机载监视系统课件：2-2机载气象雷达 - 测距测角MTI20150413.ppt

1、Airborne Weather Radar(WXR)Airborne Weather Radar(WXR) Con3 Con3：Ranging,Azimuth Ranging,Azimuth measurement,MTImeasurement,MTI电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarOutlines for Con3Outlines for Con31 Ranging(脉冲法)脉冲回波位置测距2 Azimuth measurement 脉冲最大值所在方位角测角； 机载气象雷达天线为阵列天线；扫描方式为为机械式扫描；3 多普勒原理4 Moving Target

2、Indication MTI利用多普勒频率（回波相位）测速5 湍流风切变检测电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar 测量目标的距离是雷达的基本任务之一。测量目标的距离是雷达的基本任务之一。RRctRcRt212目标距离测量就是要精确测定目标距离测量就是要精确测定延迟时间延迟时间tR。常用方法：常用方法：脉冲法脉冲法, 频率法和相位法。频率法和相位法。 RABCon3-1 RangingCon3-1 Ranging电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar脉冲法测距脉冲法测距 12RRc t关键：测量发射的同步脉冲与目标回波脉冲间的关键：测量发射的

3、同步脉冲与目标回波脉冲间的时延时延 Con3-1 RangingCon3-1 Ranging电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar距离分辨力：同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分距离。距离分辨力：同一方向上两个大小相等点目标之间最小可区分距离。在显示器上测距时，分辨力主要取决于回波的脉冲宽度。在显示器上测距时，分辨力主要取决于回波的脉冲宽度。ncvdcr2 dvn光点直径dvnCon3-1 RangingCon3-1 Ranging电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar)(210mintcRmax2rcRT测距范围测距范围最大无模糊距离

4、最大无模糊距离距离模糊距离模糊)(2RrtmTcRm为正整数为正整数 Con3-1 RangingCon3-1 Ranging电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar 为了确定目标的空间位置为了确定目标的空间位置, 雷达在大多数应用情况下雷达在大多数应用情况下, 不仅不仅要测定目标的距离要测定目标的距离, 而且还要测定目标的方向而且还要测定目标的方向, 即测定目标的角即测定目标的角坐标坐标, 其中包括目标的其中包括目标的方位角方位角和和高低角高低角(俯仰角俯仰角)。 雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性直线性和和雷达

5、天线的雷达天线的方向性方向性。 目标OCon3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar天线方向性天线方向性 Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar天线方向性天线方向性 天线的方向性可用它的方向性函数或根据方向性函数画出天线的方向性可用它的方向性函数或根据方向性函数画出的方向图表示。的方向图表示。(方位角，俯仰角方位角，俯仰角)max( , )( ,

6、 )( , )EfE Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar天线方向性天线方向性 主瓣主瓣(m(mainlobeainlobe) )：天线辐射最：天线辐射最强方向所在的波瓣。强方向所在的波瓣。 主瓣宽度主瓣宽度：主瓣半功率点间的：主瓣半功率点间的夹角，记为夹角，记为 。 副瓣（旁瓣副瓣（旁瓣, sidelobe, sidelobe）：主：主瓣以外的其余波瓣。瓣以外的其余波瓣。 副瓣电平副瓣电平：主向场强与副瓣中：主向场强与副瓣中最大场强之比，以最大场强之比，以dBd

7、B的形式表的形式表示。示。0.52主瓣主瓣副瓣副瓣Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar测角方法：测角方法：1. 相位法测角相位法测角：利用多个天线所接收回波信号之间的相：利用多个天线所接收回波信号之间的相位差进行测角。位差进行测角。2. 振幅法测角振幅法测角：利用天线收到的回波信号幅度值进行角：利用天线收到的回波信号幅度值进行角度测量，幅值的变化规律取决天线方向图以及天线扫度测量，幅值的变化规律取决天线方向图以及天线扫描方式。可分为描方式。可分为最大信号法最大信号

