毫米波测云雷达的系统定标和探测能力研究

毫米波测云雷达是中国自主研制的一部双线偏振全相干8.6 mm波长的测云雷达.本文在介绍该雷达系统的参数和技术特点的同时;重点阐述了厂家用外接仪表对该雷达天线系统、发射机系统以及接收机系统等硬件参数进行测试的方法,检验了雷达回波功率动态范围的定标和测量参数的定标结果;并从理论计算,配合试验区域内另外两部10cm波长的天气...     

W波段毫米波云雷达技术的研究进展

毫米波雷达相比于厘米波雷达对非降水云的观测具有更高的灵敏度,因此世界发达国家已经广泛利用毫米波雷达进行云的观测实验。国内的毫米波云雷达受器件及加工工艺的限制仍处于发展阶段,在此背景下本文从地基、机载以及星载3个方面对国内外W波段毫米波云雷达进行总结,根据毫米波雷达的天线、发射电路、接收电路以及信号处理4个方面分析其原理框图及性能参数,最后利用英国Chilbolton观测场的94GHz Galileo雷达对2008年4月4日的非降水云进行回波数据的分析,结果表明Galileo毫米波雷达能够很好地对云以及雾进行探测,其结论为国内W波段毫米波云雷达的设计提供借鉴。     

毫米波云雷达功率谱密度数据的检验和 在弱降水滴谱反演中的应用研究

本文首先利用数值模拟的方法,分析了利用毫米波云雷达功率谱密度反演雨滴谱时,降水粒子米散射效应、空气湍流、空气上升速度等对雨滴谱和液态水含量等参数反演的影响;建立了功率谱密度处理及其直接反演雨滴谱、液态水含量、降水强度和空气上升速度的方法;并利用2012年7月在云南腾冲观测的二次弱降水数据,采用毫米波雷达和Ku波段微降水雷达观测的回波强度、径向速度垂直廓线以及780 m高度上的功率谱密度对比的方法,以及毫米波云雷达观测的780 m高度上功率谱密度、回波强度与地面雨滴谱计算得到的这些量的对比方法,分析了毫米波雷达数据的可靠性;并将780 m高度上毫米波雷达反演的雨滴谱与地面雨滴谱数据进行了对比,分析了毫米波雷达反演的雨滴谱的准确性;分析了毫米波雷达回波强度偏弱的原因,讨论了该高度以下降水对毫米波雷达衰减的影响。结果表明:空气湍流对弱降水微物理参数反演影响不大,而空气上升速度和米散射效应均对反演结果有一定影响;毫米波雷达观测到的径向速度和功率谱密度与微降水雷达比较一致,回波强度的垂直廓线的形状与微降水雷达也比较一致,但毫米波雷达观测的回波强度偏弱;与雨滴谱计算值相比,毫米波雷达观测的低层的回波强度也偏弱,天线上的积水是造成毫米波雷达回波强度变弱的主要原因。毫米波雷达观测的低层的功率谱密度与地面雨滴谱观测的数据形状比较一致,但有一定的位移。毫米波雷达反演的雨滴谱与地面观测的谱型和粒子大小也比较一致。这些结果初步验证了毫米波雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。     

毫米波雷达在台风外围云系研究中的应用

为评估台风条件下毫米波雷达的探测表现,利用上海2018年和2019年4个台风影响期间的毫米波雷达数据,结合雨滴谱仪、静止卫星、S波段天气雷达等资料,探讨了利用毫米波雷达研究台风外围云系的可能性。结果表明：毫米波雷达探测台风外围区域具有良好的性能,对于云降水结构的垂直探测具有一定应用潜力;在降水强度低于5mm·h-1时雷达对于云顶高度的探测较为准确;提出一种融化层亮带判别方法,亮带识别结果与探空观测一致。对比毫米波雷达与S波段天气雷达降水强度反演,结果显示利用毫米波雷达衰减特征能够实现降水强度廓线的反演,但需要对存在显著雨滴碰并增长的降水进行识别并订正,可为毫米波雷达探测台风外围云系提供参考依据。     

