美国气象部门实际使用气象雷达的历史
第一部分 新一代气象雷达出现之前时期
摘要
文章叙述美国军事和民用气象部门使用风暴监视雷达的历史。全文分两部分，本文是第一部分。有关雷达在气象学方面的研究已有很长历史而且很有成效。然而已有过详细介绍。所以本文和第二部分通过介绍最初两台多普勒气象雷达，重点论述实用雷达气象学自从第二次世界大战中形成以来的发展历史。本文介绍新一代气象雷达出现之前这一时期的历史。本文附录介绍全文涉及到的大多数雷达的主要技术特性，这都是作者曾掌握的。
1.前言
本文和第二部分叙述美国气象部门实际使用风暴监视雷达的历史。这是根据几位曾在不同时期参加或领导过实用气象雷达计划的人员的经验编写的。
使用雷达来进行气象观测是在二次大战时期对雷达技术进行广泛研究结果而发展的。对这些早期发展的历史以及雷达气象学研究方面的历史，希兹费尔特(Hitsfeld 1986)、阿特拉斯(Atlas 1990)、罗格(Rogers)与史密斯(Smith 1996)等人已进行详细论述。比尔格(Bilger)等人(1962)和比尔格(1981)总结了当时称作美国气象局所进行的气象雷达计划的历史和状况。本文对这些资料进行了修改和补充。本文还讨论了由目前气象业务部门所进行的蜒究工作。从这些研究线索已找到实用雷达气象学的实际使用途径或者已经给它带来了很大效益。这里我们主要集中在风暴探测雷达的应用历史，以便于实际应用，例如对强风暴的识别。
由于文章长度所限，除广泛使用着的单多普勒晴空风测量技术外，我们不讨论云层探测雷达，风廓线和大多数其它的应用。气象雷达在商业上的应用不在本文讨论范围内，乔金森(Jorgensen)和吉尔茨(Gerdes 1951年)举了一个很好的例子。
最初，各种雷达系统由于密级问题，限制了它们在军事气象部门的应用。后来由于它们价格太高和结构复杂，又限制了它们在政府部门、军事和民用气象部门中的实际应用。不过后来，由于有了气象雷达系统的远程显示系统，
逐渐使航空公司的气象部门、商业气象部门以及天气预报机构能使用得起它们。到六十年代，重量轻的固态电子电路的迅速发展使得为商业飞机和最终私人飞机制造防风暴雷达成为可能。其中有些系统适用于地面。飞机气象雷达的能力一直在稳定地提高。现在到处都可买到。
到了1969年，在美国中西部地区以及沿东南海岸的几家电视台安装了雷达，主要用于新闻节目中的天气预报。在70年代中，由于陆基气象雷达的能力加强，价格也容易接受，这种趋势得到进一步扩大。从六十年代各期开始到现在，对于不由当地控制的远程雷达气象信息的需求日益增长。为了满足这种需求，所提供的远程信息越来越完善。从简单的，以无线电传真为基础的六十年代的系统发展成为当今使用的以计算机为基础的技术。
从八十年代后期到九十年代，随着单多普勒气象雷达观测技术的成功发展，美国商业部、国防部和运输部联合安装了两套高级先进的地基多普勒气象雷达系统，即现在称为WSR-88D雷达的下一代气象雷达(NEXRAD)和终端多普勒气象雷达。远程单雷达和多雷达的合成数据服务由增值的下一代气象雷达的图像传播系统的卖主提供。现在由于相当先进的陆基气象雷达，有些是多普勒雷达，价格的下降，使得它们在商业气象服务和广播气象设施中得到广泛的应用。有些气象雷达数据，尽管不是实时的，可以从国际互联网的万维网上取得。
用字母来表示电磁频率范围最初是在二次大战期间出于保密的需要而指定的。1984年电力电子工程师协会(TEEE)对这些波段字母名称加以标准化。表1列出和气象学有关的字母(有些已用于本文)。
附录中有张表列出作者了解的大多数所讨论到的雷达的主要技术特性。
2.最初的起源
我们很难断定雷达气象学的最初起源，因为在二次世界大战期间秘密布置在四周的雷达推迟了对于重要数据的报道。这种状态一直到1945年乃至其后才发生变化。在战争爆发时，各方部队关于无线电定位技术在成熟期方面的差距只有两年或三年。英国的工作比其它国家早，这很大程度上取决于罗伯特A华特森-瓦特(Robert A.Watson-Watt)先生的努力。华特森-瓦特是苏格兰的物理学家和气象学家。到了1915年，他成为英国皇家气象学学会的成员。1922年，他发表了一篇关于天电学的论文，并在1929年在西蒙斯(Symons)纪念演讲会上作了题为《天气与无线电》演讲。
表一在电磁频谱中的频率波段(IEEE标准521—1984)
自1915年到1929年，他一直在英国政府中任职，开始，华特森-瓦特研制出了当时尚不完善的无线电定位，定向装置。可以根据它们发射的天电，对雷雨进行定位。到了1935年，他作为国家物理实验所无线电室的主任，着手了通过测量发射机到其目标之间的距离，来解决军事目标的无线电定位的问题。在1935年他开始研究利用电磁波对飞机进行定位。这项工作影响着英国和世界的第一套作战雷达系统，英国雷达系统的设计。该系统在不列颠战役以前就已经就位，可以说，英国皇家空军能在战争时期在英格兰上空击退数量上占优势的纳粹德国空军，这是重要因素之一。
1940年7月初，一个波长为10cm的雷达在英格兰韦姆不莱(Wembly)的通用电气公司研究
实验室投入运行。赖德(J.W.Ryde)博士就在此工作和罗维克(Doviak)和兹尼克(Zrnic 1993)。很可能第一个气象回波就在这台雷达或是英国的另一台类似的雷达上看到的。这可能是在1940年后期，也可能晚一些，到1940年2月。可能就是为解释清楚这些天气回波，因为这些天气回波也许影响对飞机的探测。赖德被要求进行云和雨的衰减和反向散射特性的研究(普罗伯特-琼斯(Probert-Jones 1990年))。赖德后来在公开文献上报导了他在战争时期的研究成果(赖德 1946年)。
从1942年到1944年，麻萨诸塞理工学院的辐射实验室(当时称Rad Lab)也进行着类似研究。主要由本特(Bent 1946rh )。研究证明，用某些类型的雷达以3cm和5cm的波长可以探测150英里距离的天气。
在1943年的上半年，美国陆军航空队气象局的弗莱彻(J.Fletcher)少校曾经在辐射实验室工作。大约在一年后，制定了一个美国使用气象雷达的计划(惠克斯勒(Wexler)和斯温格尔(Swingle 1947年))。最初进行实用性气象学方面的研究工作有地面所用雷达两类(弗莱彻1990年)。一方面的实际使用的雷达本身不是用于天气的，而是用于点以及区域的防御，投弹轰炸，导航，火炮的操作和飞机的控制和报警戒。在另一方面，有些雷达则专门用于或改用于实用性气象支援。如在气象侦察飞机上使用的雷达和气象站的地面雷达。
3.在各气象站雷达的首次运行
1943年9月开始使用已经安装在巴拿马地峡大西洋和太平洋一侧的空中交通管制海湾防御雷达。这些雷根据互不干扰的原则主要用于气象监视(贝斯
特(Best)1973年)。这些雷达都是单站运行。到了1943年，在麻萨诸塞理工学院的辐射室验室(二次世界大战期间美国大多数雷达研究和开发都是在这里进行的)的科学家们对许多影响这些雷达配置点进行了一系列考察。这些考察是为了确定大气层对雷达传播的影响(当今称无线电气象学)、 监定这些雷达在观测和在一定程度上预报大气层的现象(当今称为雷达气象学)中的用途。