8、法和等信号法两大类。和等信号法两大类。Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar相位法测角相位法测角Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement22Rdsin 由于两天线间距为d，故它们所收到的信号存在波程差而产生一相位差R电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar最大信号法最大信号法振幅法测角振幅法测角回波最大值时天线波束轴线所处的方向即为目标方位角。回波最大值时天线波束轴线所处的方向即

9、为目标方位角。Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar最大信号法最大信号法振幅法测角振幅法测角(a)目标tAaAat幅度t / atA / a幅度t / attiaftA2(a)目标tAaAat幅度t / atA / a幅度t / attiaftA2rasf160360“量化量化”测角误差测角误差Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement（单位r/min）电子信息与自动化学院Airborne Weather

10、 Radar优点：优点：1）简单；）简单；2）用天线方向图的最大值方向测角）用天线方向图的最大值方向测角, 此此时回波最强时回波最强, 故信噪比最大故信噪比最大, 对检测发现目标是有利的。对检测发现目标是有利的。 缺点：缺点：1）直接测量时测量精度不很高）直接测量时测量精度不很高, 约为波束半功率宽约为波束半功率宽度度(0.5)的的 20%左右。左右。2）不能判别目标偏离波束轴线的方）不能判别目标偏离波束轴线的方向向, 故不能用于自动测角。故不能用于自动测角。振幅法测角振幅法测角最大信号法最大信号法Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measure

11、ment电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar天线波束形状天线波束形状 扇形波束扇形波束(a)(b)O(a)(b)OCon3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement地面雷达地面雷达机载雷达机载雷达电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar00仰角扫描范 围(a)(b)(c)方向角仰角天线波束形状天线波束形状 针状波束（笔形波束）针状波束（笔形波束）Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement分行扫描分行扫描螺旋扫描螺旋扫描锯齿扫描锯

12、齿扫描电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarDifferent types of radar beamsDifferent types of radar beams电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarDifferent types of radar scanningDifferent types of radar scanning电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar天线波束的扫描方法天线波束的扫描方法 Phased Array Antennaselectronic scanning电扫描又可分为电扫描又可分为相位

13、扫描法相位扫描法、频、频率扫描法、时间延迟法等。率扫描法、时间延迟法等。相位扫描法相位扫描法控制移相量改变阵元控制移相量改变阵元激励相位，改变波束指向。激励相位，改变波束指向。 Con3-2 Azimuth measurementCon3-2 Azimuth measurement电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarPhased Array AntennasPhased Array Antennas电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarArray BeamformingArray Beamforming电子信息与自动化学院Airborne

14、Weather RadarControls for an N Element ArrayControls for an N Element Array电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar多普勒效应多普勒效应1842年，年，Christian Doppler在声学上发现，在声学上发现，1930年运用到电磁波范围年运用到电磁波范围,并随后在雷达中并随后在雷达中获得广泛应用。获得广泛应用。2dvfCon3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar多普勒效应的应用多普勒效应的应用测速：利用发射与接收信号的频率差，多普勒测

15、速仪测速：利用发射与接收信号的频率差，多普勒测速仪杂波抑制：地面、海面、杂波抑制：地面、海面、 云雨等的回波对目标回波造云雨等的回波对目标回波造成严重的干扰，但通常其是固定或者缓慢运动的。成严重的干扰，但通常其是固定或者缓慢运动的。成像：医学成像，彩超成像：医学成像，彩超Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar连续波连续波 发射信号发射信号多普勒频率（频移）多普勒频率（频移）00( ) cos()s tAt接收信号接收信号00( )()cos()rrrs tks ttkAttCon3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化

16、学院Airborne Weather Radar连续波连续波目标固定不动目标固定不动, 距离距离R为常数为常数0 r022/ (2/) 2tfR cR 0ddt目标运动，目标运动，0r( ) R tRv t)(2)(20tvRcctRtrr)(22)(20000tvRtvRctrrr=2/rtR c22rdvdt122rddvfdt多普勒频率多普勒频率Con3-3Con3-3多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar窄带信号窄带信号)(Re)(0tjetuts)(Re)()()(0rttjrrrettkuttksts)(2)(20tvRcctRtrr0 r0r