星载毫米波测云雷达在研究冰雪天气形成的云物理机制方面的应用潜力

从2008年1月10日起,受强冷空气和暖湿气流共同影响,中国南方大部分地区遭遇1954年以来罕见的冰冻天气,此次天气过程持续时间长、冰冻范围广、受灾程度重.文中简要介绍了毫米波雷达的探测特点及衰减特性;重点利用CloudSat 卫星上搭载的3 mm波长云廓线毫米波雷达(CPR)的探测结果分析了1月28日、2月10日南方冰雪天气形成的云物理机制,并且与C波段测雨雷达探测结果对比;结果表明:(1)毫米波雷达具有高空间分辨率,能够清楚地反映云的垂直和水平结构,且清晰地反映云中0℃层融化带的垂直特征.(2)1月28日湖南冻雨、2月10日贵州冻雨分别是"冰雪-雨-过冷雨"和"过冷云-过冷雨"两种典型的云物理机制,云内0℃层融化带的强度和厚度与近地面温度的高低是能否形成冻雨天气的关键因素.(3)毫米波雷达在冰冻天气研究中有很大的应用潜力;充分将毫米波雷达与天气测雨甫达以及其他遥感手段结合,可以取长补短、相得益彰.发展毫米波探测技术将对研究各种天气形成的微观物理机制、云物理的发展、气候变化的研究及人工影响天气等工作均有重要意义.     

灾害性天气研究进展

1．雷达定量遥感2009年利用多普勒谱方法和实验室的毫米波雷达资料,分析了毫米波测云雷达反演云水／云冰含量方法,并与其它方法进行了对比;研究了双线偏振雷达资料质量控制和降水观测方法,与新一代天气雷达测雨效果进行了对比分析,形成了一套较为成熟的算法,研发了双线偏振雷达资料处理和产品生成软件系统;在新一代天气雷达台风监测方面,     

风廓线雷达回波信号强度定标方法

风廓线雷达返回信号功率定标通常通过返回信号信噪比和系统噪声功率的估算得到。该方法存在着噪声电平的确定、外部噪声等不确定性因素,影响了定标的精度。采用信号源分别对接收机和信号处理器进行定量测试,进而对雷达系统进行定标,是另一种可行的办法,该文利用这种方法对CFL-03风廓线雷达进行了定标,并利用该雷达在东莞2009年7月和8月探测资料与广州S波段天气雷达和地面雨量计资料进行比较。结果表明:用该定标方法得到的回波强度与天气雷达回波强度和地面雨量计资料估算的回波强度基本一致,平均标准差在1 dB左右,表明这种定标方法是可行的。     

球形粒子毫米波k-Z关系研究

由于毫米波更接近云粒子尺度,毫米波雷达越来越多地被用来探测云粒子及尺度较小的降水粒子.但是,在使用毫米波雷达探测时,要考虑云和降水粒子散射和吸收以及大气气体吸收所造成的衰减.结合毫米波测云雷达数据处理的实际需要,研究云中衰减系数k与雷达反射率因子Z的关系.假设粒子为小球形,云、雨滴谱分别服从K-M分布和Γ分布,通过模拟...     

硅基毫米波收发前端集成电路研究进展

随着第五代移动通信技术（5G）逐步向毫米波频段（FR2）部署，以及目前无人驾驶技术对毫米波雷达技术的需求，高性能的毫米波收发前端集成电路成为了目前研究的热点.与此同时，硅基器件工艺的快速发展，极大地提高了晶体管的截止频率，为低成本、高性能的硅基毫米波集成电路设计提供了基础.本文对近年来的毫米波通信和雷达的硅基收发前端集成电路的研究现状和发展趋势进行了综述.     