在大多数这些单站运行以及第一个气象雷达网络中，都有一个在气象学和雷达方面都经过训练的专家，作为雷达气象官，负责雷达的运行，技术开发和研究工作。在二次世界大战期间，这些气象官员们接受了十五个月的强化培训，其中包括气象学和其它科目(对于达不到有两年的大学数学和物理水平的人，则要在六个月的预备学习之后，再进行九个月的气象学学习。)有100名学员从该计划中毕业后，被送进哈佛大学，再接受四个月关于电子工程和基本雷达理论的强化培训，然后到麻省理工学院接受关于专用雷达系统的三个月培训(阿特拉斯 1990年，弗莱彻 1990年)。有些学员在辐射实验室作特别培训。
很多研究雷达气象学的早期领导人都曾经受过相同的教育和培训。一直到1947年，航空气象局(AWS)(原来叫美国陆军航空气象局)有了一项明确的研究任务：如果在运行过程中，发现需要提高气象学的知识或工程实践状态，或开发新技术，以便将其知识应用于解决用户的气象支援问题，通常现场人员都就地接受教育和培训，要能够在当地加以解决问题。当问题超出他们所能理解的深度和能力时，这些雷达气象官员一般都能认识到并能与大学和实验室如辐射试验室联系，以便得到他们帮助解决问题。通过这种途径，问题可以迅速解决，从而快速满足战争时期的需要。其重要性正是如此。
雷达气象官员们所受的教育和培训使他们有就地跟踪和掌握在雷达气象学方面的研究进展，并取得可靠的成绩。在这样的环境下，区域性的气象雷达计划即使按照当今的标准也是达到了很高的技术水平(如见航空气象局1945年)。在一定程度上，自从二次世界大战开始一直到现在，尽管教育的程度和技术培训已经有了不同改变，但始终要求对气象学和雷达两方面都要进行培训。
4.用于气象监视的第一个雷达网络
用于气象监视的第一个雷达网络是于1944年4月在巴拿马建成的。当时
的气 观测和报道是在两个克里斯托巴尔(Cristobal)海港防御设施上开始的。这两个设施面向大西洋(贝斯特1973年)。在1944年5月，该网络增加了两台大功率对空警戒雷达，一台在太平洋一侧，靠近巴尔博亚(Balboa)的塔博加(Taboga)岛，另一台在大西洋的谢尔曼堡(Fort Sherman)。该网络进行定期的雷达气象观测，并将观测数据用专用雷达发送码进行编码，然后按照电传打字电报发送。这些报告被称作雷达报告(RADREP)和当今采用的观测结果很相近。
巴拿马雷达网络的运行和研究活动是由迈伦G.H.“赫布”利格达(Myron G.H. "Herb" Ligda)中尉领导的。他在1944年2月被任命为第六气象区雷达气象官员。在当时研究的内容有回波“强度”和表面能见度的关系，陆地和水面回波的差别，陆地和大海的边界对风暴移动的影响，对流性风暴的寿命周期，地形对风暴运动和强度的影响，高空的风对于风暴的转向作用和用雷达对闪电的探测。他们完成了早期雷达气侯学的研究，揭示了在巴拿马风暴的起源区域和绘制了风暴活动的方向图。进行这些研究提高了雷达气象信息对天气预报及其用户的实用价值。
第二个气象雷达网络(位于印度)是通过将几个站点的运行统一起来而形成的。该网络使用的雷达主要是完成天气监测功能。在1944年夏天，第一气象侦测飞行中队的B-25飞机被实施改造以便装载AN/APQ-13无线电装置，这实际上是一个X-波段的雷达。该APQ-13是由贝尔电话实验室和辐射实验室联合开发的，由(西方电气)(Western Electric)公司大量制造。西方电气公司是当时贝尔系统的主要制造力量。
尽管APQ-13最初是作为B-17、B-24、B-35和B-29等飞机的投弹和导航系统而设计的，但是不久就被认识到它们可以现成地用作对天气进行探测。所以此后APQ-13常用于风暴的探测。在1944年的秋天，第二气象侦察探测飞机中队被部署到印度靠近加尔各达的基地。该飞机雷达在风暴的探测中工作正常，但很难用这种任务繁重的气象侦察飞机及机组人员去站岗观测快速移动，被称作西北风暴的飑线系统，而对此，人们又希望得到实用性报警。
为了迎接这种挑战，一些APQ-13经改造后用于地面，安装在气象站的塔上。在印度的古斯卡拉(Guskara)成功地进行了一次单站运行试验。在靠近缅甸—印度边境的查布阿(Chabua)(1945年6月)和特兹共(Tezgoah)(1945年7月)增加了雷达，以形成一个包括有阿萨姆盆地的网络(贝斯特1973年)。在进行气象雷达观测后对其进行了记录并进行发送，以便天气预报员能根据来
自多个雷达以及飞行在中国—缅甸—印度战区的“小山脉”区的机组人员的数据进行风暴数据的综合。
早期雷达用于气象探测的单独使用和联网使用，使人们认识到风暴的结构以及组成的很多基本特点，和实用信息的价值(例如梅纳德(Maynard)1945年)。这些战争时期的成就为战后雷达在气象学的应用奠定了基础，并促进了雷达气象学这门新型科学的发展。
5.二次世界大战后气象站雷达的应用
随着第一台真正的气象雷达的开发(见下一节)，1945年决定在能够部署首批气象雷达之前，试验一下大量的APQ-13雷达或者是其另一供选择的AN ／APC-10雷达作为过渡性雷达哪一个效果更好。
在1946年进行的试验中，AQP-13占了上风(米勒(Miller)1947年)。此后APQ-13则作为首次广泛配置的地面雷达进行步署，用于风暴探测。就象通常过渡性的解决方案一样。APQ-13在很多军事基地和营区气象站一直使用到六十年代部署了跟踪气象雷达为止。在实施APQ-13计划的顶峰时期，航空气象局在全世界范围内的军事基地和营区气象站使用了六十多套APQ-13。在1977年10月，最后一套运行着的APQ-13从俄克拉马州西尔堡的营区气象站被拆除。它被运到位于俄亥俄州的赖特帕特森空军基地的空军博物馆。这是想要展示其作为投弹轰炸和导航雷达的最初配置。博物馆内在说明中指出，在雷达家谱中，不仅有APQ-13作为投弹和导航系统的历史，而且有作为一个实用气象雷达更长的历史，尽管当初并不是为了这个用途建造的。
与此同时，气象局，现在叫作国家气象局(NMS)，在1946年从海军得到了25套AN/APS-2F飞机雷达。这些雷达具有S-波段的波长。因此几乎可以完全避免由于雨而造成的衰减(阿特拉斯和班克斯(Banks)1951年)；不过由于受到系统性能的限制，对于小雨和雪的探测能力很弱。这些雷达被改造以便于气象研究，并以每年改造五套的速度投入运行。这些改型是由气象局进行的。改型后的APS-2F雷达被称为WSR-1，WSR-1A5’WSR-35和WSR-45。这些早期的WSR系列的系统基本上都是相同的雷达。它们之间的区别主要在于其指示器和开关。WSR-1有一个平面位置指示器(是回波的水平地图型显示器)和一个A-示波器(显示回波的幅值与测程或时间的关系)，沿着接收机和指示器元件，垂直布置在一个高窄的机柜中。WSR-3和WSR-4指示器是装在一个三控制面板的水平控制台中。这两种雷达都有一个平面位置指示器，一个A-