17、2 (2 /)()tRv t 122rddvfdt多普勒频率多普勒频率Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar2rdvf当目标当目标飞向飞向雷达站时雷达站时, 多普勒频率为多普勒频率为正值正值, 接收信号频率接收信号频率高于发射信号频率高于发射信号频率, 而当目标而当目标背离背离雷达站飞行时雷达站飞行时, 多普勒多普勒频率为频率为负值负值, 接收信号频率低于发射信号频率。接收信号频率低于发射信号频率。 多普勒频率多普勒频率多普勒频率多普勒频率Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weathe

18、r Radar径向速度径向速度引起多普勒频移的是雷达和目标连线方向的引起多普勒频移的是雷达和目标连线方向的径向速度径向速度。 coscosreavv多普勒频率多普勒频率Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar多普勒信息提取多普勒信息提取运动目标的多普勒频率相对于工作频率是运动目标的多普勒频率相对于工作频率是很小很小的的 。03.2(9.4)340/22dcm fGHzvm sfkHz010(3)340/6.8dcm fGHzvm sfkHz多普勒频率的提取需要获得发射和接收频率间的多普勒频率的提取需要获得发射和接收频率间的频差频差

19、 。Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar 连续波多普勒雷达连续波多普勒雷达相位检波器：提取接收和发射信相位检波器：提取接收和发射信号的相位差。号的相位差。 多普勒滤波器：取出所需要的多多普勒滤波器：取出所需要的多普勒频率。普勒频率。 Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒多普勒信息提取多普勒信息提取00cosrrUUUt)cos(00tUUUdr0cos()irduUt固定目标固定目标运动目标运动目标电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达脉冲调制器功率放大器连续振荡器接收

20、机显示系统f0 fdf0发射接收基准电压(a)多普勒信息提取多普勒信息提取“蝴蝶效应蝴蝶效应”Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达连续振荡脉冲发射回波(固定)回波(运动)相干检波(运动)相干检波(固定)tttttt(b)cR02cRR)(20脉冲调制器功率放大器连续振荡器接收机显示系统f0 fdf0发射接收基准电压(a)多普勒信息提取多普勒信息提取Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达)cos1 (mUKu

21、kd检波器的输出信号检波器的输出信号cRtr0002)(22)(2000tvRctRtrr输出等幅脉冲输出等幅脉冲输出幅度受调制的脉冲输出幅度受调制的脉冲隔直隔直多普勒信息提取多普勒信息提取Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒Kd检波系数Uk基准电压cosmUKkd电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar 脉冲多普勒雷达脉冲多普勒雷达ttTrcos(dt0)uuUrUkUinUr2UkUr100相位检波器输出波形相位检波器输出波形多普勒信息提取多普勒信息提取Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar盲速和

22、频闪盲速和频闪 盲速盲速：虽然目标有一定的速度：虽然目标有一定的速度vr, 但相位检波器的输出为一但相位检波器的输出为一串等幅脉冲串等幅脉冲, 与固定目标的回波相同，此时的目标运动速度与固定目标的回波相同，此时的目标运动速度称为盲速。称为盲速。频闪频闪：当脉冲工作状态时：当脉冲工作状态时, 相位检波器输出端回波脉冲串的相位检波器输出端回波脉冲串的包络调制频率包络调制频率Fd, 与目标运动的径向速度与目标运动的径向速度vr不再保持正比关不再保持正比关系。此时如用包络调制频率测速时将产生测速模糊。系。此时如用包络调制频率测速时将产生测速模糊。原因原因：脉冲工作状态脉冲工作状态是对连续发射的取样，取

