满足下列条件： 1）两种重复频率下发射的雷达脉冲序列，其脉冲宽 度要保持不变，我们设脉冲宽度为T，即T为一常数（只是 在解模糊时）； 2）两种重复频率所对应的周期必须是T的整倍数，，，m1 和m2 是整数； 3）m1 和m2 还必须满足最接近和互素这两个条件， 这才能保证在m1 m2 乘积不变的情况下，使雷达系统达到最大的距离不模糊能力。 1.2 双脉冲重复频率技术解速度模糊的基本原理当雷达处于中等重复 频率工作方式时，其脉冲重复频率 小于目标的径向速度所引起的多普勒频移，这时候雷达的测量值是以重复频率为模的余数，速度模糊就产生了。其实这和距离模糊是差不多的，我们都可以采用双脉冲重复频率技 1 多普勒天气雷达主要由几个部分构成？每个部分的主要功能是什么？ 答：主要由雷达数据采集子系统（RDA ），雷达产品生成子系统（RPG ），主用户终端子系统（PUP ）三部分构成。RDA 的主要功能是：产生和发射射频脉冲，接收目标物对这些脉冲的散射能量，并通过数字化形成基本数据。RPG 的主要功能是：由宽带通讯线路从RDA 接收数字化的基本数据，对其进行处理和生成各种产品，并将产品通过窄带通讯线路传给用户，是控制整个雷达系统的指令中心。PUP 的主要功能是：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监视器上。 2 多普勒天气雷达的应用领域主要有哪些？ 答：一、对龙卷、冰雹、雷雨大风、暴洪等多种强对流天气进行监测和预警；二、利用单部或多部雷达实现对某个区域或者全国的降水监测；三、进行较大范围的降水定量估测；四、获取降水和降水云体的风场信息，得到垂直风廓线；五、改善高分辨率数值预报模式的初值场。 3 我国新一代天气雷达主要采用的体扫模式有哪些？ 答：主要有以下三个体扫模式：VCP11——规定5分钟内对14个具体仰角的扫描，主要对强对流天气进行监测；VCP21——规定6分钟内对9个具体仰角的扫描，主要对降水天气进行监测；VCP31/VCP32——规定10分钟内对5个具体仰角的扫描（使用长脉冲），主要对无降水的天气进行监测。 4 天气雷达有哪些固有的局限性？ 答：一、波束中心的高度随距离的增加而增加；二、波束宽度随距离的增加而展宽；三、静锥区的存在。 5 给出雷达气象方程的表达式，并解释其中各项的意义。 答： P t 为雷达发射功率(峰值功率)； G 为天线增益；h 为脉冲长度； 、 ：天线在水平方向和垂直方向的波束宽度； r 为降水目标到雷达的距离； ：波长； m ：复折射指数； Z 雷达反射率因子。 6 给出反射率因子在瑞利散射条件下的理论表达式，并说明其意义。 答：∑= 单位体积6i D z ，反射率因子指在单位体积内所有粒子的直径的六次方的总和，与波长无关。 7 给出后向散射截面的定义式及其物理意义。 答： 定义：设有一个理想的散射体，其截面面积为?，它能全部接收射到其 上的电磁波能量，并全部均匀的向四周散射，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面积?就称为实际散射体的后向散射截面。 物理意义：定量表示粒子后向散射能力的强弱，后向散射截面越大，粒子的后向散射能力越强，在同等条件下，它所产生的回波信号也越强。 8 什么是天气雷达工作频率？什么是天气雷达脉冲重复频率？ 答：工作频率——天气雷达发射的探测脉冲的震荡频率 脉冲重复频率——每秒产生的触发脉冲的数目 Z R C Z m m r h G p p t r ?=?+-=22222223212ln 1024λθ?πθ?λi S s R S 24πσ= 多普勒雷达速度退模糊方法分析 陈宏波;闵锦忠;丁文文;蒋骏;钱昊钟 【摘要】速度退模糊方法的基本思路一般是先找到可靠观测,以可靠观测为基础进行空间连续性检查.文章设计了模拟的雷达径向风资料,对比了两种典型的自动退模糊方法,一种Zhangjian的基于零风速线的方法;另外一种是Xuqin的基于反演平均风的方法.模拟资料的检验结果表明:(1)Zhangjian的方案对零风速线与某一条径线较匹配时,会取得较好效果,否则找不到弱风区,退模糊失败;(2)Xuqin的方案对非线性很敏感,非线性越强,效果越差.文中设计了一种寻找弱风区确切位置的算法.使用模拟资料的测试效果表明,新方案继承了零线方案的优点,另外,当零风速线的走向与观测径线差异较大时,仍然可以取得较好的结果. 【期刊名称】《内蒙古气象》 【年(卷),期】2015(000)003 【总页数】6页(P18-23) 【关键词】多普勒雷达;退模糊;零风速线 【作者】陈宏波;闵锦忠;丁文文;蒋骏;钱昊钟 【作者单位】南京信息工程大学,江苏南京210044;常州市气象局,江苏常州213000;南京信息工程大学,江苏南京210044;金坛市气象局,江苏金坛213299;常州市气象局,江苏常州213000;宜兴市气象局,江苏宜兴214206 【正文语种】中文 【中图分类】P415.2 多普勒雷达观测资料在临近预报和数值预报中都起着重要作用。