气象雷达的原理_气象雷达的工作方式

1.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

2.用于气象观测的气象雷达有哪些类型？

3.气象雷达的基本概况

4.为什么气象雷达能定量估测降水？

5.雷达有哪些不同的作用？

雷达的工作原理是发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。

各种雷达的具体用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括:发射机、发射天线、接收机、接收天线，处理部分以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等设备。

雷达所起的作用跟眼睛和耳朵相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。 事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，在真空中传播的速度都是光速C，差别在于它们各自的频率和波长不同。

其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息。

雷达的应用

雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展（如气象预报、探测、环境监测等）和科学研究（天体研究、大气物理、电离层结构研究等）。

星载和机载合成孔径雷达已经成为当今遥感中十分重要的传感器。以地面为目标的雷达可以探测地面的精确形状。其空间分辨力可达几米到几十米，且与距离无关。雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林清查、地质调查等方面也显示出了很好的应用潜力。

以上内容参考：百度百科-雷达

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

雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等。

为了测定目标的距离，雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间。根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离为：S=CT/2

其中S：目标距离

　 T：电磁波从雷达到目标的往返传播时间

　 C：电磁波的传播速度

雷达测定目标的方向是利用天线的方向性来实现的。通过机械和电气上的组合作用，雷达把天线的小事指向雷达要探测的方向，一旦发现目标，雷达读出些时天线小事的指向角，就是目标的方向角。两坐标雷达只能测定目标的方位角，三坐标雷达可以测定方位角和俯仰角。

测定目标的运动速度是雷达的一个重要功能，—雷达测速利用了物理学中的多普勒原理．当目标和雷达之间存在着相对位置运动时，目标回波的频率就会发生改变，频率的改变量称为多普勒频移，用于确定目标的相对径向速度，通常，具有测速能力的雷达，例如脉冲多普勒雷达，要比一般雷达复杂得多。

雷达的战术指标主要包括作用距离、威力范围、测距分辨力与精度、测角分辨力与精度、测速分辨力与精度、系统机动性等。

其中，作用距离是指雷达刚好能够可靠发现目标的距离。它取决于雷达的发射功率与天线口径的乘积，并与目标本身反射雷达电磁波的能力（雷达散射截面积的大小）等因素有关。威力范围指由最大作用距离、最小作用距离、最大仰角、最小仰角及方位角范围确定的区域。

雷达的技术指标与参数很多，而且与雷达的体制有关，这里仅仅讨论那些与电子对抗关系密切的主要参数。

根据波形来区分，雷达主要分为脉冲雷达和连续波雷达两大类。当前常用的雷达大多数是脉冲雷达。常规脉冲雷达周期性地发射高频脉冲。相关的参数为脉冲重复周期（脉冲重复频率）、脉冲宽度以及载波频率。载波频率是在一个脉冲内信号的高频振荡频率，也称为雷达的工作频率。

雷达天线对电磁能量在方向上的聚集能力用波束宽度来描述，波束越窄，天线的方向性越好。但是在设计和制造过程中，雷达天线不可能把所有能量全部集中在理想的波束之内，在其它方向上在在着泄漏能量的问题。能量集中在主波束中，我们常常形象地把主波束称为主瓣，其它方向上由泄漏形成旁瓣。为了覆盖宽广的空间，需要通过天线的机械转动或电子控制，使雷达波束在探测区域内扫描。

概括起来，雷达的技术参数主要包括工作频率（波长）、脉冲重复频率、脉冲宽度、发射功率、天线波束宽度、天线波束扫描方式、接收机灵敏度等。技术参数是根据雷达的战术性能与指标要求来选择和设计的，因此它们的数值在某种程度上反映了雷达具有的功能。例如，为提高远距离发现目标能力，预警雷达用比较低的工作频率和脉冲重复频率，而机载雷达则为减小体积、重量等目的，使用比较高的工作频率和脉冲重复频率。这说明，如果知道了雷达的技术参数，就可在一定程度上识别出雷达的种类。

雷达的用途广泛，种类繁多，分类的方法也非常复杂。通常可以按照雷达的用途分类，如预警雷达、搜索警戒雷达、无线电测高雷达、气象雷达、航管雷达、引导雷达、炮瞄雷达、雷达引信、战场监视雷达、机载截击雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达等。除了按用途分，还可以从工作体制对雷达进行区分。这里就对一些新体制的雷达进行简单的介绍。