23、样后波形和频是对连续发射的取样，取样后波形和频谱均发生变化。谱均发生变化。 多普勒信息提取多普勒信息提取Con3-3Con3-3多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar多普勒信息提取多普勒信息提取盲速盲速TrFdfdtUr1Ur2UkdTr2Fd0fd frTrUr1Ur2UkdTr2 1 22FdTrFd fr fdFdfdfdFdfr2frr21fr21f0t(a)(b)(c)2drT相邻周期的相位差相邻周期的相位差盲速时相位差盲速时相位差2 1,2,3,nnrrfnv210盲速盲速Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒fr脉冲重复频率Fd包络频率fd

24、多普勒频率电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar多普勒信息提取多普勒信息提取频闪频闪2 1,2,3,nn和和TrFdfdtUr1Ur2UkdTr2 Fd0fd frTrUr1Ur2UkdTr2 1 2 2 FdTrFd fr fdFdfdfdFdfr2frr21fr21f0t(a)(b)(c)2相位的相位的周期性周期性Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radarfd=nfr时时, 无法区分运动目标与固定目标。无法区分运动目标与固定目标。 多普勒信息提取多普勒信息提取盲速和频闪盲速和频闪 “盲速盲速”的原因：的

25、原因：频闪的原因频闪的原因:12drfffd1=nfr-fd2fd1=nfr+fd2两目标回波的频谱结构相同，无法区分。两目标回波的频谱结构相同，无法区分。rdff21频闪不出现的条件：频闪不出现的条件：Con3-3 Con3-3 多普勒多普勒电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar41u 雷达探测的运动目标如飞机，导弹，舰艇，车辆等周围存在各种背景，包括不动的地物和运动着的云雨，海浪或金属丝干扰等。u 动目标显示（Moving Target Indicator :MTI）与动目标检测（Moving Target Detection: MTD）就是使用各种滤波器，滤去这

26、些背景产生的杂波而取出运动目标的回波。u 运动目标回波和杂波在频谱结构上有所差别，运动目标检测就是利用这种差别，从频率上将它们区分，以达到抑制杂波而显示目标回波的目的。为此，应首先弄清楚目标和杂波的回波的特性。u 在频域上应用MTI与MTD技术可以提高信杂比，改善杂波背景下检测运动目标的能力。Con3-4 MTI电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarMTI滤波器滤波器运动目标检测的任务就是根据运动目标回波和运动目标检测的任务就是根据运动目标回波和杂波在频谱上的区别，在频域抑制固定杂波而杂波在频谱上的区别，在频域抑制固定杂波而显示运动目标回波。显示运动目标回波。Con3

27、-4 MTICon3-4 MTI电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarMTI滤波器滤波器杂波频谱特性杂波频谱特性2020exp|)(ffagfW0510152025123540.010.020.050.10.20.51.0G( f )G( f0 )22W0( f )频率 / Hz“1”密林小山密林小山, 风速为风速为200海里每小时海里每小时, a=2.31017;“2”稀少的小树无风日稀少的小树无风日, a=3.91019;“3”海浪回波海浪回波, 有风有风, a=1.411016;“4”云雨云雨, a=2.81015;“5”锡箔片锡箔片, a=11016 。 Co

28、n3-4 MTICon3-4 MTI电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar由于杂波谱线的展宽由于杂波谱线的展宽, 简单的一次对消滤波器将不能很好地滤去杂波简单的一次对消滤波器将不能很好地滤去杂波, 需要进一步改进滤波器的特性。需要进一步改进滤波器的特性。 特别是杂波具有多普勒频移时特别是杂波具有多普勒频移时, 滤波器滤波器的凹口还应对准杂波谱的平均多普勒频率位置才能收到预期结果。的凹口还应对准杂波谱的平均多普勒频率位置才能收到预期结果。 关键：选用什么样的滤波特性？关键：选用什么样的滤波特性？凹口位置凹口位置凹口宽度凹口宽度凹口深度凹口深度Con3-4 MTICon3