雷达资料的时空分辨率使其几乎可以实时提供雷达附近数百公里范围内的降水、风场、大气中水汽和冰粒等气象状态的信息，这对提高临近预报甚至是短时预报的水平起到了几乎不可替代的作用。另外，将雷达资料应用于数值预报中时，使用适当的同化方式可以为数值预报模式提供一个更加准确的初始场，进而改善数值预报效果。因此，雷达数据的质量就显得尤其重要。 受到脉冲重复频率（PRF）和波长（λ）的限制，存在一个最大不模糊速度（Vmax）。当实际风速（VT）超过这个速度时，就会发生模糊，观测值是V0，n是折叠次数，取值0,1,2等[1]。 解决测速模糊的方法研究很早就已经开始。从20世纪70年代以来，气象工作者开发了多种退模糊方法。早期的方案都是依赖观测场的空间连续性约束来检查观测是否模糊。1977年Ray edd[2]提出第一种退模糊算法，这是一种一维径向方案，它使用径向上的观测信息来判断和去除速度模糊，当径向观测应当规则地分布在它们的平均值附近。在径向观测分布近似高斯分布时，或者模糊观测很少时，这种方法才会有较好表现。 Merit[3]开发了一种算法，他在每一个距离圈上算出平均风的方向，同时随高度变化的风向。这种方法忽略了风的切变，但是可以处理孤立的回波观测。Bergen和Albers[4]改进了该方案，使用VAD方法得到各距离圈上得平均风，这种方法在切变较小时，并且最大不模糊速度大于17m·s-1时表现良好；他们同时尝试了在垂直方向上进行对比，这样的对比有利于处理孤立的回波观测，并且降低了对VAD 平均风场的需求。Gong[5]等建立了一种三步退模糊方案。首先使用MVAD （tabary[6]，2001）方法标注出可能的模糊观测；再用传统VAD方法计算出平均风，并用各层平均风对相同高度层上的观测进行退模糊；最后进行二维连续性检查退模糊。Qin xu[7]等改进了VAD反演方案，并将其扩展至VVP方案，将获取 1、测定目标的角坐标, 其中包括目标的方位角和仰角。雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。方向图的主要技术指标是半功率波束宽度θ0.5以及副瓣电平。在角度测量时θ0.5的值表征了角度分辨能力并直接影响测角精度, 副瓣电平则主要影响雷达的抗干扰性能。 2、振幅法测角可分为最大信号法和等信号法两大类。最大信号法测角的优点：1、简单；2、用天线方向图的最大值方向测角，此时回波最强，故信噪比最大，有利于检测发现目标。缺点：1、直接测量时测角精度不很高，约为波速半功率宽度的20%左右；2、不能判别目标偏离波速轴线的方向，故不能自动测角。 3、雷达发射机两种基本形式：单级振荡式发射机：只由一级大功率振荡器产生发射信号，主振放大式发射机：先由高稳固体微波源产生，再经级联的放大电路，形成满足功率要求的发射信号。 单级振荡式发射机的性能特点：简单、经济、轻便；质量技术指标低；产生简单发射波形；主振放大式发射机的性能特点：复杂、昂贵、笨重；质量技术指标高；产生各种复杂发射波形；二者共性：都需要脉冲调制器为其提供大功率的脉冲波。 4、超外差式雷达接收机的主要质量指标：①灵敏度：表示接收机接收微弱信号的能力。灵敏度用接收机最小可检测信号功率(Simin)来表示。制约接收机灵敏度的主要因素是接收机噪声。要提高灵敏度,必须减少噪声电平，同时还应使接收机有足够的增益。②接收机的工作频带宽度：表示接收机的瞬时工作频率范围，频带宽度越宽，选择性越差③动态范围：表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围，使接收机开始出现过载时的输入功率Simax 与最小可检测信号功率Simin 之。过载：当输入信号太强时，接收机将发生饱和而失去放大作用。④中频的选择与滤波特性。中频的滤波特性是减少接收机噪声的关键。 ⑤工作稳定性（指环境条件和电源电压发生变化时，接收机的性能受影响的程度。希望影响越小越好）和频率稳定度⑥抗干扰能力：抗有源和无源干扰的能力。⑦微电子化和模块化结构：模块化结构的程度，微电子化程度，减少体积、重量、耗电、成本、技术实现难度。⑧放大量：放大量表示接收机放大信号的能力，接收机必须有足够的放大量，才能使十分微弱的回波信号具有足够的幅度来处理与显示。⑨、保真度：用来表示接收机输出信号波形与输入波形（高频包络）的相似程度。⑩噪声、噪声系数与灵敏度 5、如何提高接收机灵敏度：①降低总噪声系数F0，通常采用高增益、低噪声高放；②接收机中频放大器采用匹配滤波器，以便得到白噪声背景下输出最大信号噪声比；③识别系数M 与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有关系。在保证整机性能的前提下，尽量减小M的数值。 6、为提高雷达系统的灵敏度，须尽量减小分辨信号功率S min这就需要：（1）尽可能减小接收机的噪声系数或有效噪声温度（2）尽可能减小天线噪声温度（3）接收机选用最佳带宽 B opt（4）在满足系统性能要求下，尽量减小识别因子M，经常通过脉冲积累的方式减小M 7、混频器作用：将高频信号与本振电压进行混频并取出其差频，使信号在中频上进行放大。 