示波器和一个测程-高度指示器(垂直断面的回波显示器)。WSR-1A由WSR-3的接收机-指示器组件加上WSR-1的A-示波器组成，放在垂直定向的WSR-1的机柜中。WSR-4基本上是由WSR-3再加上一个行波管组件组成，用以提高系统灵敏度。改型包括用一个大的天线来代替原来可以安装在飞机上的小型天线，并增加了一个功率转换器，使其可以用普通电源运行(V·罗克奈(V·Rockney)1997年，私人通信)。
第一台这样的雷达是于1947年3月12日在华盛顿哥伦比亚特区(华盛顿国家机场)投入使用的(国家气象数据中心，1997年，私人通信)。并在1946年6月1日，第二台这种雷达在“陆龙卷通道”的心脏，堪萨斯的威奇塔气象局工作站投入使用。
1949年5月，用威奇塔雷达的报告为一架陷入困境的和被周围的恶劣天气威胁的飞机导航，把它引向一处没有严重雷雨的地区，使其安全降落。1947年8月在内布拉斯加州的诺福克，投入运行仅三个月的WSR-1就在埃尔克霍恩山谷(Elkhorn Valley)电力系统在根据有关电暴正在接近的报警而采取的防损失行动发挥了作用。这些雷达构成了尚未成熟的美国基本气象雷达网络的一部分(见关于该题目的后续章节)。在五十年代，气象局又增加了一定数量的这种雷达，用于风暴的探测(见第7节)。
6.第一套气象雷达的添置、部置和实际应用
AN/CPS-9风暴探测雷达是专门为气象学家设计、研制和部署，作为供气象学家进行气象观测和短程预报工具。为了和当今航空气象机构的原陆军气象局相当，美国陆军通讯兵被要求添置CPS-9。在1943年到1945年，陆军通讯兵工程实验室在新泽西州贝尔马(Belmar)的伊万斯(Eyans)信号实验室建立了特种雷达气象室。该室人员设计能满足陆军航空气象局所提出要求的CPS-9。其中有些要求对该系统的大小以及成本有一定限制；例如，有一个要求是该雷达要能够用C-54飞机运行。他们进行了一些研究来确认从1cm到10cm的波长的探测降雨量方面的可利用性和在这些波长的微波元件是否有。在研究中发现，在所有要求的波长范围内，只有X-波段和S-波段元件(美国航空气象局1955年)。研制其它波长的元件可能会导致雷达的开发推迟两到三年。因此为CPS-9所选择的波长减少到两种。虽然可能使用S-波段的雷达来满足雷达分辨率的技术要求，但如果制造出这个系统，它可能在尺寸、重量和功率上超出限制值。所以CPS-9的波长选择了X-波段的波长，并由此确
定了雷达的其它特性及其成本。
CPS-9的研制模型是由在马萨诸塞州的沃尔瑟姆的瑞恩制造公司生产的。就是该公司后来又生产气象局的WSR-57雷达和运输部／联邦航空管理局的终端多普勒气象雷达。其中一个研制模型被安排在马省理工学院的气象雷达研究项目中。(奥斯汀(Austln)和乔蒂斯(Geotis)1990年)。其它的研制复制品在信号实验室进行工程测试并由空军试验场地进行性能试验。从1950年到1953年，信号实验室还使用CPS-9的研制复制品进行系统实际使用的研究。根据试验的结果对CPS-9的设计进行了改进(威廉斯(Williams)1953年)。
X-波段系统的CPS-9具有1度的波束宽度5-μs的脉冲宽度和对水文气象的良好灵敏度，对于附近的目标，它还有0.5-μs的短脉冲方式，从而达到更高的分辨率，它的接收机是线性的，有一定的动态范围，其距离是按法定英里(mi)测量，而不是按海里(nmi)测量。天线的直径略小于8英尺，不需要天线罩。整个无线电频率(RF)的发射机-接收机成套设备骑在天线的脊梁上。这些特征使得免于使用易出故障的旋转接头，从而减少了波导和天线罩的损耗。图1示出了CPS-9雷达的控制台。
投产型号由瑞恩公司在1953年到1954年制造，并安装美国在全世界的军事基地上。CPS-9还安装在一些实验室内如：空军剑桥研究中心(后来更名为空军剑桥研究实验室)，空军地球物理学实验室和菲利蒲实验室以及所有气象培训机构和大学内。应用CPS-9的最初计划要求在美国内陆的几乎每个军事气象站的雷达和在少数海外的军事基地上的雷达形成密集网络。事实上，生产了56套CPS-9用于所有联合站点(威廉1953年)，空军中实际使用不到50套，在没有接收到CPS-9的设施前继续使用APQ-13。第一套实际用的CPS-9于1954年6月20日安装在阿拉巴马州的马克斯韦尔空军基地。该雷达一直运行了30年，直到1984年7月14日，才被更先进的雷达AN/FPS-77所代替(富勒(Fuller)1990年)。
1966年，CPS-9进行改进，增加一个校准回波强度控制装置。该装置允许将已知量和衰减插入接收机放大链路，直到在A-示波器上视雷达回波幅度与功率基准线相匹配为止。利用这一过程，可以估算出这些雷达反射率因子。这一方法套用了比格勒(Bigler)和布鲁克斯(Brooks)为气象局雷达而开发的一项类似技术(1963年)，其基本概念是兰吉尔(Langille)和岗恩(Gunn)(1984)的。使用校准回波强度控制装置测量的质量受到衰减器步距的粗度，接收机的饱和度和其它问题的限制。1970年，两台航空气象局的CPS-9
进行改进，增加了一个国家气象局视频积分器和处理器(见第8节)。要把视频积分器和处理器加到航空气象局的下一风暴探测雷达AN/FPS-77上就太迟了。到1966年，航空气象局仍然有40套CPS-9在运行。到了1974年，CPS-9的数量减少到11套，现在已经不用CPS-9。
实用研究主要是开发运行使用CPS-9的技术，在1952年到1955年的期间，这些研究结果技术报告被分发到CPS-9的各个站点，在麻省理工学院的波林·奥斯汀(Paulinr Austin)的指导下，完成了CPS-9操作手册的编写。
使用CPS-9结果证明它特别适用于研究天气的降雨量和云层系统的特性和早期短期预报技术的开发。在该系统设计的过程中发现，由于降雨的介入所造成的衰减会严重限制了使用雷达定量测量降雨量。还曾怀疑过，X-波段波长的瑞利散射区之外下的冰雹将导致与瑞利剖面
相比，对这种目标的反向散射剖面的估计不足。在典型的冰雹直径下，X-波段雷达比S-波段系统的低估因子要大得多。说起来也有趣，这些特性后来证明对唐纳森(Donaidson)(1961年)很有用。他研究了雷达反射率因子随高度变化的分布图，在这些分布图中用拐点来表示冰雹和飓风的潜势。
图1 CPS-9的控制台
7.气象局雷达及其报警能力的发展
五十年代不仅带来军事气象雷达能力的发展，而且带来气象局的雷达系统的重要发展。1953年4月9日，在香潘-厄巴纳北部的伊利诺斯中央产生了大型龙卷风。当龙卷风在其北边25英里处经过时，一台伊利诺斯州水利监测雷达正在运行，电子技术员斯塔格斯(D.Staygs)正在对其进行维修和测试。斯塔格斯打开35mm摄像机，用钩型标记记录了从强雷雨中心向南伸延的明显回波。该风暴由斯托特(Stout)和赫夫(Huff)作了报告(1953年)，后来又由赫夫等人进行详细分析(1954年)。在两个月里还观测到另外两次龙卷风风暴与有关的钩型回波，并进行了拍照。一次是在德克萨斯州的韦科，另一次是在马萨诸塞州的伍斯特。这三次事件对于常被提出的问题“能否在雷达的显示器上辨识出龙卷风?”提供了答案。而在当时占有优势的选择都是不能。因为龙卷风本身水平尺寸很小。
