1、Airborne Weather Radar(WXR) Con3：Ranging,Azimuth measurement,MTIOutlines for Con31 Ranging(脈沖法)脈沖回波位置測(cè)距2 Azimuth measurement 脈沖最大值所在方位角測(cè)角； 機(jī)載氣象雷達(dá)天線為陣列天線；掃描方式為為機(jī)械式掃描；3 多普勒原理4 Moving Target Indication MTI利用多普勒頻率（回波相位）測(cè)速5 湍流風(fēng)切變檢測(cè) 測(cè)量目標(biāo)的距離是雷達(dá)的基本任務(wù)之一。目標(biāo)距離測(cè)量就是要精確測(cè)定延遲時(shí)間tR。常用方法：脈沖法, 頻率法和相位法。 Con3-1 Ranging脈沖

2、法測(cè)距 關(guān)鍵：測(cè)量發(fā)射的同步脈沖與目標(biāo)回波脈沖間的時(shí)延 Con3-1 Ranging距離分辨力：同一方向上兩個(gè)大小相等點(diǎn)目標(biāo)之間最小可區(qū)分距離。在顯示器上測(cè)距時(shí)，分辨力主要取決于回波的脈沖寬度。Con3-1 Ranging測(cè)距范圍最大無模糊距離距離模糊m為正整數(shù) Con3-1 Ranging 為了確定目標(biāo)的空間位置, 雷達(dá)在大多數(shù)應(yīng)用情況下, 不僅要測(cè)定目標(biāo)的距離, 而且還要測(cè)定目標(biāo)的方向, 即測(cè)定目標(biāo)的角坐標(biāo), 其中包括目標(biāo)的方位角和高低角(俯仰角)。 雷達(dá)測(cè)角的物理基礎(chǔ)是電波在均勻介質(zhì)中傳播的直線性和雷達(dá)天線的方向性。 Con3-2 Azimuth measurement天線方向性 Con

3、3-2 Azimuth measurement天線方向性 天線的方向性可用它的方向性函數(shù)或根據(jù)方向性函數(shù)畫出的方向圖表示。(方位角，俯仰角)Con3-2 Azimuth measurement天線方向性 主瓣(mainlobe)：天線輻射最強(qiáng)方向所在的波瓣。主瓣寬度：主瓣半功率點(diǎn)間的夾角，記為 。副瓣（旁瓣, sidelobe）：主瓣以外的其余波瓣。副瓣電平：主向場強(qiáng)與副瓣中最大場強(qiáng)之比，以dB的形式表示。主瓣副瓣Con3-2 Azimuth measurement測(cè)角方法：相位法測(cè)角：利用多個(gè)天線所接收回波信號(hào)之間的相位差進(jìn)行測(cè)角。振幅法測(cè)角：利用天線收到的回波信號(hào)幅度值進(jìn)行角度測(cè)量，幅值的

4、變化規(guī)律取決天線方向圖以及天線掃描方式。可分為最大信號(hào)法和等信號(hào)法兩大類。Con3-2 Azimuth measurement相位法測(cè)角Con3-2 Azimuth measurement 由于兩天線間距為d，故它們所收到的信號(hào)存在波程差而產(chǎn)生一相位差最大信號(hào)法振幅法測(cè)角回波最大值時(shí)天線波束軸線所處的方向即為目標(biāo)方位角。Con3-2 Azimuth measurement最大信號(hào)法振幅法測(cè)角“量化”測(cè)角誤差Con3-2 Azimuth measurement（單位r/min）優(yōu)點(diǎn)：1）簡單；2）用天線方向圖的最大值方向測(cè)角, 此時(shí)回波最強(qiáng), 故信噪比最大, 對(duì)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)是有利的。 缺點(diǎn)：1）

5、直接測(cè)量時(shí)測(cè)量精度不很高, 約為波束半功率寬度(0.5)的 20%左右。2）不能判別目標(biāo)偏離波束軸線的方向, 故不能用于自動(dòng)測(cè)角。振幅法測(cè)角最大信號(hào)法Con3-2 Azimuth measurement天線波束形狀 扇形波束Con3-2 Azimuth measurement地面雷達(dá)機(jī)載雷達(dá)天線波束形狀 針狀波束（筆形波束）Con3-2 Azimuth measurement分行掃描螺旋掃描鋸齒掃描Different types of radar beamsDifferent types of radar scanning天線波束的掃描方法 Phased Array Antennaselect