8、雷达系统为了获得大的信噪比一是要尽量减少接收机内部的噪声，二是要增大发射功率。当一个线性的传递函数为信号函数的共轭时，其信噪比将达到最大，这个线性系统叫匹配滤波器。 9、正交鉴相是同时提取信号幅度和相位信息的有效方法。模拟（数字）正交鉴相又称零中频处理。所谓零中频是指因相干振荡器的频率与中频信号的中心频率相等（不考虑多普勒转移），使其差频为零。零中频处理既保持了处理时的全部信息，同时又在视频实现，因而得到了广泛应用。 10、数字正交鉴相三种方法：数字混频低通滤波法、数字插值法、Hilbert变换法 11、应用广泛的频率源：直接合成频率源、间接合成频率源、直接数字合成频率源 12、天线作用：测角、波束扫描和目标跟踪、测高。 13、雷达天线的基本参量：（1）辐射方向图（包括波束宽度、副瓣电平）（2）增益（有效孔 新一代天气雷达速度退模糊算法 熊兴隆;赵静;蒋立辉 【摘要】Velocity dealiasing algorithm has an important influence on later data assimilation and short-term weather forecast for China new generation weather radar． An improved algorithm based on combined shear detection and across-shaped multi-scale window is proposed, solving false velocity dealiasing problems in isolated echo region and high shear region． Firstly, the new data preprocessing method ″MDV″( minimum distance velocity) is used to optimize the data． Secondly, compare the shear threshold with the difference value that between the radial velocity value and the reference velocity value, according to the comparison result, velocity dealiasing starts in the azimuth direction and then in the radial direction． Then, isolated echoes away from the radar use the reference velocity value found from a cross-shaped multi-scale window． The velocity dealiasing algorithm is tested many times by the extreme weather radar radial velocity of S-band China new generation weather radar．The result shows that, the new algorithm′s accuracy is better than WSR-88D′s, in case with high shear and isolated echo.%速度退模糊算法对新一代天气雷达后期数据同化及短时临近预报具有重要影响.针对在高切变和孤立回波情况下速度退模糊出现错误的问题,提出了基于联合切变检测和十字形多尺度窗口的速度退模糊改进算法.首先,采用MDV(mininum distance velocity, MDV)数据预处理方法进行全局数据优化.其次,将当前速度库和参考库的差值与切变阈值相比较,根据对比结果,分别进行切向和径向的退模糊.然后, C波段双偏振雷达退速度模糊的分析 杜爱军;魏鸣;李南;王炳赟;王会 【摘要】南京信息工程大学C波段双偏振雷达(NUIST-CDP)和南京龙王山的S波段多普勒天气雷达(CINRAD-SA)相距较近,两部雷达能探测同时刻的风场结构.相对于S波段的多普勒天气雷达,C波段双偏振雷达波长较短,更易产生速度混淆区,发生速度模糊现象.针对一般的算法不易实现速度退模糊的问题,提出了人机交互的退速度模糊处理方法;该方法通过结合操作者的专业知识,可以准确地退除速度模糊现象,保留真实的速度信息.实例分析表明,采用人机交互的退速度模糊方法,可以将大范围的速度模糊现象准确地剔除.此外,由于S波段雷达与C波段双偏振雷达探测的风场是客观唯一的,因此对比CINRAD-SA探测的同时刻速度回波,可以辅助判断退模糊算法效果.