气象雷达论文范文_气象雷达论文

2024-09-16 00:38:44

1.气象雷达的基本概况

2.如何理解,机载气象雷达是用于避开的雷雨区而不是穿越雷雨区

气象雷达论文范文_气象雷达论文

云和降水粒子在微波辐射作用下将产生电极化和磁极化，并按入射波的频率振荡，振荡的电极子和磁极子向四周散射与入射波频率相同的电磁波。粒子对入射波能量的散射强度，除了同入射波的强度、波长、偏振等有关外，还同粒子的介电性质、形状、大小、取向（对非球性粒子而言）等有关。雷达接收的回波强度，同云和降水粒子的后向散射的强弱有关。在气象上常用后向散射截面（也叫雷达花粉管截面）表示后向散射能力，它是一个等效面积。入射到这个截面上的电波能量如果均匀地向各方向散射，雷达天线接收的实际回波功率，相当于该截面的后向散射功率。

云和降水粒子对雷达波的散射，是云和降水雷达回波的物理基础（见气象雷达回波）。液体云滴、大多数雨滴和包括低密度雪花在内的一些固体降水粒子，都可以看成球形粒子。根据G.米的理论（见大气散射），对平面入射波来说，球形粒子的后向散射截面σ，除了同入射波的波长λ有关之外，还同粒子的复折射率m（m =n-iχ。其中n为折射率， χ为与吸收有关的量）和直径d 有关。米散射理论的公式很复杂，但当d?λ时，可简化成瑞利公式（又称瑞利近似）：应用波长10厘米的雷达时，所有球形省份液体云滴和雨滴的σ 值，都可用瑞利公式来计算；对于波长3厘米的雷达，瑞利公式只适用于直径在2毫米以下的球形雨滴。波长35～102厘米范围内的雷达，大多数雨滴可以使用瑞利公式。而对于球形冰粒，瑞利公式的适用条件是d<0.16λ。

由瑞利公式可见：波长愈短，球形粒子的后向散射能力愈强。粒子直径增大，σ 将按其六次方的关系迅速增大。雨滴比云滴大得多，其后向散射能力比云滴要大得多，故在云和降水中，雷达回波的能量主要是由为数不多的大粒子所产生的。对于波长为3～10厘米的雷达波，这些粒子的σ 值和喣(m29+1)/(m2+2) 喣2的数值有关。云和降水粒子在下降过程中，性质不同的粒子，其喣(m2+1)/(m2+2)喣2 值也不同：①水滴，约为0.93；②冰粒，约为0.1；③冰粒下降到0°C层以下，表面融化而成水包冰粒，随着水膜的出现和增厚，融化冰球的值由0.1迅速增大到接近0.93；④在较均匀的冰、水粒子混合的情况下，此值随着水的比例增加而增大，但增大得较慢。

在d?λ的情况下，水滴的σ 值约为同体积冰粒的5倍；而当冰粒增大到一定程度，例如d≥λ时，按米理论计算，可知冰粒的σ值反而比同体积的水滴大，并且可以大一个量级。

气象雷达的基本概况

雷达探测云和降水时，接收到的回波功率与雷达特性参数、目标距离、云或降水目标的物理性质等之间的关系式。它是雷达气象学的重要理论基础，是雷达定量测量降水和云中含水量，推测云和降水的物理特性，选择气象雷达参数等的基本方程。

对于发射功率为 Pt，波长为λ，脉冲波的空间长度为h，天线增益为G（表示天线定向发射的能力），以及水平和垂直波束角宽度分别为θ和φ的雷达，其基本气象雷达方程为式中圶r为雷达接收到的来自无规则分布的云和降水水粒子的平均回波功率；R为雷达至探测目标的距离；η=∑σi为雷达反射率，是单位体积中云和降水粒子后向散射截面σ的和；，其中αg、αc、αp分别为大气、云和降水的衰减系数，dr为距离增量；k2是考虑探测脉冲体积中云和降水可能有不同充填情况的订正系数(充填系数)。一般距离不大时，k2=1；在远处由于地球球面性的影响以及波束随距离的扩展，通常 k2<1。气象雷达方程说明：雷达回波强度同Pt、G2、λ2、θ、φ、h 等雷达参数和雷达反射率η成正比；同目标离雷达的距离平方成反比；同探测脉冲被云、降水粒子充填的情况有关；同雷达和目标间大气、云、降水等的衰减情况有关，但对10厘米雷达，衰减影响一般可以忽略不计。

当云和降水粒子为球形且直径比雷达波长小得多的情况下，其后向散射截面，可以用瑞利公式代入（见云和降水粒子的微波散射），这时，气象雷达方程可写成：式中为决定雷达参数的常数；Z=∑d宯是单位体积中球形粒子直径6次方的总和，单位为毫米6/米3，称为雷达反射因子，d为球形粒子的直径；，m为云和降水粒子的复折射率。在雷达气象学中常用dBz作回波强度的单位，数值通过换算而得，其中Z0=1毫米6/米3。

当粒子直径大到和雷达波长相近或大于雷达波长时，不能应用瑞利公式，这时气象雷达方程一般可写成：

式中雷达等效反射因子。在雷达气象工作中，常常用雷达测量的Z或Zθ值来表示云和降水的回波强度，用以求出云的含水量和降水强度（见雷达测量降水），判断强风暴。早期的气象雷达方程，都设了雷达发射能量集中在半功率点限制的波束内，并且在波束内各个方向的辐射强度是均匀的，用它计算出的回波强度比实测回波强度高得多。为了提高精度，J.R.普罗伯特-琼斯用比较符合实际情况的高斯函数来表示主波束中辐射能量的分布，并考虑波束外的辐射作用。1962年以后，用经他改进后的上述三种气象雷达方程计算，使以前回波测量工作中的理论回波强度和实测回波强度之间的差别，从平均达4.5分贝降低到1.4分贝。