29、-4 MTIC( f )0 F Ff典型的地杂波功率谱典型的地杂波功率谱电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarMTI滤波器滤波器一次相消器一次相消器z1Z1X(z)Y(z)YZ平面零点X10Tf21Tf10，Tf43f频响0频响0fT1T1T1T1(a)(b)11)(zzH()12sinsincos222j Tj TH eeTTTj Con3-4 MTICon3-4 MTI电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarMTI滤波器滤波器递归一次相消器递归一次相消器z1Z1X(z)Y(z)YZ平面零点X10Tf21Tf10，YZ平面零点X极点K1K1X

30、(z)Y(z)W(z)Tf43f频响0频响0fT1T1T1T1(a)(b)1111( )1zH zK zRemark：加入反馈支路，凹加入反馈支路，凹口变窄，平坦范围加宽，但暂口变窄，平坦范围加宽，但暂态响应较长。态响应较长。Con3-4 MTICon3-4 MTI电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarMTI滤波器滤波器二次相消器二次相消器211)(zKzzHz1z1X(z)Y(z)KXXjY0000fT1T1fT1012K频响频响jYz1z1X(z)Y(z)KXXjY0000fT1T1fT1012K频响频响jYRemark：通过改变：通过改变K（ K =+2-2），

31、改善滤波器的，改善滤波器的频谱特性。频谱特性。Con3-4 MTICon3-4 MTI电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarMTI滤波器滤波器递归二次相消器递归二次相消器Remark：反馈支路的加入，使得整个通带范围内响：反馈支路的加入，使得整个通带范围内响应较为平坦。应较为平坦。2211211)1 ()(zKzKzzHz1z12K2 K1X(z)Y(z)N(z)频率响应Z平面双零点f0共轭极点XjY0Con3-4 MTICon3-4 MTI电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarMTI滤波器滤波器多次相消梳状滤波器多次相消梳状滤波器Remar

32、k：通过改变前馈和反馈系数来实现所需要的：通过改变前馈和反馈系数来实现所需要的滤波特性，即得到合适的凹口宽度并在速度范围内有滤波特性，即得到合适的凹口宽度并在速度范围内有较平坦的响应。较平坦的响应。n210n21迟延迟延迟延uoutuinCon3-4 MTICon3-4 MTI电子信息与自动化学院Airborne Weather Radarv 湍流的定义：发生在一定空域中的急速并且多变的运动气湍流的定义：发生在一定空域中的急速并且多变的运动气流。主要特征是在一个较小空域中的不同位置处，气流运流。主要特征是在一个较小空域中的不同位置处，气流运动速度向量之间存在很大的差异，且变化急剧。动速度向量之

33、间存在很大的差异，且变化急剧。v 机载气象雷达借助于它所夹带的雨粒对雷达波的反射特性机载气象雷达借助于它所夹带的雨粒对雷达波的反射特性而被检测的。由此可知，如果湍流没有夹带一定数量的雨而被检测的。由此可知，如果湍流没有夹带一定数量的雨滴，则在被气象雷达天线波束照射时是不能产生足够电平滴，则在被气象雷达天线波束照射时是不能产生足够电平的回波而被有效检测的。的回波而被有效检测的。( (湿性湍流湿性湍流和晴空湍流和晴空湍流) )v 机载气象雷达是根据机载气象雷达是根据多普勒原理多普勒原理实现对湍流的检测的。当实现对湍流的检测的。当雷达波束照射到湍流区域时，湍流和所夹带的水粒形成雷雷达波束照射到湍流区

34、域时，湍流和所夹带的水粒形成雷达回波。由于湍流急速多变的运动特性，所形成的是一个达回波。由于湍流急速多变的运动特性，所形成的是一个偏离雷达发射频率且频谱宽度较宽的多普勒频谱，它与一偏离雷达发射频率且频谱宽度较宽的多普勒频谱，它与一般降雨区所产生的反射回波的频率特性是明显不同的。般降雨区所产生的反射回波的频率特性是明显不同的。Con5-1 Con5-1 湍流及其检测原理湍流及其检测原理50电子信息与自动化学院Airborne Weather Radarv 多普勒效应的定义多普勒效应的定义: :当波源与观察点存在相对运动时，观当波源与观察点存在相对运动时，观察点所接收到的波的频率不同于波源的频率。