分析结果证实,该算法适用于解决C波段双偏振雷达的速度模糊现象,对今后该雷达数据的质量控制和应用分析有着重要的意义.%C-band dual polarization radar in Nanjing University of Information Science and Technology(referred NUIST-CDP) and S-band Doppler weather radar located in Nanjing mountain Longwang(referred CINRAD-SA) are in close proximity, and can detect the same structure of wind https://www.doczj.com/doc/2e19342673.html,pared with the S-band Doppler weather radar, the wavelength of C-band dual polarization radar is shorter, and it`s more prone to generate velocity blur zone and occur the phenomenon of velocity ambiguity.The general algorithm is not easy to dealiase velocity, in this paper, the method of human-computer interaction is proposed, which can be accurately returned by the combination of the expertise of the operator, and can retain the true velocity information.The example analysis shows that the 脉冲多普勒雷达总结 班级：20090812 学号：2009081221 姓名：刘玉敬 一、PD雷达的基本概念 1. 定义：PD雷达是一种利用多普勒效应检测目标信息的脉冲雷达。 2. 特点：①具有足够高的脉冲重复频率，没有速度模糊； ②能够实现对脉冲串频谱单根谱线的频域滤波； ③由于重复频率很高，通常对所观测的目标产生距离模糊。 3. 分类：高PRF、中PRF、低PRF，前两个为全相参，最后一个可全相参也可接收相参。 低PRF不模糊的距离为：。 中PRF波形是机载PD雷达的最佳波形。 二、PD雷达的杂波 多普勒雷达的基本特点之一，是在频域-时域分布相当宽广且相当强的背景杂波中检测出有用的信号。这种背景杂波通常被称为脉冲多普勒杂波，其杂波频谱是多普勒频率-距离的函数。 1. 机载下视雷达的杂波谱 地面杂波分为主瓣杂波区、旁瓣杂波区和高度线杂波区。 孤立目标对雷达发射信号的散射作用所产生的回波信号的多普勒频移，正比于雷达与运动目标之间的径向速度v，所以当雷达平台以地速v R水平移动，地速矢量与地面一小块地杂波之间的夹角为Ψ时，其多普勒频移为 (1) 主瓣杂波 主波束中心Ψo处对应的多普勒频率为 假设天线主波束的宽度为，则主瓣杂波的边缘位置间的最大多普勒频率差值为 机载PD雷达的主瓣杂波的强度可以比雷达接收机的噪声强70~90dB，主瓣杂波的多普勒频率fMB也在不断变化，并且变化范围在±2之内。 (2) 旁瓣杂波 旁瓣杂波区的多普勒频率范围为，则。 雷达天线的旁瓣波束增益通常要比它的主波束增益低得多。当PD雷达不运动时，旁瓣杂波与主瓣杂波在频域上重合；当PD雷达运动时，旁瓣杂波与主瓣杂波就分布在不同的频域上。 (3) 高度线杂波 通常，把机载下视PD雷达的地面杂波中f d=0位置上的杂波叫做高度线杂波。在零多普勒频率处总有一个较强的“杂波”。 2. 脉冲重复频率的选择 (1) 高脉冲重复频率时的重复频率的选择 ①使迎面目标谱线不落入旁瓣杂波区中 最大多普勒频移为 浅谈脉冲多普勒雷达距离模糊和速度模糊 摘要：雷达是利用目标对发射的电磁波的反射来获得目标信息的电子装备。早 期雷达主要用于测量目标与雷达间的距离，脉冲多普勒雷达是随着多普勒测量技 术的发展以及快速傅里叶变换的实时工作地实现而出现的，随着当前对目标的探 测要求日益增高，对雷达的性能也有了更高的要求，但同时伴随着雷达技术的发 展也带来了新的问题。 关键词：脉冲多普勒；PRF；距离模糊；速度模糊 引言 脉冲多普勒雷达是多普勒测量雷达与脉冲雷达的结合，具备对目标的测距与测速能力。 该雷达测距原理是利用发射波与回波之间的时间差对目标进行距离测量，是在时域中对目标 距离进行检测。其测速原理是利用多普勒效应对目标的径向速度进行测量，是在频域里进行 检测；当脉冲多普勒雷达对回波信号进行处理时，常常会遇到解速度模糊和距离模糊的问题，我就浅谈一下这两个问题。 