这三次严重的气象事件导致德克萨斯龙卷风报警网络的形成。在此网络中，建立了气象局工作站与当地政府官员之间的通信关系。德克萨斯州的主
要城市都筹集资金(部分来自私人机构，部分来自政府部门)，改进和安装APS-2F雷达，它们在气象局工作站命名为WSR-1，WSR-1A，WSR-3或WSR-4。
气象局同意对雷达进行操作和维护，并且当确认发现龙卷风之后向公众报警。他们建立了自愿观察员网络。在某些情况下，观察员可能在雷达未辨识出龙卷风之前就报告，而有时候又是由雷达单独进行识别的(比格勒 1956年)。德克萨斯州农业和机构研究基金会整理这些基金，安排在德克萨斯农业和机械大学电气工程系的实验室里进行雷达的改进，并且保证对气象局工作站架设天线塔和安装电缆、组建网络是在1953年6月24日召开的首次会议开始的(卡汉(Kahan)1953年)。总共花费了近六年的时间网络才达到其全部能力。这个由当地政府、州、联邦部门和一所大学联手进行的工作一共改进和安装了17套雷达。对雷达的改进包括安装一个新的天线支架来支撑6英尺的抛物面反射器，在机柜中安装的平面位置指示器和A-示波器和用于保护天线的用玻璃纤维制作的天线罩，使得天线运行不受刮风下雪的影响。
在德克萨斯农业和机械大学改进的APS-2F，尽管它不是正式属于德克萨斯龙卷风报警网络，但它至少有一次用于报警(比格勒1956年)。1956年4月5日，一次龙卷风曾经给德克萨斯的布赖恩和科勒吉斯达森造成损失。这次龙卷风被德克萨斯农业和机械大学的雷达探测出来。那天中午位于密苏里州堪萨斯市的气象局预报中心曾经发布说，我们现在称之为龙卷风的风暴正向布赖恩的北部地区移动。德克萨斯农业和机械大学的雷达在当地时间14∶00后观察到有V型切口信号特征的强烈的高大钩型回波。当时时间14∶45时，德克萨斯农业和机械大学的气象专家给布赖恩警察局打电话预报龙卷风将在30分钟后着陆。实际损失是在当地时间15∶09时开始的。德克萨斯农业和机械大学的气象专家还向科勒吉斯达森公立学校系统发了警报。该系统决定让孩子们留在学校的教室内，而不让他们按时(当时时间15∶00)回家。这可能是第一次完全根据对雷达数据的判断而发出的报警。它是在报警气象专家和当地社会之间有效合作的典范。现在随着报警传播方法的改进，社会准备措施的提高和雷达能力及其复盖范围的扩大，已经不必再由研究人员直接向居民区发出警报。
1956年以后，对于APS-9雷达进行改进，以便使这些雷达能作为WSR-1、WSR-1A、WSR-3和WSR-4部署。这项任务转交到气象局总局。他们需要将一些原来安装在难以维修地点的天线，重新安置。1975年4月，这项计划的实施达到顶峰时期。共有82套WSR-1、WSR-1A、WSR-3和WSR-4投入运行。其
中的有几台被WSR-57取代了，但是大部分仍然一直服役。直到1976年到1980年相当长的时间内，这些雷达逐渐被WSR-74C所取代。现在已经没有这些雷达在运行了。
8.气象局的第一部气象雷达
在五十年代中期，飓风是气象局在制定规划和财政预算时需要考虑的一个重要因素。卡勒尔(Carol)和埃德纳(Edna)二次飓风在1954年的相隔不到11天里连续袭击着美国大西洋海岸。在1955年，又有另外三次飓风袭击东海岸。不过这次气象局准备的比较充分。在马萨诸塞州楠塔基特岛、北卡罗米纳州哈特勒斯角和波多黎各州的圣胡安都安装了远程大功率(按50年代标准)的SP-1M S-波段雷达。SP-1M雷达过去是海军搜索系统，改进后增加了一个行波管组件以便用于气象学研究。这种雷达被证明是跟踪飓风的重要设备。
连续两年因飓风和严重洪水造成的大面积受灾阻止了国会对气象台局财政预算削减。气象局资深人士迅速行动，很快制定出一个1956财年重大财政预算提案，以改善对飓风和龙卷风的报警工作。同情的国会批准了增加资金。气象局开始一项重大举措以改进其报警工作。这项一揽子预算方案包括了雷达设计、采购、安装以及人员配备所需要的全部资金。最终，成功地制造出气象局最佳典范WSR-57雷达。预算方案原先采购31套雷达，其中一套供电子技术人员培训使用。
为了减少下雨造成的衰减影响，气象局规定WSR-57雷达采用S波段波长。1957年完成设计。气象局指定瑞恩制造公司为WSR-57雷达的主承包商，早先CPS-9雷达也是它生产的。1958年一次订货量达到31套，海军订购了8套雷达，并给这种雷达赋予一军事名称，AN/FPS-41(罗克雷(Rockney)1958年)。在每个气象站配备6个工作人员(5名雷达气象学家和1个电子技术员)。自从WSR-57安装到现有的气象局工作站以后，在大多数情况下总是要分配一至二名电子技术人员在那里工作。所有这些电子技术人员都接受过完整的雷达维修说明的教育，因此他们能通过互相帮助来解决难题，从而确保有人临时不在时，雷达也能每天连续正常地工作。这些雷达气象学家和电子技术人员很快成为一支保证雷达高质量运行的队伍。
WSR-57保留了CPS-9设计上的一些特点，其中包括偏离中心的平面位置指示器和安装在天线支架上的射频成套装置。WSR-57要使用一个比CPS-9大的天线以便获取在S-波段波长的2度波束宽度。天线封闭在玻璃纤维制作的
天线罩里，保护它不受天气影响。使其可以在大风、寒雨雪和冰雹的天气中继续运行。WSR-57比CPS-9的最大发送功率还略大一些，而脉冲的宽度类似。接收机链路包括选择一个线性或对数的响应和类似CPS-9的校准回波强度控制装置的可调节步距衰减器。WSR-57的较宽波束宽度和较长的波长使其对水文气象的灵敏度比CPS-9低一些，但这不认为是个严重的缺陷。改进WSR-57的能力，以便在下雨时探测风暴和远距离处的飓风则被认为是更为重要的设计目标。其主要平面位置指示器有个光学反射标图仪，标图仪将操作人员在平面位置指示器之上的面板上绘制的任何注释毫无视差的反射在平面位置指示器之上。这一特性使操作人员很容易画出构成雷达报告的区域和线条，并测量出确定这些回波特性的相关方位角和测程。反射标图仪还可以用于跟踪随时间变化而形成，移动和散逸的重要的回波、区域、线条和其它特性。这些跟踪可以用以获取在雷达报告的发送中所需要的移动数据，以及对回波运动作出短期预报，用于强风暴报警和骤发性洪水预报。
图2给出了WSR-57雷达的控制台。
图2 WSR-57雷达控制台
在WSR-57成套设备中包括有一个中继平面位置指示显示器，广泛用于雷达显示器的摄影。一台35mm的照相机和一台波拉罗伊德照相机永久地安装在平面位置指示显示器之上。在摄影视景中包括指示器以及文本说明站标志、日期和时间，衰减器控制设定值，测程标记设定值，脉冲宽度，线性或对数接收机选择以及帧数等。天线的仰角由平面位置指示器上的 一条选通线来显示(罗克雷 1958年)。
近四十年来由这些照相机拍摄的数千英尺胶卷，在国家气象数据中心归档。在飞机失事的事故调查中，如果怀疑这是一次与雷雨有关的灾难，则这些胶卷是事故调查的有用材料。这些早期的雷达中所具有的荧光屏摄影能力成就了当今WSR-88D具有多级数字数据的归档系统。
