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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=><dz dN dzdN dzdN三、了解雷达气象方程在瑞利散射条件下，雷达气象方程为：其中Pr 表示雷达接收功率，Z 为雷达反射率，r 为目标物距雷达的距离。
Pt 表示雷达发射功率，h 为雷达照射深度，G 为天线增益，θ、φ表示水平和垂直波宽，λ表示雷达波长，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。
多普勒天气雷达PUP产品强天气监测预警系统设计张杰;张思豆;代华【摘要】针对目前多普勒天气雷达PUP产品显示程序都是单纯显示图像和信息而忽略风暴分析信息应用的现状,通过对PUP产品数据格式的研究,使用DELPHI XE2编程语言研发了多普勒天气雷达PUP产品强对流天气监测预警系统.该系统全部自编代码完成PUP产品的读取解析,能够单独或批量读取、解析、显示多普勒天气雷达19类(36个文件)PUP产品,进行强风暴识别定位及存储图片和风暴特征分析信息,有利于PUP产品综合应用广度和深度的扩展.利用该系统及PUP产品既可以实时获取冰雹发生概率信息和发布冰雹预警,又有助于深入研究强风暴天气发生发展机理,目前该系统及其产品在云南省气象局相关业务单位应用,满足了强对流天气监测预警业务服务、人工防雹作业指挥和科研应用需求.系统使用WINDOWS API函数和MIF格式行政区边界较为准确地完成强天气的乡镇定位,程序复杂度小,代码量较少,系统体量较小,可供单一定位功能的WINDOWS程序设计参考.【期刊名称】《暴雨灾害》【年(卷),期】2018(037)005【总页数】7页(P486-492)【关键词】雷达PUP产品;强天气监测预警;系统设计【作者】张杰;张思豆;代华【作者单位】云南省气象信息中心,昆明650034;云南大学大气科学系,昆明650500;云南省气象信息中心,昆明650034【正文语种】中文【中图分类】TP311.1;P40引言云南地处低纬高原地区，是一个高原山区省份，地形复杂，山地占94%，单点性、突发性、灾害性强对流天气频发，目前云南省已建成7部CC波段、2部CA波段多普勒天气雷达并投入业务运行，有效探测范围几乎覆盖全省，云南的气象工作者利用多普勒天气雷达基数据、PUP产品进行了大量的强对流灾害性天气研究[1-3],取得了一些有意义的成果，多普勒天气雷达已经成为强对流灾害性天气监测预警、人工影响天气的重要支撑工具。
弹箭与制导学报2007年 单脉冲雷达主动测角与被动测角的建模与仿真*张艳花,簪 波,王 鉴,常 虹(中北大学信息与通信工程学院仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051) [摘要]文中通过对回波信号、噪声调频干扰信号、热噪声信号以及单脉冲雷达角跟踪系统各电路模块的数学建模,在M a tlab下对主动测角与被动测角情况进行了仿真和比较,得出被动测角误差大于主动测角误差的结论。
该结论为进一步提高单脉冲雷达跟踪噪声源测角精度提供依据。
[关键词]单脉冲雷达;测角;噪声干扰;建模[中图分类号]TN974 [文献标志码]AModeling and Simulation on Active Angle Measuring and Passive Angle Measuring with Monopulse RadarZ HA NG Y an-hua,ZA N Bo,W A NG Jian,CHA N G H ong(K ey Lab of Instrumentatio n Science and Dynamic M easurement(M inistr y of Educa tion), School of Info rmatio n and Co mmunicatio n Engineering,No r th Univ ersity of China,T aiyuan030051,China)A bstract:In this paper,mathema tic mo dels o f echo sig nal,no ise F m jamming sig nal,ther ma l no ise signal as w ell as v a-rious cir cuits in ang le tracking system of monopulse