1、速度模糊： 脉冲多普勒雷达技术被广泛用于机载预警、机载和地面火力控制、超视距和气象观察等 方面，对脉冲多普勒雷达的研究越来越深入，最在我们只是利用雷达探测目标的距离，所以 脉冲重复周期（PRF）很低，这是就不存在距离模糊，但是存在严重的多普勒模糊（速度模糊），为了解决速度模糊问题，科学家想了很多处理办法，但是常用的是提高脉冲重复周期，速度模糊是因为在低脉冲重复周期时，由于信号的采样频率较低达不能准确测量多普勒频率。 脉冲重复频率不但决定脉冲多普勒雷达采用脉冲包络测距时的最大无模糊探测距离，而 且还决定目标速度的测量模糊度。首先来讨论脉冲重复频率对探测速度的影响。 脉冲重复频率对目标速度测量模糊度的影响如下图所示，由于谱线之间的间隔为 PRF， 当目标回波的多谱勒频率与其重合时会发生盲速，超过 PRF/2 时会发生频谱混叠距离解模糊的方法之一是发射高重频的调频脉冲串，然后利用收发信号的频差（既有运 动引起的多普勒频率也有距离引起的频差）与已测得的多普勒频率一起解算目标距离。 由上述分析可知：脉冲重复频率越高，无模糊测量目标的速度就越大。但它是以牺牲无 模糊的探测距离为代价的。相反，脉冲重复频率越低，无模糊探测距离越远，它的无模糊探 测目标速度能力越差。在实际上脉冲多普勒雷达设计中根据不同的用途选择不同的脉冲重复 频率。现代雷达的发展，为了提高电子抗干扰能力，常采用交替变化的 PRF 工作模式。通常PRF 可分为高重复频率、中重复频率和低重复频率。 对三种重频来说，低脉冲重复频率雷达为脉冲重复频率较低的雷达，此类雷达在对探测 目标过程中不会出现距离模糊，但是在对速度进行测量时，会出现较为严重的多普勒模糊， 即低PRF时测距清晰，测距设备简单，信号处理简单，旁瓣杂波电平低，主瓣杂波抑制差， 允许方位扫描角小，分辨地面、空中目标的能力差，测速模糊；中脉冲重复频率雷达对目标 毫米波多普勒雷达RHI退速度模糊研究 宋立雪;魏鸣;宋继堂 【摘要】Millimctcr wavc radar is an ideal instrument for detecting the non-precipitation clouds and weak precipitation clouds, but it is likely to cause velocity aliasing due to its short wavelength. Velocity dealiasing is an effective means of detecting wind field information with Doppler radar. Two methods aiming at velocity aliasing with the millimeter wave radar Range Height Indicator are put forward: human-machine interaction method and automatic method, and tests are conducted with the measured data. It is proved that both methods are satisfactory in dealing with velocity aliasing. The comparison of the results also shows that the automatic method is more efficient than the human-machine interaction method, but for the smaller isolated area, the latter has more advantages.%毫米波测云雷达是探测非降水云和弱降水云的理想工具,但由于其波长较短,最大不模糊速度较小,因此容易产生多次速度模糊现象,纠正速度模糊是充分利用多普勒雷达风场信息的前提.针对毫米波雷达距离高度显示器RHI(Range Height Indicator)的速度模糊现象,提出了两种退模糊方法,即人机交互方法和自动方法,并用实测数据进行了试验.试验结果表明,两种方法都能较好地退除毫米波多普勒雷达速度场中的速度模糊现象.相比较而言,自动方法比人机交互方法处理效率高,若对于比较小的孤立区域,人机交互方法更有优势. 【期刊名称】《气象科技》 【年(卷),期】2012(040)004 气象雷达数据处理方法和算法研究 气象雷达是一种重要的天气探测工具，在气象行业得到广泛应用。它可以测量 空气中降水、风速、风向以及潜在的风暴活动等信息。然而，气象雷达的原始数据往往非常复杂，需要经过一系列的数据处理方法和算法，才能得到有用的气象信息。本篇文章将介绍气象雷达数据处理方法和算法的研究现状以及未来趋势。 一. 气象雷达数据处理方法的研究现状 气象雷达原始数据通常包含雷达反射率、多普勒速度和谱宽等信息。这些信息 需要经过一系列的数据处理方法才能转化为可用的气象信息。当前，气象雷达数据处理方法包括以下几种： 1. 