CINRAD/SA雷达标定技术研究

从雷达数据质量需求出发,在4个方面对CINRAD/SA标定技术进行了研究。1结合雷达回波强度定标原理,分析了目前回波强度定标过程中存在的问题,在此基础上详细制定了回波强度定标测试方法、操作步骤和技术要求,实现了SA雷达回波强度定标方法和操作流程的规范化、标准化,从而消除将人为因素或测试原因引入雷达系统造成定标误差。2对全省雷达波导长度进行实际测量,并修正了各雷达发射支路馈线损耗出厂测试数据;研制了能注入微波信号的专用测试波导,实现台站准确测量出SA雷达收、发支路馈线的实际损耗数值,应用于雷达回波强度定标中。3将太阳作为微波信号源,根据发布的太阳能流密度等数据,结合实际测量接收到的太阳射电功率,来检验全链路雷达接收系统回波强度。4取相邻雷达等距离线(中点)的低仰角同步观测反射率因子数据,开展两部雷达、多部雷达对比观测检验等。从而提高了回波强度定标的客观性和一致性,更好地为组网雷达提供一致性的雷达数据。     

结合风廓线雷达的毫米波衰减特性初步研究

使用中国气象局大气探测综合试验基地35 GHz毫米波云雷达和L波段风廓线雷达2016年5月1日-7月31日在降水条件下的观测数据,根据不同观测模式下两部雷达得到的数据,计算在一定高度区间内不同下落速度的降水粒子反射率因子变化量,初步分析不同下落速度的降水粒子对毫米波衰减的影响。结果表明:在持续时间较长的层状云降水且降水粒子在雷达观测范围内均匀分布条件下,毫米波衰减与降水粒子下落速度呈近似线性关系,且毫米波经过的路径长度越长,衰减越大;毫米波在经过1110~2430 m,1110~3510 m的高度区间时,下落速度处于3.5~7.5 m·s-1之间的降水粒子对毫米波的衰减作用导致毫米波云雷达所测的等效反射率因子分别减小约1~7 dB和2~11 dB。     

基于CloudSat卫星对地基云雷达反射率因子的校准

地基云雷达是云的重要探测手段,但随着运行时间的增加,雷达发射机、接收器等参数的变化,会使观测数据产生漂移偏差,从而对云物理特性的反演产生显著影响,因此云雷达数据的校准是一个重要的基础问题。针对KAZR（Ka Band Zenith Radar,K波段云雷达）云雷达特征,本文在Pavlos等提出的雷达数据校准方法基础上进行改进,优化了对弱云和降水的信号识别,利用CloudSat星载雷达观测的反射率因子,气体衰减校正等数据,对兰州大学半干旱气候环境监测站（Semi Arid Climate and Environment Observatory of Lanzhou University,SACOL）KAZR云雷达2013年8月至2017年5月反射率因子数据进行了校准,建立了KAZR雷达反射率因子46个月的历史资料校准数据库,并对校准周期的变化进行了对比分析。校准数据库的建立对SACOL站云的长期观测研究具有重要意义,同时为不同波段地基雷达的对比增加了可行性。     

基于支持向量机的CloudSat卫星云分类算法

从基于云角色的分类思想出发,利用星载毫米波雷达探测资料提取云的特征参数,建立支持向量机（support vector machine,SVM）模型实现云的分类。通过与BP（back propagation）网络模型的分类结果进行对比,发现两种模型都具有较好的分类能力,但SVM模型的识别准确率更高,计算速度更快。基于CloudSat资料的云分类实例表明,SVM模型的分类结果与CloudSat数据处理中心（Data Processing Center,DPC）发布产品具有很好的一致性。     

Microphysical and radiative properties of mixed-phase altocumulus: A model evaluation of glaciation effects

Using a cloud model with explicit microphysics and radiation, we evaluate the microphysical changes in a supercooled liquid altocumulus cloud with increasing ice content, until glaciation occurs. The properties of the ice and water particle constituents are resolved independently, revealing the relative radiative contributions from the water phase source cloud versus the ice phase virga. Cloud contents are also converted to millimeter-wave radar reflectivities to shed light on the ability of such radars to study these ubiquitous clouds. The results show that the radiative and radar backscattering properties of mixed-phase clouds are dominated by the cloud droplets and ice crystals they contain, respectively.     

