星载测云雷达定标技术

星载测云雷达是一种定量主动微波遥感仪器,定标是实现星载测云雷达定量化应用的前提和保障,对星载测云雷达进行定标技术研究具有重要的意义。首先,简要介绍了星载测云雷达定标原理及方法,包括内定标及外定标方法;然后,重点阐述了国外星载测云雷达定标技术发展现状,总结了国外星载测云雷达在轨定标方法,并提出了有源外定标技术难点问题,可为我国未来星载测云雷达定标设计提供参考。

全天空测云技术现状及进展

云是一种常见和重要的天气现象,在大气辐射传输中扮演着重要角色。云的形态、分布、数量及其变化标志着大气运动的状况。云的观测对军事活动、国民经济和社会服务等方面具有重要意义。目前在业务上尚未实现云的自动观测,单点测量云高的仪器已经较为成熟,然而云量和云状的自动观测仪器目前还处于研究阶段。文中总结了目前地基全天空测云仪器现状,分析了全天空云图获取、镜头保护、云点识别、云量计算、云高计算和云状识别等几个测云技术问题,最后从相关测量技术和产品应用角度做一定的思考和展望,认为需要从提高仪器性能、加强云高测量技术攻关、建立器测云分类标准等方面推进全天空测云仪器业务化应用。

毫米波测云雷达的特点及其研究现状与展望

云在大气的能量分配、辐射传输,尤其是水循环系统中有不可忽视的作用。云探测对云物理、人工影响天气、气候变化和航空航天等领域有重要意义,是大气科学研究的热点之一。尽管目前已经发展了很多种遥感设备对云进行观测(如激光雷达、卫星、云幂仪等),但这些设备无法得到高时空分辨率的云水平和垂直结构,而毫米波雷达是云三维精细结构探测的重要工具。由于毫米波雷达具有更接近小粒子尺度的短波长,因此更适合用来探测弱云,同时毫米波雷达也存在衰减严重的缺点。介绍了毫米波雷达的特点以及其探测小粒子的优势;对比分析了其与新一代多普勒天气雷达、晴空风廓线雷达的差异,得出:毫米波雷达具有高时空分辨率,能够更精确地反映云的垂直和水平结构,比普通天气雷达更适合监测云的变化。概括了国内外毫米波测云雷达的发展现状以及在云物理研究方面的情况,并展望了国内毫米波雷达未来研究的方向。

机载W波段测云雷达回波强度衰减订正仿真研究

考虑到大气和云对W波段雷达波的衰减,数值仿真4种非降水云的机载W波段雷达(94GHz,3.2 mm)回波强度;基于雷达回波强度Z与云衰减系数k之间的经验关系,进行雷达回波衰减订正。结果表明,在云厚、云滴粒子浓度和含水量参数的一般取值情况下,可以获得比较好(相对误差<15%)的订正效果。随着云体加厚、云中大滴增多和含水量增加,云体对雷达回波的衰减增强,透过率降低,雷达测量值偏离真实值的程度增大,云下部衰减订正难度加大。雷达测量误差会对衰减订正效果造成一定影响。与常规测雨天气雷达回波的雨区衰减订正相比,定性来说是一致的。

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8.6mm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波长的天气业务雷达实际探测的资料进行对比,这从另一个方面对毫米波测云雷达的探测能力进行了研究。得出以下结论:(1)毫米波测云雷达的标定精度基本满足使用要求。(2)该雷达在引入脉冲压缩技术的同时,使用了全相干积累方法,在距离雷达10km处能探测到粒子的最小强度为-40dBz;此外,该雷达还具有多普勒功能和单发双收的偏振功能,可以获得多普勒谱和退偏振因子参量。(3)毫米波测云雷达回波信号强度的定标与SA雷达回波强度的定标基本一致,但是在具体观测不同云和降水时各有千秋,主要表现在:对于非降水云以及弱降水云,毫米波测云雷达的探测能力高于业务雷达,尤其表现在对远距离的弱回波探测;而对于较强的降水天气系统,毫米波测云雷达受衰减影响相对于业务雷达较大。因此,毫米波测云雷达在研究云和降水的整体过程和变化时需要考虑和其他的雷达或者相关设备相互配合,根据需要从不同的角度各自发挥作用。

94GHz云雷达回波及测云能力分析

重点利用英国的94 GHz Galileo测云雷达,结合35 GHz云雷达、地面雨滴谱仪、雨量计和探空资料等,分析了94 GHz雷达的回波特征及测云能力。结果表明:(1)94 GHz云雷达能清楚反映出云及弱降水过程的云系结构变化和云内小尺度变化,可以探测到雾,雾的多普勒速度杂乱;(2)94 GHz云雷达区别于厘米波雷达的较显著的回波特征是层状云降水的0℃层亮带下面雷达反射率因子降低不明显或没有降低及0℃层亮带上面存在0℃层暗带,分别是因为雨滴较大及冰晶较大产生非瑞利散射引起的,暗带区域的宽度一般在600 m以下,暗带区域的许多冰晶聚合物最大尺度可超过3 mm,有些暗带区域的许多冰晶聚合物最大尺度可超过6.8 mm,多普勒速度及谱宽显著增大的地方是融化层顶;(3)与35 GHz测云雷达相比,由于衰减和非瑞利散射,降水时的94 GHz雷达反射率因子远小于35 GHz雷达反射率因子,使探测到的高云云顶高度偏低,但94 GHz云雷达抑制地物杂波的能力更高,在晴空低云探测方面具有优势。这些结果为中国正在研制的94 GHz云雷达回波可靠性分析提供了参考。94 GHz云雷达与其他探测手段结合,可揭示各种天气形成的物理机制,对天气预报、云物理的发展、人工影响天气、气候变化的研究均有重要意义。

毫米波测云雷达融化层自动识别技术

为了充分利用雷达数据中的融化层信息,通过分析融化层在反射率因子和线性退极化比(LDR)参量中的特性,结合国内某型毫米波测云雷达的特点,提出了一种融化层边界自动识别的技术。利用2010年5—10月国内某型毫米波测云雷达在杭州的探测资料及相应的探空资料,对识别结果以及算法中参数的敏感性进行了对比和分析。对比结果表明,该方法能有效识别亮带的存在,得到的融化层上边界平均高度与实测零度层高度的误差小于100 m。参数的敏感性分析表明,融化层在反射率和LDR中的特性存在差异,其厚度在600～1500 m。毫米波测云雷达距离分辨率高、LDR对融化层敏感以及使用反射率和LDR双重约束是识别出的融化层边界误差较小的原因。

气象测云红外成像系统的设计与分析

以云层为目标,进行了目标与背景的红外波段分析,确定了气象测云红外成像系统的工作波段(8～14μm)和红外成像系统的主要技术参数,如视场角、焦距等。基于非制冷红外焦平面列阵(UFPA)探测器件进行了气象测云红外成像系统的光学设计、结构设计与电路设计,对系统光学设计结果进行详细分析。针对该系统设计了红外图像自适应非均匀校正系统和温度调焦机构,使其在-35℃～+50℃均能清晰成像,校正后残余非均匀性<0.2%。对校正前后图像效果进行对比表明,该系统成像效果较好。

毫米波雷达测云个例研究

云参数是影响降水和大气辐射过程的重要因子,但对云参数的遥感探测存在许多困难。利用35 GHz的毫米波雷达进行云探测,并进行云参数反演研究,反演了云水含量、冰水含量和云滴有效直径的垂直廓线,得到了6类云况的垂直分布。结果表明:1)不同类型的云具有不同的云参数分布;2)在低于-15 dBz的非降水云情况下,反演的云水含量及云滴有效直径较可靠;3)雷达探测的线性退偏振比因子,可以用于判别云中的过冷却水和冰晶,有助于更好了解云的宏微观特征。

星载太赫兹雷达测云散射特性及辐射源分析

阐述云对气候变化的重要影响,介绍云测量的常用遥感手段,分析太赫兹波段大气吸收谱线以及云粒子对太赫兹波的散射特性。在此基础上结合太赫兹波自身所具有的特点,通过与传统云探测技术手段进行对比,分析星载太赫兹雷达测云的优势。最后给出星载太赫兹测云雷达的辐射源可行性分析。

8mm毫米波测云雷达系统设计

毫米波测云雷达是一种新兴的天气雷达种类,可以连续观测云内部三维结构及其变化,获得准确的云物理参数,文中介绍了一种自研的8 mm中频相参测云雷达,给出了设计方案和关键技术,并仿真计算了其探测威力。经与其他类型雷达进行对比观测和分析,结果表明该雷达能够满足实际业务中的使用要求。

全天空红外测云系统辐射传感器的替代定标

为了实现全天空红外测云系统辐射传感器业务运行过程中的定标,提出了一种以晴空辐射为标准辐射场的替代定标方法.根据SBDART辐射传输模式计算出的晴空大气向下红外辐射以及辐射传感器对天空观测的输出量化值,利用线性回归方法确定出传感器全场各像元的响应率和偏移量.定标结果分析表明,响应率不确定度为2.03DN unit/(W.m-2.sr-1),偏移量具有明显的正态分布特征,为空间随机噪声.标准黑体检验表明温度反演平均误差不超过±1.5℃,能够满足系统定量化应用的要求.