数据预处理 数据预处理是气象雷达数据处理的第一步，其目的是通过数据修复、去噪、涂 抹和校正等方法，提高原始数据的质量。数据预处理方法主要包括： - 数据修复方法：用于修复雷达数据的缺失或错误。最常用的数据修复方法是 插值法，通过邻近的数据点估计缺失的数据值。 - 去噪方法：用于消除雷达数据中的随机噪声。去噪方法主要包括滤波法和小 窗口平滑法。 - 涂抹方法：用于消除恶劣天气条件下的人工干扰。涂抹方法主要包括多普勒 速度不连续涂抹法和S波段涂抹法。 - 校正方法：用于消除雷达数据的偏差。校正方法主要包括位置校正和增益校正。 2. 信号处理 信号处理是将雷达反射率转换为近地面降水率的重要步骤。信号处理方法主要包括： - 立体扫描方法：用于将三维雷达数据转换为二维图像。立体扫描方法主要有垂直扫描和水平扫描两种。 - 反演降水率方法：用于将雷达反射率转换为近地面降水率。反演降水率方法主要包括Z-R关系反演法和Z-Zdr关系反演法。 3. 产品生成 产品生成是将原始雷达数据处理成可视化的天气产品的过程。产品生成方法主要包括： - 降水强度分布图 - 风暴跟踪分析 - 闪电监测分析 - 雷达回波精细分析等 二. 气象雷达数据处理算法的研究现状 近年来，随着大数据、人工智能等新技术的发展，气象雷达数据处理算法也取得了重要进展。目前，气象雷达数据处理算法主要包括以下几种： 1. 机器学习算法 机器学习算法是一种通过模型训练、数据自适应和参数优化等方法，实现数据处理和分析的方法。在气象雷达数据处理中，机器学习算法主要应用于降水识别、降水类型判别、风暴监测等方面。常用的机器学习算法包括决策树、支持向量机、神经网络等。 2. 特征提取算法 利用随机相位编码法恢复多普勒天气雷达二次回波 张持岸;杨爱军;孙召平;陈艳 【摘要】多普勒速度对分析和预报强对流天气,特别是中尺度气旋、龙卷等过程至关重要,但受多普勒基本原理的限制,天气雷达在提高最大不模糊速度的同时,必然导致速度探测范围减小,进而带来二次甚至多次回波的干扰.为缓解多普勒两难问题,本文基于CINRAD/SA天气雷达体扫模式利用随机相位编码方法恢复二次回波,拓展速度有效探测范围.实例证明随机相位编码方法能够恢复最强的两次回波,滤除其他次弱回波,大大提高了低仰角速度场有效数据的获取率,缓解固定相位下二次回波解模糊算法的局限性造成的距离模糊紫区问题.%Doppler velocity is essential to analyze and forecast severe convective weather,especially mesocyclones and tornadoes.Doppler weather radar is restricted by Doppler dilemma,i.e.,when the unambiguous velocity increase,the corresponding unambiguous range decreases,and even worse for the secondary or more trips echo appear.To alleviate Doppler dilemma,this article uses the random phase coding technique to recover second trip echoes to expand the velocity detection range based on the current volume scan mode of CINRAD/SA weather radar.It proved that the random phase encoding can recover the second trip echoes and remove third and more trip echoes.It greatly improves the acquisition of velocity at low elevation and decreases the range ambiguous purple haze area caused by the limitation of velocity dealiasing algorithm without phase coding. 【期刊名称】《气象科技》多普勒天气雷达的数据模糊与退模糊方法
民用航空气象地面观测规范第14章 多普勒天气雷达知识
新一代多普勒天气雷达的模糊技术
多普勒天气雷达原理与业务应用思考题
多普勒雷达速度退模糊方法分析
气象雷达原理与系统
新一代天气雷达速度退模糊算法
C波段双偏振雷达退速度模糊的分析
多普勒雷达总结
浅谈脉冲多普勒雷达距离模糊和速度模糊
毫米波多普勒雷达RHI退速度模糊研究
气象雷达数据处理方法和算法研究
利用随机相位编码法恢复多普勒天气雷达二次回波
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