在所有的WSR-57和SP-1M站上都安装了一套应急电源系统，以保证在商用电源出故障时的不间断运行。在沿海的站点还安装了备用的语音无线电通讯。气象局在部署了这些雷达后不久便开始着手对易出故障的元件，如灵敏度时间控制电路制定应急措施。1963年，气象局采取措施对WSR-57的性能标准化。自1964年开始，在那些缺少合适的测量好的地面目标的站用日出和
日落的观察来校准天线仰角位置。到了1982年，这种测太阳的方法也被用于WSR-74CS和WSR-74S，但时间限制在太阳冒出地平线10度之后。
1968年前后在WSR-57上又增加了视频积分器和处理器(施里天(Shreeve)和厄尔德尔(Erdahl)1968年)。1974年，数字式视频积分器和处理器开始用于数字雷达实验站(施里夫1974年)。只要为视频积分器和处理器提供WSR-57对数放大器输出的一次采样，它就能够对由散布的目标返回的连续反向散射率，如气象回波，进行平均或积分。这样能够以可以再生和自动方式得到反向散射率的平均值估算，从而用它以及其它量自动推导出气象目标的雷达反射率因子Z。视频积分器和处理器使得雷达操作人员可以在雷达的显示器上直接显示出Z的高等线。六个视频积分器和处理器间隔，从工程的观点看，是标准测距的平均反向散射率的简单间隔，可以用Z的对数简便增量加以设定。不过视频积分器和处理器还需提供与现行的五类的雷达报告回波强度码的一定的兼容性(这些强度码是用降雨率R定义的)。并要满足某些特殊的水文气象的要求。为了达到这些目标，六个视频积分器和处理器间隔定义方法是将现行的五个类型系统用R进一步细分，然后利用马歇尔(Marshall)和帕尔默(Palmer)(1948)的关系式与各个阈值(一个Z值)联系起来。后来气象学家们十分熟悉这些视频积分器和处理器等级，他们在交谈中开始使用视频积分器和处理器等级，而不再用雷达反射率因子，即使是写科学论文中也是如此。最初购买的数字视频积分器和处理器仅是用于数字雷达设备和雷达数据处理器仅用于数字雷达设备和雷达数据处理器Ⅱ站。1978年，则将数字视频积分器和处理器安装到所有的WSR-57雷达上。
在WSR-57设计的工程细节上留下了不少需要进一步解决的问题，如升降控制是开环控制，在开环控制中，天线根据指令信号动作，但不提供反馈，显示实际的天线位置。这样雷达控制台无法区分指令规定的仰角和实际仰角。WSR-57在升降传动装置中没有控制速度的测速仪反馈。这些缺点很容易影响WSR-57观测雷达回波波顶的精度。WSR-57的支架和天线的设计在许多方面都不妥当，其中包括重心偏离中心，这导致了驱动天线的大齿轮的预加载荷并增加了磨损。此外只有当天线在实际运行时升降传动装置才能得到润滑。最大的问题是天线罩的过热。它降低了位于此处的接收机—发射机—调制器组件的寿命。最初的线性接收机被证明不合适，后来在大多数站不再使用。最初的对数式接收机一直使用许多年。后来出现固态对数接收机，当价格合理时，很快被使用，取代了原先的对数接收机。
在天气好的日子里，WSR-57工作人员有充足的时间来分析数据，进行就地研究(赫格斯特(Hexter)1963年)。在进行类似研究的站点之间，他们互相交换进展报告，对初步成果进行横向交流。因为当时很多研究机构都使用的是X-波段雷达，所以有必要让所有人都知道由WSR-57 S-波段波长所引起在数据分析上的任何差异， 这是十分重要的。
第一台实际运行的WSR-57 1959年6月安装在佛罗里达州迈阿密。首批31台中的其余雷达是在六十年代初期安装的。所有这些雷达都要安装在现成的气象局工作站。网络结构的最初用途是对着陆的龙卷风以及横跨大西洋和格尔夫海岸的龙卷风进行跟踪(14套WSR-57)。雷达之间的间距大约为200海里。在任何时间至少有三台SP-1M在其位置待命。德克萨斯州弗里波特的道(Dow)化公司和德克萨斯州维多利亚的科帕诺(Copano)研究基金会达成了合作协议，互相通报由他们的雷达所观测的气象情况。长期经验证明，不管雨的干扰有多大，雷达在距离达200海里的范围内都能够可靠地观测到已经形成的龙卷风风眼，并且有一次距离曾达到了230海里。
在中西部地区曾安装了11套WSR-57，用于探测当地严重的风暴。两台雷达安装在多山的西部。它们有些位于加里佛尼亚州萨克拉门托，主要用于支援州和联邦政府在缺水的加里佛尼严州水文工作，有些在靠近蒙大拿州米苏拉的六点山脉(Point Sik Mountain)。通过寻找云与地面之间雷击高发区，支援州和联邦政府的灭火工作。三台WSR-57安装到东海岸的内陆，用来跟踪当龙卷风经过陆地消失时所造成的大雨区域。
在1966年和1967年，获得了增加14套WSR-57雷达的经费，用以扩大落基山脉东部的雷达网络。人员配备和早期的站点一样。有些新增加的站点所处的位置上没有气象局的工作站。它们是按最佳间距的概念来建立其网络结构，而不用考虑现有工作站的利用。例如，有个工作站建成在科罗拉多州利蒙的丹佛以东边的60英里处。这个站点保证了在堪萨斯州加登市心及内布拉斯加州格兰德艾兰(Grandisland)所装的WSR-57雷达的联网。此外，利蒙站向东离山脉，避免了丹佛从西南到西北的山脉所造成的严重地面杂波信号和信号断续问题。
为了在东南亚地区使用，空军后来订购了3套FPS-41，这些雷达没有再运回美国(见第13节)。气象局同意操作或负责海军买的8套FPR-41雷达。在该计划的顶峰时期，海军气象局拥有或使用了53套WSR-57／FPS-41雷达。其中2套用于电子技术人员的培训，其它的作为一级站，在基本气象雷达网
络中运行。
这种新型网络结构的一个重要部分就是把平面位置指示器数据和手写的字母数字注释以接近实时方式，通过电话线传送到邻近的工作站。该设备被命名为“雷达到电话的传送系统”，后来又称作“气象局雷达远程控制”(希尔顿(Hilton)和霍格(Hoag)1966)。后来又给其增加了拨号进入的功能，使其可以为广大用户所利用。这些用户包括军事工作站、航空公司和电视台等(比尔格(Bilger)1969年)。正是有这些早期的远距离提供雷达数据的工作，才形成了当今WSR-88D雷达的拨号进入器或对应主用户处理器和下一代气象雷达图像传播系统。
经过多年来的改进，尽管WSR-57仍存在一些不足，它一直是国家气象局王牌雷达，直到九十年代开始部署WSR-88D为止。最后一台WSR-57雷达是于1996年12月2日在南卡罗来纳州查尔斯顿被拆下来而停止使用的。
9.气象局的改进型雷达
六十年代电子工业发生巨大变化。在航天计划的推动下，晶体管的出现实现了元件的小型化。真空管技术转变为晶体管，是一个奇异的变化，从而也改变了早年无线电、电视以及四十年代雷达技术。在气象局内迫切需要更换四十年代以来的老式WSR-1、WSR-1A、WSR-3、WSR-4雷达。从战争时期储备而遗留下来的备件正在逐渐消失，采用已经落后的真空管技术生产元件的厂家不断减少，这是因为公司要采用新技术来改变他们的设计和生产线以保持其产品的竞争力。