rada r are se t up.Simulatio n and comparing on activ e a ng le measur-ing and passive ang le measuring are made under M a tlab.T he conclusion tha t active ang le measuring er ror is g reater tha n passive ang le measuring e rro r is o btained.T his co nclusio n pro vides the basis on increa sing angula r accur acy w hen mo-nopulse radar is tracking noise source fur ther.Key words:mo no pulse rada r;ang le measuring;no ise jamming;mo deling1 引言单脉冲是一种先进的雷达角跟踪体制,它在跟踪目标时,往往受到来自目标的自卫噪声干扰。
２０１１年福建省气象学会学术年会论文集大气探测与技术保障单多普勒天气雷达系统建模与仿真许致火周学鸣汪月霞（厦门市气象台，厦门３６１０１２）
摘要：由于厦门雷达站的雷达具有严格的业务运行要求性质，不能停机用于台站的雷达系统培训。为了给本台站雷达机务生提供形象生动的机务理论培训，基于计算机仿真技术设计了Ｓ波段单多普勒天气雷达系统仿真模型。以我国新一代Ｓ波段天气雷达为参考，着眼于多普勒天气雷达整个系统，侧重于雷达接收机的仿真建模。采用白噪声及瑞利噪声来模拟大气环境信道的噪声及接收到的杂波；运用零阶保持器把模拟回波信号转换为数字信号，利用积分梳状滤波器设计了数字中频；运用ＦＩＲ滤波距离积分器提高接收信号的信噪比，运用脉冲对处理器方法（ＰＰＰ）提取多普勒信息，最后得到回波功率及多普勒平均速度ＰＰＩ显示产品。多普勒天气雷达系统仿真模型在本台站雷达培训课程运用中，生动地仿真了多普勒天气雷达系统原理工作过程，具有全国推广应用价值。关键词：雷达理论培训；多普勒天气雷达；雷达接收机；回波信号处理；计算机仿真中图分类号：ＴＰ３９１．９文献标识码：Ａ
ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＳｉｎｇｌｅＤｏｐｐｌｅｒＷｅａｔｈｅｒＲａｄａｒＳｙｓｔｅｍ‘ＸＵＺｈｉ—ｈｕｏＺＨＯＵＸｕｅ．ｒｕｉｎｇＷＡＮＧＹｕｅ．Ｘｉａ
（ＷｅａｔｈｅｒＳｔａｔｉｏｎｏｆＸｉａｍｅｎ，Ｘｉａｍｅｎ３６１０１２）
ＡＢＳＴＲＡＣＴｓＴｈｉｓｐａｐｅｒｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｈｅｗｈｏｌｅｓｙｓｔｅｍｏｆＤｏｐｐｌｅｒＷｅａｔｈｅｒｒａｄａｒ，ｄｅｓｉｇｎｓｒａｄａｒｒｅｃｅｉｖｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｎｇｉｎ
ｄｅｔａｉｌ，ｂｅｉｎｇｃｏｍｍｉｔｔｅｄｔｏＮｅｗＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＤｏｐｐｌｅｒＷｅａｔｈｅｒＲａｄａｒｔｅａｃｈｉｎｇａｃｔｉｖｉｔｉｅｓａｎｄｄｅｅｐｅｎｔｈｅｓｔｕｄｅｎｔｓｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｏｆ
ｒａｄａｒｓｙｓｔｅｍｓ．ＷｉｔｈｒｅｆｅｒｅｎｃｅｔｏＣＩＮＲＡＤＸ－ｂａｎｄＲａｄａｒ，ｒｅｃｅｉｖｅｄｃｌｕｔｔｅｒａｎｄｎｏｉｓｅａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｂｙｗｈｉｔｅｎｏｉｓｅａｎｄＲａｙｌｅｉｇｈ
ｎｏｉｓｅｉｎａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＥｃｈｏｓｉｇｎａｌｉｓｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｏｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｂｙｕｓｉｎｇＺｅｒｏ－ｏｒｄｅｒｈｏｌｄｅｒ；ｄｉｇｉｔａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙＲａｄａｒＲｅｃｅｉｖｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｕｓｉｎｇＣａｓｃａｄｅｄＩｎｔｅｇｒａｔｏｒ－Ｃｏｍｂ（ＣＩＣ）ｆｉｌｔｅｒｓ；ＦＩＲｆｉｌｔｅｒｉｓｕｓｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅＳｉｇｎａｌ－Ｎｏｉｓｅｒａｔｉｏ（ＳＮＲ）；
ＤｏｐｐｌｅｒｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｅｘｔｒａｃｔｅｄｂｙＰｕｌｓｅ－ＰａｉｒＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ＰＰＩｐｒｏｄｕｃｔｓｏｆｅｃｈｏｓｉｇｎａｌＰｏｗｅｒａｎｄＤｏｐｐｌｅｒ
ａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｒｅｄｉｓｐｌａｙｅｄ．ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ＤｏｐｐｌｅｒＷｅａｔｈｅｒＲａｄａｒ；ＲａｄａｒＲｅｃｅｉｖｅｒ；ＥｃｈｏＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
１引言由于多普勒天气雷达的造价高，制造周期长，现场实验的电磁环境复杂，教学及科研的条件要求很高。计算机仿真技术具有良好的逼真性，安全性，经济性，可更新性，所以对新一代多普勒天气雷达系统具有现实优越性。ＭＡＴＬＡＢ的Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是基于仿真时间进行动态的仿真软件，这可以形象地仿真雷达实际工作过程，所以本文选用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ作为开发平台。气象雷达为天气预报保障、人工影响天气和大气科学研究提供实时气象信息。波长为１０ｃｍ的Ｓ波段多普勒雷达峰值功率大，接收灵敏度高，动态范围大，，发射脉宽为１．６嶂，天线尺寸大，对气象目标的反射率小，大气衰减小，作用距离大，但是旁瓣影响大，适合于中心台站、区域站和沿海多台风地区布网。本文以我国新一代Ｓ波段天气雷达为参考，利用ＭＡＴＬＡＢ功能模块不同的特点来设计雷达系统的不同模块，白噪声及瑞利噪声来模拟大气环境信道的噪声及接收到的杂波：运用零阶保持器把模拟回波信号转换为数字信号，利用ＣＩＣ滤波器设计了数字中频：运用ＦＩＲ滤波距离积分器提高接收信号的信噪比，运用脉冲对处理器方法提取多普勒信息，最终得到回波功率及多普勒平均速度ＰＰＩ显示产品。２０Ｌ１年福建省气象学会学术年会论文囊大气探删与技术保障２雷达系统工作原理整个雷达系统包括三大绀成部分：雷达数据采集ＲＤＡ、产品生成及产品显ｊ、（ＲＰＧ、ＰＵＰ）。系统框图见图１。雷达数据采集ＲＤＡ由天线、馈线系统、发射机、接收机、信号处理机和雷达监控主机组成。天气雷达系统的』＝作原理为：首先由雷达数据采集ＲＤＡ完成微波的产生、功率放大、发射、宅域扫描、回波接收、放大、正交解调、模数转换、数据聚集、杂波滤除、信息提取、平滑滤波等功能，数据照终到达雷达监控主机。然后数据通过宽带网络传输到雷达产品生成处理模块中的计算机，进行二次处理生成各种气象应用产品。最后通过各种通信手段把生成的产品传送到用户端，进行直观显示。毒ＭＰ匝孕匾
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图１雷远系统框闻３雷达系统的参数设置界面为提高人机交互的友好性，本文需耍设置的参数有雷达发射机发射脉冲的脉宽及脉冲重复频率．无线的转速及信号传输过程中在信道中受到的噪声均方值的设置。本文忽略了对雷达扫描仰角设置。利用ＭＡＴＬＡＢ的ＧＵＩＤＥ设计的界面如图２所示。表１ＷＳＲ－９８Ｄ／ＸＤ脉冲重复频率及脉冲搬
罔２多昔勒天气雷达参数设置＃面本设计只考虑ｒ单重复频率脉冲发射模式，其对应的脉冲宽度见表１，天线的转速０。－３６。／Ｓ可调。噪声选用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的白高斯噪声模块，方差值范围为０－Ｉ，县体值由界面进行设置。
