多普勒雷达探测原理

8.1.1 多普勒效应
        多普勒效应是奥地利物理学家J.Doppler 1842年首先从运动着的发声源中发现的现象，定义为"当接收者或接收器与能量源处于相对运动状态时，能量到达接收者（器）时频率的变化"。

        一个例子是：当一辆紧急的火车（汽车）鸣着喇叭以相当高的速度向着你驶来时，声音的音调（频率）由于波的压缩（较短波长）而增加。当火车（汽车）远离你而去时，这声音的音调（频率）由于波的膨胀（较长波长）而减低。 
多普勒频率(多普勒频移)：

        对于一个运动的目标，向着雷达运动或远离雷达运动所产生的频移量是相同的，但符号不同：①如果目标移向雷达频移为正；②如果目标远离雷达频移为负。 

8.1.2 径向速度
        径向速度简单地定义为目标运动平行于雷达径向的分量。它是目标运动沿雷达径向的分量，既可以向着雷达，也可以离开雷达。
        需要注意：①径向速度总是小于或等于实际目标速度；②由WSR-88D测量的速度只是目标向着或离开雷达的运动；③当目标运动垂直于雷达径向或静止时径向速度为零。 
        目标的实际速度与WSR-88D描述的径向速度间的关系能用数学方法描述成径向速度方程
        │Vr│=│V│•cosβ 
        其中Vr为径向速度，V为实际速度，β为实际速度V与雷达径向之间最小的夹角。

8.1.3 多普勒天气雷达测速
        由于多普勒频移(Hz)相对发射频率(MHz)很小，故多普勒天气雷达通常不是直接测量多普勒频移，而是通过测量相继返回的脉冲对之间的位相差来确定目标物的径向速度，这种脉冲位相的变化可以比较容易并且比较准确的测量。这种测速技术叫做"脉冲对处理"。 
脉冲对处理 Pulse-Pair Method
        要使多普勒雷达能够提取目标的多普勒运动信息，必须知道每个发射波的初相位，这样就可以比较相继返回信号的位相。如果每个发射波的初位相不知道，那么将无法知道相继返回的两个脉冲间的相移，也就无法对目标物沿雷达径向做出估计。
        WSR-88D和CINRAD是一种全相干雷达，这是指每个脉冲在发射时的位相都是已知的。每个发射脉冲的频率是常数，其位相对于内部参考信号而言是相同的。当脉冲返回时，与参考信号做比较以确定位相。任何脉冲到另一脉冲的位相变化都可以计算。位相变化与目标的运动相联系。

        注：事实上，雷达最终给出的径向速度是从多个脉冲对得到的径向速度的平均值，称为平均径向速度，而相应的标准差称为谱宽。通常采用几十对脉冲的平均得到平均径向速度。

8.1.4 最大不模糊距离和距离折叠

        距离折叠：是指雷达对产生雷达回波的目标物的一种辨认错误。当目标物位于最大不模糊距离rmax以外时，雷达却把目标物显示在rmax以内的某个位置，形象地称之为"距离折叠"。 
        当距离折叠发生时，雷达所显示的回波位置的方位是正确的，但距离是错误的(但是可以预计它的正确位置)。 
        距离折叠是如何发生的？
        设雷达的最大不模糊距离为250 n mile(nm 表示海里) 


        距离折叠回波的特点：方位角是正确的；强度较弱；有时具有奇怪的多普勒速度。

8.1.5 最大不模糊速度和速度模糊

8.1.6多普勒两难(The Doppler Dilemma)

8.1.7获取I和Q值
        回波信号相当于在接收的有限时段内对载频脉冲既调幅，又调频。粒子散射过程相当于对发射信号进行幅度调制，粒子径向运动相当于对发射信号进行频率调制。 

        1）I和Q分量 
        I 和Q分量包括了产生反射率因子，径向速度和速度谱宽数据的全部必需信息。 
        信号的振幅(即Z)和位相是直接根据I和Q值计算的。从而脉冲对相移也可直接由I和Q值计算得到，然后再产生径向速度和速度谱宽数据。 