35、察点所接收到的波的频率不同于波源的频率。v 由于雨粒本身的运动和飞机与该目标之间的相对运动，同由于雨粒本身的运动和飞机与该目标之间的相对运动，同样存在着多普勒效应。相对速度大的雨粒所产生的多普勒样存在着多普勒效应。相对速度大的雨粒所产生的多普勒频移量较大，相对速度小的雨粒的多普勒频移量较小。频移量较大，相对速度小的雨粒的多普勒频移量较小。v 湍流是根据湍流区域中微粒的湍流是根据湍流区域中微粒的速度偏差速度偏差来定义的，它与微来定义的，它与微粒的绝对速度无关。粒的绝对速度无关。v 湍流的速度偏差越大，湍流越强。根据速度偏差的大小，湍流的速度偏差越大，湍流越强。根据速度偏差的大小，可把湍流分为轻度

36、湍流、中度湍流和严重湍流。可把湍流分为轻度湍流、中度湍流和严重湍流。Con5-1 Con5-1 湍流及其检测原理湍流及其检测原理51电子信息与自动化学院Airborne Weather Radarv 12 12 处雨位采样的平均速度都是处雨位采样的平均速度都是15 m/s15 m/s。但。但B B区标准偏差等区标准偏差等于于14 m/s14 m/s，A A区标准偏差等于区标准偏差等于8m/s8m/s。Con5-1 Con5-1 湍流及其检测原理湍流及其检测原理52电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarCon5-1 Con5-1 湍流及其检测原理湍流及其检测原理v 湍流

37、区域的整体移动速度决定湍流区域的整体移动速度决定fdmfdm的位置的位置，湍流内部的相，湍流内部的相对速度决定频谱宽度。对速度决定频谱宽度。v 相对速度偏差越大，多普勒频谱宽度越宽。相对速度偏差越大，多普勒频谱宽度越宽。53电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarCon5-1 Con5-1 湍流及其检测原理湍流及其检测原理v 多普勒频移与相对速度的偏差成正比，多普勒频移与相对速度的偏差成正比，其关系为其关系为 式中式中fdfd为多普勒频移为多普勒频移(Hz)(Hz)，v v为相对为相对径向速度径向速度(m/s)(m/s)，为信号波长为信号波长(m)(m)。v 目前机载气

38、象雷达所定义的湍流门限目前机载气象雷达所定义的湍流门限5m/s,所对应的多普勒频带宽度为所对应的多普勒频带宽度为2x5/0.032=2x5/0.032=312.5312.5(Hz)(Hz)。（即。（即- -312.5312.5312.5312.5）v 门限检测与统计分析电路对各取样偏门限检测与统计分析电路对各取样偏差进行湍流门限比较、平均处理和差进行湍流门限比较、平均处理和68%68%门限分析，以最终判定目标是否门限分析，以最终判定目标是否是湍流。是湍流。2dvf54电子信息与自动化学院Airborne Weather Radarv 提高湍流检测方式时发射脉冲的重复频率，达到了提高多普勒频谱测

39、提高湍流检测方式时发射脉冲的重复频率，达到了提高多普勒频谱测量精度的目的，但却限制了湍流检测的有效距离。为了避免产生二次量精度的目的，但却限制了湍流检测的有效距离。为了避免产生二次回波，就必须把湍流检测的有效距离限制在回波，就必须把湍流检测的有效距离限制在5656海里之内海里之内( (实际选用实际选用5050海里海里) )。v 在雷达工作于湍流与降雨方式时，为了解决湍流检测与降雨检测的矛在雷达工作于湍流与降雨方式时，为了解决湍流检测与降雨检测的矛盾，雷达所发射的是盾，雷达所发射的是8个脉冲为一组的复合脉神。利用每组中的个脉冲为一组的复合脉神。利用每组中的1 1个个来来检测普通的检测普通的降雨降