6、ronic scanning電掃描又可分為相位掃描法、頻率掃描法、時(shí)間延遲法等。相位掃描法控制移相量改變陣元激勵(lì)相位，改變波束指向。 Con3-2 Azimuth measurementPhased Array AntennasArray BeamformingControls for an N Element Array多普勒效應(yīng)1842年，Christian Doppler在聲學(xué)上發(fā)現(xiàn)，1930年運(yùn)用到電磁波范圍,并隨后在雷達(dá)中獲得廣泛應(yīng)用。Con3-3 多普勒多普勒效應(yīng)的應(yīng)用測(cè)速：利用發(fā)射與接收信號(hào)的頻率差，多普勒測(cè)速儀雜波抑制：地面、海面、 云雨等的回波對(duì)目標(biāo)回波造成嚴(yán)重的干擾，但通常

7、其是固定或者緩慢運(yùn)動(dòng)的。成像：醫(yī)學(xué)成像，彩超Con3-3 多普勒連續(xù)波 發(fā)射信號(hào)多普勒頻率（頻移）接收信號(hào)Con3-3 多普勒連續(xù)波目標(biāo)固定不動(dòng), 距離R為常數(shù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，多普勒頻率Con3-3多普勒窄帶信號(hào)多普勒頻率Con3-3 多普勒當(dāng)目標(biāo)飛向雷達(dá)站時(shí), 多普勒頻率為正值, 接收信號(hào)頻率高于發(fā)射信號(hào)頻率, 而當(dāng)目標(biāo)背離雷達(dá)站飛行時(shí), 多普勒頻率為負(fù)值, 接收信號(hào)頻率低于發(fā)射信號(hào)頻率。 多普勒頻率多普勒頻率Con3-3 多普勒徑向速度引起多普勒頻移的是雷達(dá)和目標(biāo)連線方向的徑向速度。 多普勒頻率Con3-3 多普勒多普勒信息提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多普勒頻率相對(duì)于工作頻率是很小的 。多普勒頻率的提取需要獲

8、得發(fā)射和接收頻率間的頻差 。Con3-3 多普勒連續(xù)波多普勒雷達(dá)相位檢波器：提取接收和發(fā)射信號(hào)的相位差。 多普勒濾波器：取出所需要的多普勒頻率。 Con3-3 多普勒多普勒信息提取固定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)脈沖多普勒雷達(dá)多普勒信息提取“蝴蝶效應(yīng)”Con3-3 多普勒脈沖多普勒雷達(dá)多普勒信息提取Con3-3 多普勒脈沖多普勒雷達(dá)檢波器的輸出信號(hào)輸出等幅脈沖輸出幅度受調(diào)制的脈沖隔直多普勒信息提取Con3-3 多普勒Kd檢波系數(shù)Uk基準(zhǔn)電壓脈沖多普勒雷達(dá)相位檢波器輸出波形多普勒信息提取Con3-3 多普勒盲速和頻閃 盲速：雖然目標(biāo)有一定的速度vr, 但相位檢波器的輸出為一串等幅脈沖, 與固定目標(biāo)的回波相同，此

9、時(shí)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度稱為盲速。頻閃：當(dāng)脈沖工作狀態(tài)時(shí), 相位檢波器輸出端回波脈沖串的包絡(luò)調(diào)制頻率Fd, 與目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的徑向速度vr不再保持正比關(guān)系。此時(shí)如用包絡(luò)調(diào)制頻率測(cè)速時(shí)將產(chǎn)生測(cè)速模糊。原因：脈沖工作狀態(tài)是對(duì)連續(xù)發(fā)射的取樣，取樣后波形和頻譜均發(fā)生變化。 多普勒信息提取Con3-3多普勒多普勒信息提取盲速相鄰周期的相位差盲速時(shí)相位差盲速Con3-3 多普勒fr脈沖重復(fù)頻率Fd包絡(luò)頻率fd多普勒頻率多普勒信息提取頻閃和相位的周期性Con3-3 多普勒fd=nfr時(shí), 無法區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與固定目標(biāo)。 多普勒信息提取盲速和頻閃 “盲速”的原因：頻閃的原因:fd1=nfr-fd2fd1=nfr+fd2兩目標(biāo)