基于多源探测资料的一次广州局地强对流垂直结构分析

基于X波段相控阵雷达、S波段双偏振雷达、微波辐射计、风廓线雷达、毫米波云雷达等多源高时空分辨率新型遥感探测资料,对广州后汛期一次局地强对流过程的大气热力、动力及云物理结构变化特征进行了综合分析。结果表明：(1)强对流前8小时前,局地LI、CAPE、SI等对流参数就达到并远远超过了短时强降水的阈值;临近降水大气层结仍向不稳定发展,水汽条件向有利的方向发展;(2)午后局地风形成辐合,上升气流加强,近地层出现弱垂直风切变和低空急流脉动,对强对流的发生发展有一定的指示意义;(3) CINRAD/SA-D雷达CR、DBZM HT、TOPS、VIL等变化与强降水和地面大风的发展有很好的对应关系,同时低层风场观测到阵风锋特征;XPAR-D雷达更高时空分辨率的探测可清晰显示对流发展旺盛阶段的Z_DR弧、K_DP柱、Z_DR柱、V型缺口等特征,为判断雷暴云团的发展程度和预警提供重要信息。     

星载双频云雷达的云微物理参数反演算法研究

使用星载雷达模拟器输出的模拟数据,为星载双频云雷达选择了最佳的频点组合,并开展了双频联合反演云微物理参数的算法研究。结果表明:（1）在位于大气窗口的6组频点组合中,94/220 GHz的组合对滴谱参数的微小变化较为敏感,有利于进行双频的联合反演。综合考虑不同频点的探测能力、衰减以及工业部门的制造水平后,认为94/220 GHz可以作为未来星载双频测云雷达的探测频点。（2）双频反演中最核心的双波长比（DWR）和体积中值直径（D₀）的关系与冰晶粒子密度相关。当密度随着粒子直径变化时,DWR随着D₀单调递增,当粒子密度固定不变时,DWR-D₀曲线可能会出现非单调变化,从而使得固定密度时的反演比变密度时更加复杂。（3）后向迭代的双频反演算法同样适用于94/220 GHz进行云微物理参数的反演,并且对模拟数据的反演精度较高。此外,反演精度受到系统噪声以及定标精度的影响,为了满足反演精度的要求,系统噪声和定标误差应该控制在1 dBz以内。      

毫米波测云雷达二次回波的回扩识别和距离旁瓣研究

毫米波测云雷达是一种重要的云遥感探测手段。为了获得大功率探测能力,本文所用云雷达使用了脉冲压缩技术和双脉冲技术,但也因此会出现二次假回波和距离旁瓣假回波。本文研究了假回波对云雨探测的负面影响,分析了产生二次回波的原理,设计了区域回扩法结合余弦相似度计算的二次回波定量识别算法。个例分析表明算法有较好的识别能力。本文还为定性判断距离旁瓣影响提供了一种简便可行的途径。研究结果可用于改善毫米波雷达的资料质量。     

结合毫米波雷达提取降水条件下风廓线雷达大气垂直速度的研究

风廓线雷达主要是利用大气湍流对电磁波的散射作用,在晴空条件下对大气风场等进行探测。在降水天气下,风廓线雷达能同时接收到大气湍流回波和雨滴的散射回波信号,其探测到的回波功率谱中降水信号谱和大气湍流信号谱叠加在一起,使得大气的运动被雨滴的运动信息所掩盖,给后续的大气风场反演带来误差。而毫米波云雷达在降水天气下仅能探测到云雨粒子的回波而无法探测到大气湍流回波,基于这一差异结合毫米波云雷达资料对风廓线雷达功率谱数据进行订正,剔除其中的降水回波信息,进而获取正确的大气运动垂直速度。通过一次典型弱降水天气过程的雷达资料对该方法进行了可行性验证,并将计算得出的大气垂直速度与传统双峰法提取的大气运动垂直速度及原始风廓线雷达垂直速度进行了对比分析,显示在弱降水天气下该方法能有效消除降水对风廓线雷达垂直速度测量的影响,提高弱降水天气下测速准确率,并且在湍流谱极其微弱的情况下该方法也能准确地获取到大气运动垂直速度信息。但是云雷达回波在降水时会有衰减,虽然是弱降水也会导致在高层距离库上的订正效果变差,故目前只适用于弱降水时低距库处的降水订正。