４雷达发射机及大气环境信道多普勒天气雷选探测原理是：雷达发射机靛射的脉冲信号被大气环境中的运动的云及降承粒于进行谓制生成新的携带这些粒了信息的信号，其中有一部分信号经过后向散射返回雷达，由雷达接收机接收。由于气象目标的运动产生了多静勒频移，多普勒速度信息从接收信号中提取出来。２２０１１年福建省气象学会学术年会论文集大气探测与技术保障在大气环境中气象目标所产生的瑞利散射及米散射决定雷达的反射率大小，具体反映在接收到的回波信号幅度的大小。接收机同时还接收到了非气象目标的杂波信息【２１，本文用接收幅度变化来仿真大气环境里的气象降水强度，设定发射信号的频率微小变化来模拟气象目标的多普勒信息，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的白噪声及瑞利噪声来模拟信道噪声及杂波。发射机的射频信号的频率为２８８０ａ：１０ＭＨｚ，利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ搭建发射机及大气信道模块见图３。
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图３发射机及大气环境模块５雷达接收机雷达接收机及雷达信号处理系统是本文设计的重点内容，新一代天气雷达，采用了全相参、数字中频接收机等先进技术。雷达接收框图如图４所示：
混频中放
图４雷达接收机框图５．１低噪放大器及预选滤波在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中低噪声放大器可相当于一个乘法模块。由于巴特沃思滤波器的群时延特性好，故在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中选择巴特沃思带通滤波器模块设计预选滤波器，中心频率为９４２０ＭＨｚ，滤波器带宽为２０ＭＨｚ。５．２混频／中放及抗混叠滤波雷达接收机的中频为５７．５５ＭＨｚ，所以本地振荡信号的频率应为９３６０ＭＨｚ，混频后有一个５７．５５ＭＨｚ的中频信号及一个１８．７８ＧＨｚ的信号，经过抗混叠滤波输出６０ＭＨｚ的中频信号。抗混叠滤波同样是利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中的巴特沃思带通滤波器模块进行设计的，中心频率为６０ＭＨｚ，滤波器带宽２０ＫＨｚ。混频及抗混叠滤波模块设计结果见图５。
图５混频／中放及抗混叠滤波５．３数字中频雷达接收机的中频采样频率为４０ＭＨｚ，数字中频的模数转换ＡＤＣ在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中相当于一个零阶保持模块。为了降低数据传输速率，转换后再经过数字下变频抽取输出ＩＱ信号。数字下变频由本文数字混频器，数字控制振荡器（ＮＣＯ）及抽取滤波器组成。ＣＩＣ滤波器中的积分器设计为一级级联，下采样率为３，ＦＩＲ抽取率为２，设计结果见图６。
３２０１１年福建省气象学会学术年会论文集大气探测与技术保障图６数字中频６回波信号处理６．１回波平滑处理为了减少或消除气象回波的闪烁起伏给定量观测带来的影响，要对气象回波进行平滑处理，包括距离积分和方位积分。本文依据参考文献［３】所介绍的距离积分器，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中设计四阶ＦＩＲ滤波器对回波进行距离积分。ＦＩＲ距离积分器见图７。
图７ＦＩＲ距离积分器６．２多普勒信息提取本文采用文献【４］介绍的脉冲对处理器方法（ＰＰＰ）对多普勒信息进行提取。设回波信号的复振幅为Ｒ（，）＝，（ｆ）＋ｉＱ（ｔ）（１）式中，（ｆ），Ｑ（ｔ分别是Ｒ（ｆ）的实部和虚部，相当于离散化的Ｉ（０，Ｑ（ｔ值。如果满足散射体内各个粒子的平均多普勒速度都相同且每个粒子的径向速度涨落值服从相同的偶函数概率分布。则平均径向多普勒速度／为ｆ＝百＃ｔａｎ叫［Ｑ（ｔ）Ｉ（ｔ＋Ｔ）一ｌ（ｔ）Ｑ（ｆ＋Ｔ）／Ｉ（ｔ）Ｉ（ｔ＋丁）＋Ｑ（ｔ）Ｑ（ｆ＋Ｔ）】（２）式中Ｔ为连续两次取样的时间间隔。由（２）式在建立的多普勒信息提取见图８。
图８ＰＰＰ法多普勒信息提取６．３视频信号处理本文要得到回波功率及多普勒速度ＰＰＩ显示产品。由图６数字中频输出后的ＩＱ信号后对多普勒平均速度的数据导出到ＭＡＴＬＡＢ变量空间中处理，最后通过Ｍ函数编写视频处理函数自动调用这些数据对回波进行处理。主要处理过程为加载色标，坐标转换，雷达回波强度计算。把设计好的色标存为图像格式，加载过程使用ｉｍｒｅａｄ函数如下：ｒｇｂ－－ｉｍｒｅａｄ（’Ｃｏｌｏｆｌｃｏｎ．ｊｐｇ．）；％加载色标直角坐标与极坐标转换计算公式为：
工＝ＰＣＯＳ只Ｙ＝Ｐｓｉｎ秒（３）雷达回波强度计算公式为：
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