10、回波的頻譜結(jié)構(gòu)相同，無法區(qū)分。頻閃不出現(xiàn)的條件：Con3-3 多普勒41雷達(dá)探測(cè)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)如飛機(jī)，導(dǎo)彈，艦艇，車輛等周圍存在各種背景，包括不動(dòng)的地物和運(yùn)動(dòng)著的云雨，海浪或金屬絲干擾等。動(dòng)目標(biāo)顯示（MovingTargetIndicator:MTI）與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MovingTargetDetection:MTD）就是使用各種濾波器，濾去這些背景產(chǎn)生的雜波而取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和雜波在頻譜結(jié)構(gòu)上有所差別，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)就是利用這種差別，從頻率上將它們區(qū)分，以達(dá)到抑制雜波而顯示目標(biāo)回波的目的。為此，應(yīng)首先弄清楚目標(biāo)和雜波的回波的特性。在頻域上應(yīng)用MTI與MTD技術(shù)可以提高信雜比，改善雜波

11、背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力。Con3-4 MTIMTI濾波器運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的任務(wù)就是根據(jù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和雜波在頻譜上的區(qū)別，在頻域抑制固定雜波而顯示運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波。Con3-4 MTIMTI濾波器雜波頻譜特性“1”密林小山, 風(fēng)速為200海里每小時(shí), a=2.31017;“2”稀少的小樹無風(fēng)日, a=3.91019;“3”海浪回波, 有風(fēng), a=1.411016;“4”云雨, a=2.81015;“5”錫箔片, a=11016 。 Con3-4 MTI由于雜波譜線的展寬, 簡單的一次對(duì)消濾波器將不能很好地濾去雜波, 需要進(jìn)一步改進(jìn)濾波器的特性。 特別是雜波具有多普勒頻移時(shí), 濾波器的凹口還應(yīng)對(duì)準(zhǔn)雜波譜

12、的平均多普勒頻率位置才能收到預(yù)期結(jié)果。 關(guān)鍵：選用什么樣的濾波特性？凹口位置凹口寬度凹口深度Con3-4 MTI典型的地雜波功率譜MTI濾波器一次相消器Con3-4 MTIMTI濾波器遞歸一次相消器Remark：加入反饋支路，凹口變窄，平坦范圍加寬，但暫態(tài)響應(yīng)較長。Con3-4 MTIMTI濾波器二次相消器Remark：通過改變K（ K =+2-2），改善濾波器的頻譜特性。Con3-4 MTIMTI濾波器遞歸二次相消器Remark：反饋支路的加入，使得整個(gè)通帶范圍內(nèi)響應(yīng)較為平坦。Con3-4 MTIMTI濾波器多次相消梳狀濾波器Remark：通過改變前饋和反饋系數(shù)來實(shí)現(xiàn)所需要的濾波特性，即得到

13、合適的凹口寬度并在速度范圍內(nèi)有較平坦的響應(yīng)。Con3-4 MTI湍流的定義：發(fā)生在一定空域中的急速并且多變的運(yùn)動(dòng)氣流。主要特征是在一個(gè)較小空域中的不同位置處，氣流運(yùn)動(dòng)速度向量之間存在很大的差異，且變化急劇。機(jī)載氣象雷達(dá)借助于它所夾帶的雨粒對(duì)雷達(dá)波的反射特性而被檢測(cè)的。由此可知，如果湍流沒有夾帶一定數(shù)量的雨滴，則在被氣象雷達(dá)天線波束照射時(shí)是不能產(chǎn)生足夠電平的回波而被有效檢測(cè)的。(濕性湍流和晴空湍流)機(jī)載氣象雷達(dá)是根據(jù)多普勒原理實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流的檢測(cè)的。當(dāng)雷達(dá)波束照射到湍流區(qū)域時(shí)，湍流和所夾帶的水粒形成雷達(dá)回波。由于湍流急速多變的運(yùn)動(dòng)特性，所形成的是一個(gè)偏離雷達(dá)發(fā)射頻率且頻譜寬度較寬的多普勒頻譜，它與一