机载W波段双线偏振测云雷达回波分析

介绍了 W波段测云雷达的意义及国外现状，对国内研制的首部机载 W波段双线偏振测云雷达回波进行了分析：雷达系统可实现多种扫描探测模式，以雷达波束固定向下探测资料为最便于作合理的分析，在侧向探测时，以距云一定距离作平行于云的直线飞行探测较好；实验中探测到非降水的冰晶云或混合相云的强度为-20～5 dBz，线性退极化比与粒子形状及雷达扫描模式有关。这些分析为进一步研制和改进 W波段雷达奠定了基础。

94GHz机载测云雷达总体技术研究

云宏微观参数信息的获取是现代气象探测的重要环节。根据国内外94GHz机载测云雷达现状,结合机载测云的特点,分析了机载测云雷达的技术难点,在云雷达技术体制、观测方式、系统参数的设计以及环境适应性要求方面提出了总体设计思路,并对机内及机外系统标校方法提出了建议。通过对W波段上地面主杂波及副瓣杂波回波功率的计算,确认了机载测云雷达杂波抑制的必要性并系统地提出了杂波抑制的解决方案,为后续的工程实施提供理论支持。

毫米波测云雷达回波的衰减订正研究

毫米波测云雷达探测云目标时,电磁波除了受到云目标衰减之外,还受到大气传输中氧气以及水汽的衰减,电磁波的衰减导致雷达观测到的回波强度小于云目标的实际回波强度,这种误差将影响云内结构的反演。因此,为了使毫米波测云雷达的探测数据正确地反演出云目标的宏观物理特征,必须对进行毫米波测云雷达工作频率下气象目标物的衰减进行订正。主要利用逐库衰减订正算法以及分级逐库衰减订正算法对英国Chilbolton观测场94 GHz毫米波测云雷达的一次降水云观测结果进行了垂直方向的大气衰减订正研究,并比较逐库衰减订正算法以及分级逐库衰减订正算法间的反演差异。同时,利用国际电信联盟ITU-RP.676-10建议书中氧气以及水汽衰减订正公式进行了毫米波测云雷达探测数据的二次订正。分析和对比结果表明,衰减系数的变化对于云目标的宏观物理特征反演有着明显的影响,并且分级逐库衰减订正法的订正效果强于逐库衰减订正法。

基于全天空红外测云系统的云辐射强迫研究方法

利用全天空红外测云系统(WSICMS)获得的全天空红外辐射图像,研究了云量和云的地面辐射强迫的计算方法。将全天空红外辐射图像中的辐射值和天顶角绘制散点图,从各天顶角的最小辐射值中提取晴空辐射,计算云量和云的辐射强迫,分析云的地面辐射强迫和云量的关系。结果表明:所获得的云分布图像与实际天空相吻合,准确性比较高;8～14μm波段云的地面辐射强迫与云量呈非线性关系,与其它资料的研究结果具有很好的一致性,证明了利用全天空红外测云系统进行云辐射强迫研究的可行性和准确性。

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。

测云偏振激光雷达

本文介绍了在我国尚未研制生产的测云偏振激光雷达系统。利用作者在德国研制的雷达开展了野外实验研究。测量结果清楚地表明，偏振激光雷达是鉴别高高度云层的物理相态、云层的空间结构及其它一些重要参数的有力工具。

基于毫米波测云雷达的云粒子相态识别研究

毫米波测云雷达作为一种新型的气象探测装备,在云粒子的探测上具有一定的优势。基于毫米波测云雷达的探测数据和探空仪获取的温度数据,设计云粒子相态识别算法。采用该算法,对2017年1月19日、2月7日、3月20日的毫米波测云雷达探测数据进行了云粒子相态识别和过冷水等数据产品反演。分析结果表明,逆温层与过冷水层高度正相关,过冷水和冰晶交汇区附近会出现湿冰相和混合相,过冷水含量与融化层亮带呈一定的负相关关系,整体相态识别结果与实际相吻合,验证了粒子相态识别算法的有效性。

基于神经网络的毫米波测云雷达云状识别研究

为了开展云状识别研究,增加云状观测的客观性,在毫米波测云雷达原有云状识别方法的基础上,利用2018年8月~2020年6月福建罗源、平和、建瓯三地毫米波测云雷达的12种云特征数据开展进一步的研究,通过BP神经网络算法对层云、层积云、高层云、积云、高积云、高云(卷云)6种云状开展自动分类识别。研究表明,实现的云状自动识别方法,识别准确率约为78.13%,综合评价指标约为79.84%,能够降低云状观测的不确定性,完善不同天气背景下云自动观测产品的准确性。