《1967年气象雷达和远距离显示的联邦计划》这本书是由联邦气象服务及其支持研究协调办公室编写的。书中认定对三种基本类型气象雷达的长期需要；天气分析气象雷达，本地使用或本地报警雷达和远程显示雷达。同书1969年版本中明确指出，气象局想购买先进的本地报警雷达，以更换过时的WSR-1，WSR-1A，WSR-3，WSR-4。
来自斯珀里坎德(Sperry Kand)公司和瓦特路(Vitro)公司的一小组工程师组成了一个自己的公司、企业电子公司(Enterpriset Electronict Corporation)、设计和制造新一代的C-波段气象雷达。
到了1969年，他们把第一台投产型号交付给在佛罗里达州坦帕的一家电视台。一年后第二套雷达安装在密西西比州杰克逊的一家电视台。在1976年财政年度，国家气象局收到了三个财政年度的资金，用以将82套老式就地
报警雷达更换为由企业电子公司所生产的66套先进的C-波段就地报警雷达。在国家气象局内部，该雷达被称为WSR-74C。后来又追加购买了2套系统。一套用于国家气象局的培训中心，另一套用于国家气象局部总部，使购买总数达到68套。WSR-74C购买时配带一个集成数字视频积分器和处理器。雷达有一个同轴磁控电子管和一个完全封闭的油槽式调制器。它最大限度地采用了七十年代中期的固体电子电路。雷达采用了一个轻型的支架，天线被天线罩保护起来。天线的齿轮为永久性润滑，国家气象局作出安排，协同使用WSR-74CR的一个先驱者，WR100-5雷达。它也是由企业电子公司生产的。后来又增加了5套能力更强的S-波段WSR-74S雷达(见下节)，作为就地报警雷达投入实际使用，使得国家气象局就地报警雷达的总数在1982年达到71套。
1976年，基本气象雷达网络仍有一些州级大小的盲区和数量较多面积较小的盲区。当SR-57的生产线已经关闭，而在WSR-57的老式真空管结构已经不再先进，不能再买了。当时企业电子公司提供了一种在很多方面都与WSR-74C相似的S-波段气象雷达。为了消除网络中尚有的盲区和更换7套1981年到1985年间损坏的WSR-57，国家气象局需要12套天气分析雷达，雷达按照网络标准应该为S-波段系统。国家气象局还需要另外4套具有特殊要求的就地报警雷达，如龙卷风和降雨量探测。这些指定为S-波段雷达(P.赫克斯特(P.Hexter)1997年，私人通信)。为了满足这些需要，国家气象局决定购买16套实用型S-波段雷达(均未用于国家气象局技术中心)，这是在下一代气象雷达之前的最后一次购买。企业电子公司被选为WSR-74S雷达的供应商。WSR-74S购买时带有集成数字视频积分器和处理器。
从操作员角度上看，WSR-74C和WSR-74S十分相近。它们都有一个单独的平面位置指示器，可以配置一台光学反射图标仪和一个受照地图透明图。它们的测距一高度指示器就象其前期产品AN／FPS-77那样，是按地球的曲率进行修正的。测距—高度指示器的大小基本上和平面位置指示器相同，使其很容易操作使用。这些雷达有一个A-型显示器，测距，仰角，方位和时间都用数字表示。有13套WSR-74C现在仍未退役，其中8套为实际使用。而当今国家气象局内已经没有WSR-74C，它们已经被WSR-88D所代替。其中有些雷达为商业化应用。
10.AN/FPS-77风暴探测雷达的采购、部署、应用和过渡性更换
在六十年代初期，空军认识到要用新型气象雷达系统来取代AQP-13(保尔
森(Paolsen)和佩特罗齐(Petiocchi)1966年)。到了1966年，航空气象局决定，不仅要更换APQ-13，而且还要更换老式CPS-13。因为它们越来越难以维修，而且维修费用也越来越高。当时空军气象部门对于气象雷达的需求远远超出了现有数目。因此航空气象局按照一个包括任务和气象的公式来分配雷达。
因为当时需要选择新型雷达的波长，C-波段的元件是一种侯选元件，一度曾经占上风。根据对CPS-9使用的经验表明，对于大多数应用情况，雷达的波长应该大于X-波段。气象局根据WSR-57的使用经验，指出应使用S-波段。由于S-波段的天线和发射系统的元件比X-波段和C-波段同类的元件大得多，尽管它有着雷达能量因降雨量所造成的衰减比较小的优点，但其成本过高，因此选择了一种折衷方案，即新型雷达选用C-波段。这一新型雷达计划的目标之一就是成本要低于CPS-9。
空军从利尔—西格勒电子公司(Lear-Sieglerf Electronic)采购了103套具有C-波段波长的AN/FPS-77(V)风暴探测雷达。这些系统从1964年到1966年以每次增加两台方式采购。第一套投产系统的试验是1964年11月在纽约州格里菲斯空军基地进行的。大规模的生产始于1965年。第一台投入实用的FPS-787是在1966年3月安装的。几乎所有的FPS-77都是在1969年以前安装的。有一套已经毁坏，发现被扔在纽约州长岛长期废弃的萨福克郎(Suffoikcounty)空军基地的一个货台上生锈。在其余102套系统中，1977年前有78套在基地的气象站和靶场运行，另有9套计划用于类似的作战设施，9套在维修车间用作实体模型，6套安装在气象培训和气象设备维修培训机构内。在该计划的顶峰时期，除保留了应急安装外，87套最后安装在作战基地气象站，102套中的其余雷达送往维修机构和技术培训学校。有两套FPS-77雷达现在仍然继续使用。一套在英国米尔登霍尔皇家空军基地，另一套在德国的卡特巴西(Katterbach)。由于雷达需要的数量远远超出了能够提供的数量，航空气象局考虑采用分别称为雷达—电话传输系统和气象局雷达远程控制的雷达遥控方案。这些遥控系统能使气象站得到邻近的雷达设施的带注释的平面位置指示器的拷贝。在该计划中，不仅包括使用国家气象局的WSR-57，作为源雷达，还包括使用航空气象局的CPS-9和FPS-77。与安装一套区域雷达相比，遥控雷达方案的动力来自由远距离提供数据的经济性。但气象局雷达远程控制不能完全满足气象部门为用户提供日益增长的实用气象支援，自身存在着在技术上不合适的缺陷，以及以雷达气象局雷达遥控系统更新方式
连续使用的话，对FPS-77的天线支架能持续多长时间的担心。这些问题最终导致空军终止了它的气象局雷达远程控制计划。方案对各基地气象站开放，以建立自己与国家气象局WSR-57雷达的遥控连接。在雷达—电话传输系统和气象局雷达远程控制系统中的不完善处为诸公司，如卡沃罗斯公司(Kavollros)、尔登电子公司(Alden Electronics)，以及WS1公司等等创造了一个对口市场。这些公司占领了这一市场，以可以接受价格提供服务，使用户能定时看到具有吸引力的彩色遥控雷达显示器(E.达希(E.Dach)1996年私人通信)。雷达数据在电视天气预报中广泛应用，使军事气象服务部门的有关用户也要求得到同类服务。在从部署FPS-77到下一代气象雷达出现这一段时间内，很多军事气象站，国家警卫和后备队的设施以及气象中心都购买了遥控雷达显示器并与国家气象局雷达相连结。远程访问雷达气象数据被结合到下一代气象雷达的结构中，这为下一代气象雷达图像传播系统的增值转卖主提供数据。FPS-77 C-波段的波长可以使用直径为8英尺的天线，达到1.6度的波束宽度。这比WSR-57所需要的天线小得多。它的天线结构低成本，但其松驰联接的机械升降传动接装置在测量雷达回波的高度方面造成相当大的误差。其发射的峰值功率可以与CPS-9相当。FPS-77只有一种脉冲宽度，是其它气象雷达系统的长脉冲和短脉冲的折衷。FPS-77的平面位置指示器使用了一种有用但不十分成功的暗迹存储记录管，它可以在有照明的环境下工作。