        单独的 I 值对于确定目标的方向（向着雷达或离开雷达）是不充分的。I和Q值一起提供目标的速度和方向。 

        2）确定目标方向
        一旦两个相继返回脉冲的I和Q值被确定，它们的位相矢就可以分别画在笛卡尔坐标系上。 
        判断位相矢旋转和目标运动之间关系的方法是：从位相矢1沿小于180°的角度转到位相矢2的方向，1)如果是逆时针旋转意味着目标物向着雷达运动，定为负速度(按照惯例)；2)如果顺时针旋转意味着目标物离开雷达运动，定为正速度。目标运动速率正比于位相矢1与位相矢2之间的夹角(相移)的大小。 
        注意：上述方法确定的径向速度的方向和大小是第一猜测值，在脉冲对位相小于180°情况下该第一猜值是目标物的真实径向速度，而在相继脉冲对位相差超过180°的情况下该第一猜值不能反映目标真实的径向速度，速度是"模糊的"，需要经过速度退模糊算法的订正才能得到真实的速度。 

        3) 用位相矢计算径向速度的例子
        (1) 不出现速度模糊的情况 

        从#1到#2的脉冲对相移为135°，位相矢的旋转是顺时针，表示目标物是以 45 kn的速度移向雷达。第一猜速度是 45 kn。 
        (2)实际相移超过180°的情形应记住的要点是： 
        多普勒天气雷达总是假定与目标运动有关的相移是脉冲#1和#2之间的最小夹角。当实际的相移超过180°时会出现什么情形？无论什么时候只要实际相移超过180°，雷达就使用一个对应同样的电压差小于180°的角(相移)，从而导致目标运动速度的模糊。换言之，此时雷达对目标径向速度的"第一猜值"比实况要小，并且方向与实际目标的实际运动方向相反。 
        如：实际270°的相移被看成了90°的相移。 

        4) 得到调制函数

        在CINRAD-SC，CC，CCJ和CD型的雷达接收机中，中频通道有两路，一路为对数通道，另一路为线性通道。中频回波信号在对数通道中经对数放大后输出回波强度信号，在线性通道中经线性放大和相位检波后输出正交信号 I 和Q。经对数放大后的输出、I和Q信号均送入信号处理系统，最后得到回波功率P、径向速度V和速度谱宽W。 
        而WSR-88D和CINRAD-SA和SB型未设对数通道，回波功率、径向速度和谱宽全由 I 和Q信号

8.1.8 基数据的产生
        多普勒雷达基数据包括反射率因子、平均径向速度和谱宽。 
        用单个脉冲和脉冲对进行基数据估计的统计不确定性太多，以至于不能产生精确的数据。因此，必须对大量的脉冲回波进行统计处理，以满足所要求的精度，所需的脉冲数的个数依赖于雷达系统的特点和所要求的数据的种类(反射率因子或速度)。 
下面简单描述WSR-88D和CINRAD-SA雷达的基数据的形成。 
        1）反射率因子数据

        2）平均径向速度数据
        多普勒速度信息是用脉冲对处理方法得到的。用3个步骤得到： 
        (1)为了使每个0.25km的距离库的速度估计误差不大于1m/s，需要40~50个脉冲对。 
        (2)求脉冲对位相矢和。这一步使用位相矢代表脉冲对(注意，与前面带面代表单个脉冲的位相矢不同)，从X轴正向算起到位相矢方向的角度代表脉冲对的相移，相矢的大小代表每个独立脉冲所对应的位相矢的标积。对脉冲对位相矢做矢量求和，数值大的位相矢(较高的回波功率)对平均径向速度估计有相对大的影响。因此速度估计是以回波功率为权重的平均值估计。较大的散射体返回较高的功率，在速度平均时有大的权重。 
        (3)赋予每个0.25km的距离库一个平均径向速度，直到230km。 

        3）速度谱宽数据
        速度谱宽是对在一个距离库中速度离散程度的度量。谱宽在数学上与一个距离库内的各个散射体的速度的方差成正比。谱宽可以用作速度估计质量控制的工具。当谱宽增加，速度估计的可靠性就减小。 
        一些典型的气象特征和条件可导致相对高的谱宽，它们包括: (1)气团的界面附近，如锋面边界和雷暴的出流边界等；(2)雷暴；(3)切变区域；(4)湍流；(5)风切变；(6)降落速度不同的不同直径的雨和雪。 
        一些非气象条件也可使谱宽增加: (1)天线转速(慢宽快窄)；(2)距离(远宽近窄)；(3)信噪比。

基数据的分辨率
        基数据中的反射率因子是通过对沿着雷达径向的四个取样体积平均得到的，其径向分辨率相当于4个取样体积的长度，方位角方向的分辨率与取样体积在方位角方向的分辨率相同。平均径向速度和谱宽的分辨率与雷达取样体积的大小一致。对于SA和SB型雷达，基数据中反射率因子的分辨率为1km×1°，而径向速度和谱宽的分辨率为0.25km×1°。