用于气象观测的气象雷达有哪些类型？

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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气象雷达的基本概况

用于气象观测的气象雷达

可探测空中云、雨的状态，测定云层的高度和厚度，测定不同大气层里的风向、风速和其他气象要素。它包括测雨雷达、测云雷达、测风雷达等。此外，按雷达架设位置的不同，可分为地面雷达、机载雷达、舰载雷达、导弹载雷达、航天雷达、气球载雷达等。

按工作频段不同，可分为米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达、毫米波雷达等。

按发射信号形式不同，可分为脉冲雷达、连续波雷达、脉冲压缩雷达等。

按天线波束扫描控制方式不同，可分为机械扫描雷达、机电扫描雷达、频扫雷达和相控阵雷达等。

为什么气象雷达能定量估测降水？

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。

雷达有哪些不同的作用？

01

气象雷达发射出电磁波，电磁波遇到空气中的雨滴、云滴、冰晶、雪花等会发生散射，返回的电磁波被雷达天线所接收并显示在屏幕上。因为雷达回波强度与降水强度具有相同的概率分布。所以气象台会总结不同类型的降水的回波强度与其对应的降水强度之间的关系，得到一组经验公式，用来定量估测降水。

在气象台发布的预警信息中，我们常能听到一定时间内降水量的预报，例如?北京中北部未来两天降水量将达100 毫米?，?据预测，华盛顿将有一场大暴雨，雨量达150 毫米甚至更多?，等等。它们大多是利用数值天气预报模式由计算机算出来的。

气象学家还能利用一种叫做?天气雷达?的气象雷达来定量估测降水。气象雷达发射出电磁波，电磁波遇到空气中的雨滴、云滴、冰晶、雪花等会发生散射，返回的电磁波被雷达天线所接收并显示在屏幕上，气象学家根据回波图像可以得知大气中降水的强度、分布、移动和演变情况，以此了解天气系统的结构和特征。气象雷达能探测台风、局部地区强风暴、冰雹、暴雨和强对流云等，并能监视天气的变化。

但是，在雷达屏幕上，我们所能看到的只是雷达回波的强度、分布、移动和演变情况，气象工作人员又是怎样来定量估测降水的呢？通常情况下，雷达回波强度与降水强度具有相同的概率分布。气象台站会收集和统计不同地区、不同降水类型和不同降水强度的雨滴谱，也就是单位体积内各种大小雨滴的数量随其直径的分布，然后找到不同类型的降水的回波强度与其对应的降水强度之间的关系，比如层状云降水、对流云降水、地形云降水、干雪和湿雪等，这样就可以得到一组经验公式，用来定量估测降水。

实际工作中，为了利用气象雷达测量某区域在某时段的降水总量，可把区域、时间进行分割，然后对雷达测得的多个降水量进行累加或平均，这样可以去除随机误差的影响，使该区域上的雨量或平均强度比单点的瞬时强度更为准确，从而保证了估测精度。

近年来，气象雷达估测降水的技术也在不断翻新。而且，将设置在地面上的雷达组成网络，并利用以卫星为载体的雷达，就可实现大范围内的降水观测，可以弥补单点观测的不足。但是，利用雷达组网来进行定量监测及预报大范围降水，也会存在各种问题。例如，把组网的雷达回波图拼在一起时，拼图本身的技术问题，会使降水估测的精度达不到预期目的。而且，即使是同一型号的气象雷达，探测的结果也会有差别，例如各雷达的选址不同、雷达回波受到不同地形和建筑物的影响、有效覆盖区的雨量计站点分布密度不同等，这些因素都会影响结果，使组网后的数据出现误差，最终会影响预报质量。

随着雷达技术的发展，从20世纪60年代开始，雷达家族出现了一位“多面手”——相控阵雷达。

这种雷达可以同时具备对不同目标进行远程警戒、引导、跟踪和制导等多种功能。它能在30秒钟内对300多个目标进行跟踪。对于像篮球那么大的目标的最大探测距离可达3700千米，可以说是目前雷达技术的尖端。

我们知道，要想让雷达看得远，天线就得做得很大，这样一来，天线转动起来非常缓慢，跟踪快速飞行的洲际导弹就显得力不从心。而相控阵雷达已成功地解决了这个问题。

有一种相控阵雷达，外形像一座30米高的大楼，它的天线就像一面直径为29米的墙，倾斜角为20°。在这面圆形的天线上，排列着分为96组约15360个能发射电磁波的辐射器，分别连着各自的发射机和接收机，就相当于有96部普通雷达组合在一起。

