[发明专利]一种获取低空风廓线的雷达探测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及雷达探测技术领域，尤其涉及一种获取低空风廓线的雷达探测方法及装置。

背景技术

地球大气按照热力结构在高度上分层分为：对流层、平流层、中间层、热层。大气边界层是对流层中最靠近地面的气层，存在各种尺度的湍流，气象要素的日变化显著。边界层厚度低的时候只有几十米，高的时候可达数公里，典型值为1km至3km。大气边界层又分为近地面层、混合层和顶部逆温层。边界层顶的位置大致在顶部逆温层的中部。

湍流是大气边界层中主要的运动形态，湍流对地表面与大气间的动量输送、热量输送、水汽交换以及物质的输送起着主要作用。流体的流动有两种形式，即层流(片流)和湍流(乱流)。通过湍流交换，白昼地面获得的太阳辐射能以感热和潜热的形式向上输送，加热上面的空气。夜间地面的辐射冷却也同样逐渐影响到它上面的大气。这种热量输送过程是造成气象要素日变化显著的主要原因之一。

近地面层是大气边界层的底层，一般为几十米，随着大气边界层的厚度的增加或减小而相应变化。在近地面层，大气结构主要依赖于垂直方向的湍流输送。该层中，湍流动量通量、湍流热通量和水汽垂直等通量随高度的变化与通量值本身相比很小，可以认为各种通量近似为常值。还有，各个气象要素随高度的变化比边界层的中、上部要显著，大气运动尺度较小，风向随高度几乎无变化。

本发明所述的获取低空风廓线的探测，是指高度上包括了大气边界层中最靠近地面的近地面层的对大气湍流的探测，可以获得最低高度可低至50m至10m的低空风廓线及大气折射率指数结构常数Cn²等数据产品。风廓线是指风廓线图及其数据，风廓线图就是风矢量(风速风向)在高度上的分布随时间的变化图。获取低空风廓线可以为研究和预测低空大气风场的动力结构和变化提供了基础性的数据，在局地天气预报、短时预报、航空气象风切变预警和大气环境污染预警都具有重要应用价值。

在大气风廓线探测技术方面，过去已有的雷达探测方法简介如下：

1.风廓线声雷达探测方法及装置

声雷达是一种声学遥感探测设备，它通过将声音能量辐射到空间并探测空间目标反射回来的声信号。声雷达探测信号的处理与控制方式与雷达相同，由于不是无线电探测设备，所以也称为声达(Sodar)。

风廓线声雷达，以大气边界层湍流为雷达的探测目标，依靠发出声波脉冲进行探测，探测原理与风廓线雷达类似，波束控制易于实现，可以进行5波束的探测，采用脉冲压缩技术。

风廓线声雷达可以实现最小探测高度50m至10m，可以进行获取低空风廓线的探测，但风廓线声雷达的缺点主要是，探测数据获取率相对不高，最小探测高度受环境地杂波和天气条件的影响都较大，特别是还受到场地噪声的影响非常大，实际使用时受到很大限制。

2.激光测风雷达探测方法及装置

激光雷达是一种光学遥感探测设备，它通过将激光能量辐射到空间并探测空间目标反射回来的光信号。传统的雷达是以微波和毫米波段作为载波的雷达。激光雷达以激光作为载波。激光是光波波段的电磁波，波长比微波和毫米波短得多。可以用振幅、频率、相位和偏振来搭载信息。激光雷达也称光达(Lidar)。

激光测风雷达，以大气中的分子或大分子气溶胶(分子团)为雷达探测目标，能够测量大气的三维矢量风场。激光测风雷达用的波长通常为355nm、532nm、1.55um、1.6um和2um，波长选取与探测高度范围有关。高空中大分子气溶胶比较少，测风主要是依靠分子散射，一般选用355nm和532nm波长，采用非相干多普勒测量方式。低空中大分子气溶胶比较多，测风主要是依靠大分子气溶胶散射，一般选用1.55um、1.6um和2um波长，采用相干多普勒测量方式。激光测风雷达探测体制可以采用脉冲体制，也可以采用连续波体制。采用脉冲体制的激光测风雷达，最小探测距离为几十米。采用连续波体制的激光测风雷达，最小探测距离可以达到10m。

激光测风雷达波束方向性好，波束方向可以采用低仰角，可以扫描探测较大的空域，相比于风廓线声雷达和风廓线雷达，最小探测高度受环境地杂波影响小。激光测风雷达缺点是脉冲体制的激光雷达仍然存在近距离盲区，主要是受到脉冲宽度和收发转换开关速度的限制，连续波体制的激光雷达，目前无法同时在一次探测积累的时间内获得多个距离上的探测数据。此外，激光在大气中的衰减受气象条件的影响比较大，如在云雾中的衰减就较大，比较适于观测云底高度，穿透云层的能力不如微波雷达，在晴空气溶胶较少的情况下，探测威力也受到很大影响。

3.风廓线雷达探测方法及装置