如何理解,机载气象雷达是用于避开的雷雨区而不是穿越雷雨区

气象雷达 meteorological radar

工作在30～3000兆赫频段的气象多普勒雷达。一般具有很高的探测灵敏度。因探测高度范围可达1～100公里，所以又称为中层-平流层-对流层雷达 (MST radar)。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度（见大气静力稳定度）等大气动力学参数的铅直分布。

气象雷达使用的无线电波长范围很宽，从1厘米到1000厘米。它们常被划分成不同的波段,以表示雷达的主要功能。气象雷达常用的1、3、5、10和 20厘米波长各对应于 K波段（波长0.75～2.4厘米）、X波段（波长 2.4～3.75厘米）、C波段（波长3.75～7.5厘米）、S波段（波长7.5～15厘米）和 L波段（波长15～30厘米），超高频和甚高频雷达的波长范围分别为10～100厘米和100～1000厘米。雷达探测大气目标的性能和其工作波长密切有关。把云雨粒子对无线电波的散射和吸收结合起来考虑，各种波段只有一定的适用范围。常用K波段雷达探测各种不产生降水的云，用X、C和S波段雷达探测降水,其中S波段最适用于探测暴雨和冰雹，用高灵敏度的超高频和甚高频雷达可以探测对流层－平流层-中层的晴空流场。

机载气象雷达的原理及常见故障分析

论文摘要：雷达的种类繁多，用途各异。机载气象雷达的基本功用是探测航路上的雷暴雨、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域。机载气象雷达（WXR）的安全性直接影响整机系统和飞行的安全。机载气象雷达是机载导航系统的重要组成部分，是民航客机上的一种重要导航设备。气象雷达出现故障极易造成飞机滑回、返航甚至坠毁等事故，因此必须加强对WXR的维护。本论文通过对机载气象雷达（WXR-700）基本工作原理的系统性总结，来全面地理解机载气象雷达相关知识，并对常见故障进行了总结、分析。

论文关键词：机载气象雷达,WXR-700,故障分析

0机载气象雷达概述

机载气象雷达是人们为防范气象风险，保证飞行安全而应用现代科学技术成果而研制的航空电子设备。机载气象雷达对保障飞行安全具有十分重要的作用，人们不遗余力地对设备进行改进、更新，使气象雷达的性能在近20年来得到了本质的提高。

目前装备飞机的最新气象雷达除了能探测雷雨等气象区域外，已经实现了对风切变、湍流的有效探测，进一步提高了在各种气象条件下的飞行安全性。正是凭借性能优越的机载气象雷达等一系列先进的航空电子设备，使飞行员能够“眼观千里，耳听八方”，驾驶飞机绕过各种危险的气象区域，安全、准确、舒适地把旅客和货物送往目的地。

不同型号的气象雷达所包含的组件可能不同，他们在各型飞机上的配置也有单系统、双系统等多种形式。气象雷达的基本组件为雷达收发机（Transceiver；缩略：XCVR），控制盒（Controller；缩略：CONT），天线驱动机构（ANTENNADRIVE），支架，天线（ANTENNA），波导管（WAVEGUIDE）以及显示器（IND）等组成。

1机载气象雷达的基本工作原理

1.1气象雷达方程

上式集中地表明了气象雷达最大作用距离与雷达系统的技术特性及目标性质的关系，对雷达使用和维护人员均具有实际指导意义。

1.2气象雷达基本工作原理

机载气象雷达主要用于探测航路上的恶劣气象区域。空中的雷雨区、暴雨区、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域，就是机载气象雷达所要探测的目标，图1为气象雷达基本工作原理示意图。

雷达发现目标并测定其位置，基于无线电波传播所具有的以下基本规律：

（1）无线电波可以定向辐射和接收；

（2）无线电波遇到障碍物发生反射，产生回波；

（3）无线电波以光速在空间直线传播（实际上，电波在真空中的传播速度等于光速，在空气中的传播速度略小于光速，但通常视为近似光速）；

（4）发射机产生电磁波信号（如正弦波短脉冲），由天线辐射到空中；

（5）发射的信号一部分被目标拦截并向许多方向再辐射；

（6）向后辐射再回到雷达的信号被雷达天线集，并送到接收机；

（7）在接收机中，该信号被处理以检测目标的存在并且确定其位置；

（8）通过测量雷达信号到目标并从目标返回雷达的时间，得到目标的距离；

（9）目标的角度位置可以根据收到的回波信号幅度为最大时，窄波束雷达天线所指的方向而获得；

（10）如果目标是运动的，由于多普勒效应回波信号的频率会发生偏移。该频率偏移与目标相对于雷达的速度（径向速度）成正比。

1.3WXR-700型机载气象雷达原理

机载气象雷达主要用于探测航路上的恶劣气象区域。空中的雷雨区、暴雨区、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域，就是机载气象雷达所要探测的目标。

WXR-700型机载气象雷达是美国罗克韦尔国际公司和柯林斯运输航空电子部（RockwellInternational，CollinsTransportationAvionics）研制的典型的现代机载彩色气象雷达。

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