FPS-77的控制台示于图3。
图3 FPS-77的控制台
FPS-77的操作和维修很麻烦，原因是雷达在其能力和结构上有缺点，没有操作手册，在安装时最初没有对操作人员培训，缺乏持续的培训和维修测试设备以及方法的不足。尽管是按照设计能够进行定量测量，但是FPS-77在天线的结构，对数放大器，等回波和灵敏度时间控制电路方面都有明显的缺陷。雷达没有配置象视频积分器和处理器那样的信号积分器，因此需要操作人员使用降低增益的技术，人工计算平均反向散射率，以测量气象回波的雷达反射率因子。
在六十年代后期，航空气象局的领导人注意到雷达在实际应用方面尚缺乏足够的准备。最初认为单纯提供FPS-77的操作手册就可以解决问题。到了1973年，航空气象局的联邦气象手册第7册的第C部分，气象雷达手册，作
为操作手册发行了。装有气象雷达的航空气象局单位指定了雷达坐标方位仪，加强了对雷达操作人员的培训及其资格审查。尽管如此，事实证明气象雷达手册仍难以使用。在改进雷达反射率因子测量方法时，认识到了技术上的难度。到这个时候已经很清楚，要解决这些最难的问题需要一个即是电气工程师，同时又是一名雷达气象学家的专家。本文作者之一(PLS)曾自1974年夏天到1975年夏天请了一年的长假，当了一名航空气象局的主要科学家。他和一个技术保证小组(其中包括另两名作者(RCW)和(ACH))一起走访了在技术培训学校，维修机构和实际运行站的大量的FPS-77设施，对这些雷达进行了基本测量。数据分析表明，在对数放大器，灵敏度时间控制和等回波电路上都存在准确性不够的问题。在天线定位系统也发现了一些问题，如采用火炮象限仪和太阳瞄准镜进行角度测量所出现的问题那样。没有任何记录表明对FPS-77的有效天线系统增益已进行过测量。因此在所有能发射的现场，都采用着标准增益喇叭形测量。很多由史密斯(1968年，1974年)介绍过的很多校准技术都被用于FPS-77雷达。这一时期对气象雷达的校准十分重视，其中包括美国气象学会的气象雷达校准小组，由1974年在国家强风暴实验室工作的本文作者之一(KEW)主持。在这个小组中，听取了所有校准专家的观点并用国家强风暴实验室的雷达和一台租用的可移动雷达作了实际试验。经过小组的讨论之后，提出了一项太阳瞄准镜技术。这项技术被用于FPS-77，校准天线，波束定位和显示定位及有效天线系统增益(惠顿(Whiton)等人1976年)。这项技术后来由弗勒希(Frush)(1984)进行改进并将其扩展使用到多参数雷达，如国家大气层研究CP-2多普勒系统中心。又过了一段时期，(莱因哈特(Rinehart)1991年)提供了一种更好的以时间为函数的太阳位置处理方法。
到了1975年夏天，制定了一个按优先级进行排序的操作和维修活动表。表中包括经常考察雷达站，对雷达进行校准。尽管维修气象站设备的维修责任转移给了美国空军通讯司令部，但在1979年，还用可靠的固态放大器更新原来的对数放大器。这项工作更大成果是成立航空气象局校准小组，小组经常考察雷达站并改进FPS-77雷达的气象测量能力。对雷达校准的考察活动一直持续到大多数FPS-77被下一代气象雷达取代为止。下一代气象雷达的技术要求重视校准的自测试和外部测试两方面。当需要时，可以提出请求，由校准考察小组进行这项工作。
随着时间的推移，这项工作不断完善。在执行任务的过程中，人们认识到，雷达简直就是一个晴雨表，是一种定量性仪器。通过它可以测量重要的
大气层诸多变化量。所有雷达起码应该配备一个信号积分器，如视频积分器和处理器或类似产品(多普勒雷达需要有更强的信号处理功能)，以及完整，实用和持续不断的校准技术和方法必须是所研制或购买的雷达的一个组成部分。而最后一点是，这一点也是不一定要学会的经验，即最好的校准思想和最有效的维护是操作人员和维修人员在互相合作的环境下集体取得的。
为了更换剩下的AN/FPS-103(见第14节)，更换某些已经宣布没有后勤保障并要从编制中取消的FPS-77，也为满足在下一代气象雷达的采购减少时，对气象雷达增加一定数量的要求，航空气象局制定了一项运行雷达更新计划。这项运行雷达更新计划于1984年由空军参谋部批准。按计划，购买了企业电子公司一种“填补空白”的雷达，AN/FQP-21。1986年初签订合同。当时采购了24套系统，其中5套至今仍在使用。FQP-21和国家气象局的WSR-74相似，但不完全一样。空军所购买的所有这种系统都有一个直径为12英尺的天线反射器，波束宽度为1.1度。此外都配置了一个集成数字视频积分器和处理器的彩色显示器。系统仅带有商用手册，没有军事类型的技术规范和文件。购买系统不提供培训。第一套FQP-21于1986年2月安装在俄克拉何马州的西尔堡。
11.美国基本气象雷达网络
1946年，气象局建立了美国基本气象雷达网络，尽管当时名称不是这样。最初，网络是由早期的国家气象局系列系统和一些空军雷达，政府雷达和合作型雷达所组成。在五十年代，该网络发展的很慢，一直是一个多种系统的混合体(罗克雷和杰伊(Jay)1953)。当该网络变的有用之时，空军同意为该网络增加CPS-9雷达。在1956年，气象局成立了雷达分析与发展部作为密苏里州的堪萨斯市预报中心的一部分。成立雷达分析与发展部目的有三个，一是要解决在使用这样一个由不同种类的雷达以及报告惯例组成的网络中所出现的问题；二是编制和发送一份雷达回波在整个美国的分布的电传简报；三是最终根据所有雷达所采集的数据编制的雷达图形总结图表。1959年初，开始用WSR-57更换网络中的WSR-1、WSR-1A、WSR-3、WSR-4以及航空气象局工作站。在防空司令部的雷达部建立了一些联合使用的站点，从而填补了网络探测中的盲区(福斯特(Foster)1957年；罗克雷1960年；比格勒1961年)。1966年初，网格中增加了24套联邦航空管理局空中交通管制雷达并投入使用。这些雷达的数据由在4个美国西部航线交通管制中心工作的国家气象局气象学