14、般降雨區(qū)所產(chǎn)生的反射回波的頻率特性是明顯不同的。Con5-1 湍流及其檢測(cè)原理50多普勒效應(yīng)的定義:當(dāng)波源與觀察點(diǎn)存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察點(diǎn)所接收到的波的頻率不同于波源的頻率。由于雨粒本身的運(yùn)動(dòng)和飛機(jī)與該目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同樣存在著多普勒效應(yīng)。相對(duì)速度大的雨粒所產(chǎn)生的多普勒頻移量較大，相對(duì)速度小的雨粒的多普勒頻移量較小。湍流是根據(jù)湍流區(qū)域中微粒的速度偏差來定義的，它與微粒的絕對(duì)速度無關(guān)。湍流的速度偏差越大，湍流越強(qiáng)。根據(jù)速度偏差的大小，可把湍流分為輕度湍流、中度湍流和嚴(yán)重湍流。Con5-1 湍流及其檢測(cè)原理5112 處雨位采樣的平均速度都是15 m/s。但B區(qū)標(biāo)準(zhǔn)偏差等于14 m/s，A區(qū)標(biāo)準(zhǔn)偏

15、差等于8m/s。Con5-1 湍流及其檢測(cè)原理52Con5-1 湍流及其檢測(cè)原理湍流區(qū)域的整體移動(dòng)速度決定fdm的位置，湍流內(nèi)部的相對(duì)速度決定頻譜寬度。相對(duì)速度偏差越大，多普勒頻譜寬度越寬。53Con5-1 湍流及其檢測(cè)原理多普勒頻移與相對(duì)速度的偏差成正比，其關(guān)系為 式中fd為多普勒頻移(Hz)，v為相對(duì)徑向速度(m/s)，為信號(hào)波長(m)。目前機(jī)載氣象雷達(dá)所定義的湍流門限5m/s,所對(duì)應(yīng)的多普勒頻帶寬度為2x5/0.032=312.5(Hz)。（即-312.5312.5）門限檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析電路對(duì)各取樣偏差進(jìn)行湍流門限比較、平均處理和68%門限分析，以最終判定目標(biāo)是否是湍流。54提高湍流檢測(cè)方

16、式時(shí)發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率，達(dá)到了提高多普勒頻譜測(cè)量精度的目的，但卻限制了湍流檢測(cè)的有效距離。為了避免產(chǎn)生二次回波，就必須把湍流檢測(cè)的有效距離限制在56海里之內(nèi)(實(shí)際選用50海里)。在雷達(dá)工作于湍流與降雨方式時(shí)，為了解決湍流檢測(cè)與降雨檢測(cè)的矛盾，雷達(dá)所發(fā)射的是8個(gè)脈沖為一組的復(fù)合脈神。利用每組中的1個(gè)來檢測(cè)普通的降雨回波，另外7個(gè)則用于湍流檢測(cè)。為了區(qū)分降雨回波和湍流回波，采用頻率參差方案，降雨的射頻頻率為9334.8MHz，另外7個(gè)湍流檢測(cè)脈沖使用9333.3MHz射頻。Con5-1 湍流及其檢測(cè)原理55當(dāng)天線指向正前方時(shí)，天線波束的照射區(qū)域與天線的波束寬度成正比。當(dāng)天線偏離0度方位時(shí)，由于飛機(jī)

17、的前進(jìn)和天線指向角變化兩方面因素，加寬了波束的寬度。為修正這一誤差，在湍流檢測(cè)中根據(jù)天線的掃略方位角和飛機(jī)速度采用可變湍流門限。Con5-1 湍流及其檢測(cè)原理角速度誤差與可變門限的產(chǎn)生56風(fēng)切變定義：風(fēng)切變是指氣流在一個(gè)較小的距離內(nèi)突然改變其方向(接近180度)或速度的大氣狀態(tài)。風(fēng)切變可以發(fā)生在一個(gè)較大區(qū)域中的前鋒系統(tǒng)，也可以發(fā)生在暴雨區(qū)域范圍中的較小區(qū)域。風(fēng)切變可以發(fā)生在沒有云層的高度，這就是所謂的晴空湍流。對(duì)民用航空安全危害最大的是距離地面高度較低的下沖氣流。下沖氣流有兩種類型，一種是宏下沖氣流(marcoburst)，另一種是微下沖氣流(microburst)，以2.5n mile(4k