40、雨回波，另外回波，另外7 7个个则用于则用于湍流湍流检测。检测。v 为了区分降雨回波和湍流回波，采用为了区分降雨回波和湍流回波，采用频率参差频率参差方案，降雨的射频频率方案，降雨的射频频率为为9334.8MHz9334.8MHz，另外，另外7 7个湍流检测脉冲使用个湍流检测脉冲使用9333.3MHz9333.3MHz射频。射频。Con5-1 Con5-1 湍流及其检测原理湍流及其检测原理55电子信息与自动化学院Airborne Weather Radarv 当天线指向正前方时，天线当天线指向正前方时，天线波束的照射区域与天线的波波束的照射区域与天线的波束宽度束宽度成正比。v 当天线偏离当天线偏

41、离0 0度方位时，由于度方位时，由于飞机的前进和天线指向角变飞机的前进和天线指向角变化两方面因素，加宽了波束化两方面因素，加宽了波束的宽度。的宽度。v 为修正这一误差，在湍流检为修正这一误差，在湍流检测中根据天线的扫略方位角测中根据天线的扫略方位角和飞机速度采用和飞机速度采用可变湍流门可变湍流门限限。Con5-1 Con5-1 湍流及其检测原理湍流及其检测原理角速度误差与可变门限的产生角速度误差与可变门限的产生56电子信息与自动化学院Airborne Weather Radarv风切变定义：风切变是指气流在一个较小的距离风切变定义：风切变是指气流在一个较小的距离内内突然改变其方向突然改变其方向

42、( (接近接近180180度度) )或速度或速度的大气状态。的大气状态。v风切变可以发生在一个较大区域中的前锋系统，风切变可以发生在一个较大区域中的前锋系统，也可以发生在暴雨区域范围中的较小区域。风切变也可以发生在暴雨区域范围中的较小区域。风切变可以发生在没有云层的高度，这就是所谓的可以发生在没有云层的高度，这就是所谓的晴空湍晴空湍流流。v对民用航空安全危害最大的是距离地面高度较低对民用航空安全危害最大的是距离地面高度较低的下冲气流。下冲气流有两种类型，一种是宏下冲的下冲气流。下冲气流有两种类型，一种是宏下冲气流气流(marcoburst)(marcoburst)，另一种是，另一种是微下冲气流

43、微下冲气流(microburst)(microburst)，以，以2.5n mile(2.5n mile(4km4km) )为界进行区分。为界进行区分。Con5-2 Con5-2 风切变检测原理风切变检测原理57电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarCon5-2 Con5-2 风切变检测原理风切变检测原理58电子信息与自动化学院Airborne Weather Radarv 飞机遭遇微下冲气流时的危险来自于飞机遭遇微下冲气流时的危险来自于水平方向阵风水平方向阵风的快速的快速转换。转换。v 风切变对飞行安全的危害程度，除与所产生的水平方向的风切变对飞行安全的危害程度，除

44、与所产生的水平方向的阵风速度直接有关外，还与风速的垂直分量、飞机的真空阵风速度直接有关外，还与风速的垂直分量、飞机的真空速有关。速有关。v 风切变危害系数风切变危害系数F F可由下式表示，式中可由下式表示，式中WxWx相对于飞机水平相对于飞机水平飞行轨迹的飞行轨迹的风速水平分量风速水平分量；W WH H风速的垂直分量风速的垂直分量；g g重力重力；v v真空速真空速( (飞行器飞行时相对于周围空气运动的速度飞行器飞行时相对于周围空气运动的速度) )。v 危害系数危害系数F F越大，对飞机危害越大，越大，对飞机危害越大，NASANASA定义的门限为定义的门限为0.130.13。 Con5-2 C

