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多普勒雷达在气象观测中的应用

作者：董立书

来源：《农民致富之友》2016年第05期

1.雷达及气象雷达的简介

雷达是将电磁能量以定向方式发射到空间之中，再借由接收空间内存在物体所反射的电波来计算出物体的方向，高度及速度，并且可以探测物体的形状的设备。雷达（RADAR）这个名称是英文Radio Detection and Ranging（无线电侦测和定距）的缩写。对于地球上的某一定点（雷达站）而言，任一个空间目标的位置，可以用三个基本的参数表示，这三个基本参数就是斜距、水平距离或高度、方位角和仰角。

雷达的出现是在二战期间。在军事需求的背景下雷达被发明了。雷达的工作原理是通过发射机产生电磁能量，再用雷达天线将电磁能量集中形成向某一方向传播的波并辐射出去。电磁能在大气中以光速（2.998×108m/s）传播。当传播着的电磁波遇到了目标物便产生散射波，而且这种散射波分布在目标周围的各个方向上。其中有一部分沿着与辐射波相反的路径传播到雷达的接受天线，被接受的这一部分散射能量，称为目标的后向散射，也就是回波信号。雷达使用测量回波信号的延时来测量距离的。

其后，雷达发展了单脉冲角度跟踪、脉冲多普勒信号处理、合成孔径和脉冲压缩的高分辨率、地形回避和地形跟随、无源或有源的相位阵列、频率捷变、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。后来随着微电子等各个领域科学进步，雷达技术的不断发展，其内涵和研究内容都在不断地拓展。目前，雷达的探测手段已经由从前的只有雷达一种探测器发展到了雷达、红外光、紫外光、激光以及其他光学探测手段融合协作。

气象雷达是专门用于大气探测的雷达，它是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一，属于主动式微波大气遥感设备。气象雷达常规雷达装置大体上由定向天线、发射机、接收机、天线控制器、显示器和照相装置、电子计算机和图象传输等部分组成。气象雷达的技术指标主要有工作波长、发射功率、天线增益、波束宽度、脉冲宽度、脉冲重复频率和接收机的灵敏度等。

1941年，在英国最早使用雷达探测风暴。1942～1943年，美国麻省理工学院专门设计了为气象目的使用的雷达。在气象雷达发展初期，一般都靠手工操作，回波资料只能作定性分析。60年代采用了多普勒技术，气象多普勒雷达具有对大气流场结构的定量探测能。到了70年代，除联合使用多部多普勒雷达外，又相继发展了大功率高灵敏度的甚高频和超高频多普勒雷达和具有多普勒性能的高分辨率调频连续波雷达。 2.气象多普勒雷达的介绍