18、m)為界進(jìn)行區(qū)分。Con5-2 風(fēng)切變檢測(cè)原理57Con5-2 風(fēng)切變檢測(cè)原理58飛機(jī)遭遇微下沖氣流時(shí)的危險(xiǎn)來自于水平方向陣風(fēng)的快速轉(zhuǎn)換。風(fēng)切變對(duì)飛行安全的危害程度，除與所產(chǎn)生的水平方向的陣風(fēng)速度直接有關(guān)外，還與風(fēng)速的垂直分量、飛機(jī)的真空速有關(guān)。風(fēng)切變危害系數(shù)F可由下式表示，式中Wx相對(duì)于飛機(jī)水平飛行軌跡的風(fēng)速水平分量；WH風(fēng)速的垂直分量；g重力；v真空速(飛行器飛行時(shí)相對(duì)于周圍空氣運(yùn)動(dòng)的速度)。危害系數(shù)F越大，對(duì)飛機(jī)危害越大，NASA定義的門限為0.13。 Con5-2 風(fēng)切變檢測(cè)原理59風(fēng)切變檢測(cè)原理依據(jù)風(fēng)切變區(qū)域所產(chǎn)生的雷達(dá)回波的多普勒頻率偏移的頻譜特征而實(shí)現(xiàn)前視風(fēng)切變檢測(cè)的。頂風(fēng)一側(cè)與

19、順風(fēng)一側(cè)所產(chǎn)生的多普勒頻譜沿時(shí)間軸(即距離軸)的差值，就是風(fēng)切變區(qū)域直徑的度量。Con5-2 風(fēng)切變檢測(cè)原理60Con5-2 風(fēng)切變檢測(cè)原理由于風(fēng)切變對(duì)飛機(jī)的危害主要發(fā)生在飛機(jī)的起飛和著陸階段，所以當(dāng)飛機(jī)處于起飛和著陸階段時(shí)，雷達(dá)是自動(dòng)進(jìn)入風(fēng)切變檢測(cè)方式的。雷達(dá)自動(dòng)進(jìn)入風(fēng)切變檢測(cè)的條件是:無線電高度小于701.04m(2300ft)，有的雷達(dá)為731.52m(2400ft)；飛機(jī)是在空中或在跑道上；飛機(jī)不在機(jī)庫中；狀態(tài)鑒定器有效。如果雷達(dá)接通電源后工作于STBY(準(zhǔn)備)、MAP(地圖)或TEST(測(cè)試)方式，且所選擇的距離小于60n mile，則在雷達(dá)檢測(cè)到風(fēng)切變狀態(tài)后，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為WX+T(氣

20、象與湍流)方式；如果所選擇的距離大于60n mile. 則自動(dòng)轉(zhuǎn)為WX(氣象)方式，顯示氣象和風(fēng)切變圖像。在飛機(jī)到達(dá)或高于731.5 2m(2400ft)時(shí)，雷達(dá)自動(dòng)退出風(fēng)切變檢測(cè)方式。61平面覆蓋范圍：各種前視風(fēng)切變檢測(cè)雷達(dá)的有效檢距離均為5n mile。風(fēng)切變檢測(cè)的方位覆蓋范圍為+-30度，(RDR-4B 雷達(dá)為+-25度) 。在飛機(jī)處于起飛滑跑階段時(shí)，發(fā)出相應(yīng)的咨詢、告誡或警告信息的橫向范圍仍為士0.25n mile. 但警告的縱向范圍擴(kuò)展為3n mile. 與飛機(jī)在空中時(shí)略有不同。Con5-2 風(fēng)切變檢測(cè)原理62高度覆蓋范圍：前視風(fēng)切變檢測(cè)雷達(dá)的高度檢測(cè)范圍為15 .24365.76m(50-1200ft)，并且可自動(dòng)啟動(dòng)風(fēng)切變檢測(cè)功能，以充分保證對(duì)危險(xiǎn)的低空風(fēng)切變區(qū)域的有效檢測(cè)。Con5-4 風(fēng)切變檢測(cè)雷達(dá)的工作方式與信號(hào)格式63Con5-2 風(fēng)切變檢測(cè)原理64復(fù)合脈沖重復(fù)頻率體制:雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率及其組合體制，是由收發(fā)機(jī)中