45、on5-2 风切变检测原理风切变检测原理59xhxhWWFFFgV电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar风切变检测原理风切变检测原理v 依据风切变区域所依据风切变区域所产生的雷达回波的产生的雷达回波的多普勒频率偏移的多普勒频率偏移的频谱特征而实现前频谱特征而实现前视风切变检测的。视风切变检测的。v 顶风一侧与顺风一顶风一侧与顺风一侧所产生的多普勒侧所产生的多普勒频谱沿时间轴频谱沿时间轴( (即距即距离轴离轴) )的差值，就是的差值，就是风切变区域直径的风切变区域直径的度量。度量。Con5-2 Con5-2 风切变检测原理风切变检测原理60电子信息与自动化学院Airbo

46、rne Weather RadarCon5-2 Con5-2 风切变检测原理风切变检测原理v 由于风切变对飞机的危害主要发生在飞机的由于风切变对飞机的危害主要发生在飞机的起飞和着陆起飞和着陆阶阶段，所以当飞机处于起飞和着陆阶段时，雷达是段，所以当飞机处于起飞和着陆阶段时，雷达是自动进入自动进入风切变检测方式的。风切变检测方式的。v 雷达自动进入风切变检测的条件是雷达自动进入风切变检测的条件是: :无线电高度无线电高度小于小于701.04m(701.04m(2300ft2300ft) )，有的雷达为，有的雷达为731.52m(731.52m(2400ft2400ft) )；飞机是；飞机是在空中或

47、在跑道上；飞机不在机库中；状态鉴定器有效。在空中或在跑道上；飞机不在机库中；状态鉴定器有效。v 如果雷达接通电源后工作于如果雷达接通电源后工作于STBY(STBY(准备准备) )、MAP(MAP(地图地图) )或或TEST(TEST(测试测试) )方式，且所选择的距离小于方式，且所选择的距离小于60n mile60n mile，则在雷，则在雷达检测到风切变状态后，会自动转为达检测到风切变状态后，会自动转为WX+T(WX+T(气象与湍流气象与湍流) )方方式；如果所选择的距离大于式；如果所选择的距离大于60n mile60n mile. . 则自动转为则自动转为WX(WX(气气象象) )方式，显

48、示气象和风切变图像。方式，显示气象和风切变图像。v 在飞机到达或高于在飞机到达或高于731.5 2m(2400ft)731.5 2m(2400ft)时，雷达时，雷达自动退出自动退出风风切变检测方式。切变检测方式。61电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar平面覆盖范围：平面覆盖范围：v各种前视风切变检测雷达各种前视风切变检测雷达的有效检距离均为的有效检距离均为5n mile5n mile。风切变检测的方位覆盖范围风切变检测的方位覆盖范围为为+-+-3030度，度，(RDR-4B (RDR-4B 雷达为雷达为+-25+-25度度) ) 。v在飞机处于起飞滑跑阶段在飞机处于

49、起飞滑跑阶段时，发出相应的咨询、告诫时，发出相应的咨询、告诫或警告信息的横向范围仍为或警告信息的横向范围仍为士士0.25n mile0.25n mile. . 但警告的纵但警告的纵向范围扩展为向范围扩展为3n mile. 3n mile. 与飞与飞机在空中时略有不同。机在空中时略有不同。Con5-2 Con5-2 风切变检测原理风切变检测原理62电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar高度覆盖范围高度覆盖范围：v 前视风切变检测雷达的高度检测范围为前视风切变检测雷达的高度检测范围为15 .24365.76m(15 .24365.76m(50-1200ft50-1200f

50、t) )，并且可自动启动风切变检，并且可自动启动风切变检测功能，以充分保证对危险的低空风切变区域的有效检测。测功能，以充分保证对危险的低空风切变区域的有效检测。Con5-4 Con5-4 风切变检测雷达的工作方式与信号格式风切变检测雷达的工作方式与信号格式63电子信息与自动化学院Airborne Weather RadarCon5-2 Con5-2 风切变检测原理风切变检测原理64电子信息与自动化学院Airborne Weather Radar复合脉冲重复频率体制:v 雷达的脉冲重复频率及其组合体制，是由收发机中的微处雷达的脉冲重复频率及其组合体制，是由收发机中的微处理器控制的。按照所选工作方