相控阵雷达的96组收发系统由电子计算机统一指挥，谁负责警戒，谁负责跟踪，谁来制导，都有明确分工。这样，它身兼多种功能，而且计算机计算速度快、容量大，在很短时间内就能完成由各种普通雷达配合起来才能完成的任务。

相控阵雷达的天线是固定不动的。它只能看到正面120°方位角范围的目标，看不到背后的目标。为了让它能看到360°范围内的目标，一般靠三面天线阵同时工作或把天线做成圆顶形的。

现代雷达，要求测量目标的作用距离远。增加作用距离的方法之一，就是把雷达发射电磁波的能量加强，这样可以使脉冲功率提高和用宽一些的脉冲来实现。

我们知道，电的能量是用功率乘上时间来表示的。雷达技术上也是如此，增加发射脉冲能量除了提高发射功率外，还可以使脉冲存在的时间——脉冲宽度宽一些。

但脉冲宽度加宽，又带来了一个问题，就是导致雷达距离分辨力变差。什么是距离分辨力呢？当雷达天线对准目标后，如果在同一方向上有两个目标，比如有两架飞机一前一后地飞行，那么雷达所能识别这两个目标之间的最小距离，就称为距离分辨力。

距离分辨力与脉冲宽度有密切的关系。在雷达显示器上，回波信号的波形与雷达发射脉冲宽度是成比例的。

如果发射脉冲太宽，从第一个目标和第二个目标反射的回波，就会重叠在一起，分不清是两个目标。

如果雷达用很窄的脉冲，那么就可以分清两个反射回波，而且能测出两架飞机相隔的距离。

在军事防空体系中，对雷达的距离分辨力要求很高。所以脉冲宽度要尽量用窄一些的，但这样又与增大雷达作用距离相矛盾了。

激光雷达是由微波雷达发展而来的，它们都是向目标发射探测信号，然后通过测量反射信号的到达时间、波束的指向、频率变化等参数来确定目标的距离、方位和速度。只是激光雷达利用激光束来工作，波长比微波要短得多，只有0.4～0.75微米。

由于激光具有许多优点，如它的单色性好，亮度高，方向性强等，使激光雷达比微波雷达更为优越。它的精度高，分辨力强，设备小而轻，有的能显示目标图像，还可以用来测速。随着激光技术水平的不断提高，激光雷达在国防上的应用将会日益广泛。

激光多普勒频移雷达：它是利用多普勒效应原理，利用频率计测定频移来达到测量目的的。因为激光波长极短，在目标相对雷达运动时，频移现象将特别显著，故能精确测定目标的运动情况。

激光测高计：用于从空中测量地面或海面的高度。

人造卫星激光雷达：用于对人造卫星进行测距和跟踪。

激光气象雷达：用以测量云层方位、晴空湍流、流星尘等。

喇曼激光雷达：用以测定大气污染情况和大气中各种物质成分。

障碍回避雷达：可绕过山峰等各种地形障碍来进行探测。

世界上一些国家已经开始研制天基雷达，就是把雷达部置在太空中，居高临下，临视范围非常大，而且安全可靠，它具有波束捷变能力强、分辨率高、识别目标能力强、干扰小等优点。

美国“星球大战”，将开发能跟踪运载火箭，区别真弹头，并且作为天基动能武器火控系统的天基雷达。它用相控阵技术，工作在毫米波段，能同时跟踪500个目标，并且可以对杀伤效果作出准确评价。例如星载雷达，这种雷达将发射机装在卫星上，而接收机装在大型飞机里，由于雷达功率小，重量轻，只要把回波信号返回到目标附近的飞机上，而飞机不用发射信号，所以雷达获得的目标信息精度高，隐蔽性很好。

现代各种用途的雷达正向数字化、固体化、计算机控制和多基地雷达体制的方向发展。计算机使雷达的操作、维护和使用自动化，并能提高雷达的可靠性，缩短其反应时间；自适应雷达能在环境变化和干扰情况下迅速自动调整，并充分发挥最佳功能；超宽频带、多频率和极化编码技术能提高雷达识别目标的能力和电子对抗能力等。

随着各种芯片的研制成功以及人工智能技术的发展，21世纪的雷达世界将出现百花争艳的盛景。