气象雷达与卫星遥感在农业方面的应用 摘要：随着时代的进步，科技的发展，气象雷达与卫星遥感在不同领域都发挥着巨大的作用。农业遥感对世界许多国家的农业生产、粮食安全、进出口调整、农业政策及计划制度、以及保护国家利益等方面都起到了巨大的作用。 关键字：气象雷达，遥感技术 一、气象雷达 1、气象雷达的工作原理 雷达发射机产生电磁能量，雷达天线将电磁能量集中形成向某一方向传播的波，由雷达天线以电磁波的方式辐射出去，电磁能在大气中以光速（29.98×104km/s）传播。当传播着的电磁波遇到了目标物后便产生散射波，而且这种散射波分布在目标周围的各个方向上。其中有一部分沿着与辐射波相反的路径传播到雷达的接收天线，被接收的这一部分散射能量，称为目标的后向散射，也就是回波信号，对这种回波信号的检测可以确定目标的空间位置。 雷达是用测量回波信号的延迟时间来测量距离的。假设目标离开雷达的斜距用R表示，则发射信号在R距离上往返两次经历的时间用Δt表示，目标的斜距R便可由下式给出（1/2）cΔt，其中c为光速。雷达测量目标的方位角和仰角是依靠天线的定向作用去完成的，它辐射的电磁波能量只集中在一个极狭小的角度内。空间上任一目标的方位角和仰角，都可以用定向天线辐射的电磁波束的最大值（即波束的轴向）来对准目标，同时接收目标的回波信号，这时天线所指的方位角和仰角便是目标的方位角和仰角。雷达天线装在传动系统上，可以固定方位角而在仰角范围内扫描，或固定仰角而在方位角范围内扫描，从而可以得到各个方向和探测距离内目标的信息。
世界上最高的气象探测站 2、气象雷达的组成 典型的气象雷达的主要由发射系统、天线系统、接收系统、信号处理器和显示系统等部分组成。电子线路组成部分见下图 3、气象雷达在农业方面的应用 无论是农业气象监测、农业气象情报、农业气象灾害防御，农业气候区划及资源开发利用、农作物产量预报等方面，我国气象工作者都开展了大量卓有成效的工作，为保障和促进我国农业生产做出了显著贡献。农业气象业务已成为现代气象业务体系中最重要的领域，而我国基层的气象为农服务又是其中最基础、最不可或缺的部分 在实施人工增雨(雪)、人工防雹及森林灭火中,采用雷达进行时实天气跟踪探测,可以有效监测云雨过程的发生和演变规律[1],是不可缺少的重要工具。目前,随着气候变暖,灾害性天气,如冰雹、洪水、干旱和森林火灾等时有发生。在气象应急服务时,快速应对异常天气变化,及时准确地提供 二、卫星遥感
雷达信号处理技术与系统设计 第一章绪论 1.1 论文的背景及其意义 近年来，随着电子器件技术与计算机技术的迅速发展，各种雷达信号处理技术的理论与应用研究成为一大热门领域。 雷达信号的动目标检测(MAD)是利用动目标、地杂波、箔条和气象干扰在频谱上的差别，抑制来自建筑物、山、树、海和雨之类的固定或低速杂波信号。区分运动目标和杂波的基础是它们在运动速度上的差别，运动速度不同会引起回波信号频率产生的多普勒频移不相等，这就可以从频率上区分不同速度目标的回波。固定杂波的中心频率位于零频，很容易设计滤波器将其消除。但对于运动杂波，由于其多普勒频移未知，不能像消除固定杂波那样很容易地设计滤波器，其抑制就变得困难了从本质上来讲，雷达信号的检测问题就是对某一坐标位置上目标信号“有”或“无”的判断问题。最初，这一任务由雷达操作员根据雷达屏幕上的目标回波信号进行人工判断来完成。后来，出现了自动检测技术，一开始为固定或半固定门限检测，这种体制下当干扰和杂波功率水平增加几分贝，虚警概率将急剧增加，以至于显示器画面饱和或数据处理过载，这时即使信噪比很大，也不能作出正确的判断。为克服这些问题进而发展了自适应恒虚警(Constant FalseAlarm Rate，CFAR)检测。CFAR 检测使得雷达在多变的背景信号中能够维持虚警概率的相对稳定，这种虚警概率的稳定性对于大多数的雷达，如搜索警戒雷达、跟踪雷达、火控雷达等。
第二章 雷达信号数字脉冲压缩技术 2.1 引言 雷达脉冲压缩器的设计实际上就是匹配滤波器的设计。根据脉冲压缩系统实 现时的器件不同，通常脉冲压缩的实现方法分为两类，一类是用模拟器件实现的 模拟方式，另一类是数字方式实现的，主要采用数字器件实现。 脉冲压缩处理时必须解决降低距离旁瓣的问题，否则强信号脉冲压缩的旁瓣 会掩盖或干扰附近的弱信号的反射回波。这种情况在实际工作中是不允许的。采 用加权的方法可以降低旁瓣，理论设计旁瓣可以达到小于-40dB 的量级。但用模拟技术实现时实际结果与理论值相差很大，而用数字技术实现时实际输出的距离旁瓣与理论值非常接近。数字脉压以其许多独特的优点正在或已经替代模拟器件进行脉冲压缩处理。 2.2 数字脉压实现方法 用数字技术实现脉冲压缩可采用时域方法或频域方法。至于采用哪种方法。 要根据具体情况而定，一般而言，对于大时宽带宽积信号，用频域脉压较好；对 于小时宽带宽积信号，用时域脉压较好。 2.2.1 时域卷积法实现数字脉压 时域脉冲压缩的过程是通过对接收信号)(t s 与匹配滤波器脉冲响应)(t h 求卷积的方法实现的。根据匹配滤波理论，)()(0*t t s t h -=，即匹配滤波器是输入信号的共轭镜像，并有响应的时移0t 。 用数字方法实现时，输入信号为)(n s ，起匹配滤波器为)(n h ，即匹配滤波器的输出为输入离散信号)(n s 与其匹配滤波器)(n h 的卷积
前言 1) 按遥感方式划分，天气雷达属于主动遥感设备或有源遥感设备。 2) 我国目前已经布网了160多部新一代多普勒天气雷达。按波长划分，已布网的新一代多普勒天气雷达有S波段和C波段两种类型，S波段雷达部署在大江大河流域及沿海地区，C波段雷达部署在东北、西北、西南等内陆地区。 3) 天气雷达起源于军事雷达，最早出现天气雷达是模拟天气雷达。 4) 天气雷达最常用的扫描方式有PPI扫描、RHI扫描和VOL体扫描。 5) S波段天气雷达波长在10cm左右；C波段天气雷达波长在5cm左右；X波段天气雷达波长在3cm左右 第1章散射 1) 散射是雷达探测大气的基础，大气中引起雷达波散射的主要物质有大气介质、云和降水粒子。 2) 粒子在入射电磁波的极化作用下，做强迫的多极震荡而产生次波就是散射波。 3) 什么是瑞利散射及瑞利散射的特点？ 4) 什么是米散射及米散射的特点？ 5) 雷达截面也称作后向散射截面，它的大小反映了粒子的后向散射能力的大小，雷达截面越大，粒子的后向散射能力越强。 6) 什么是雷达反射率 ？ 单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和称为雷达反射率。 7) 相关研究表明，对于小冰球粒子，其雷达截面要比同体积小水球的小很多；对于大冰球粒子，其雷达截面要比同体积大水球的大很多； 8) 晴空回波产生的原因是什么？ 湍流大气（折射指数不均匀）对雷达波的散射作用；大气对雷达波的镜式反射（大气中折射指数的垂直梯度很大）。
9) 雷达反射率因子 与雷达反射率的区别 第2章衰减 1) 造成雷达电磁波衰减的物理原因是散射和吸收。 2) 造成雷达电磁波衰减的主要物质有大气、云和降水。 3) 水汽和氧气对电磁波的衰减作用主要是吸收 4) 云滴对雷达波的衰减随雷达波长得增加而减小。 5) 雨对雷达波的衰减一般与降水强度成近似的正比关系 第三章 雷达气象方程 1) 什么是天线增益G ？ 定向天线最大辐射方向的能流密度与各向均匀辐射天线的能流密度之比，称为天线增益，用符号G 表示。 2) 天线增益的物理意义 由方向性天线把辐射能量集中到某个方向上,使这个方向上的辐射能流密度增加为各向同性天线的 G 倍。 3) 有效照射深度由雷达脉冲宽度决定，其值为脉冲宽度的一半。 4) 有效照射体积除了与有效照射深度有关外，还取决于雷达波束的几何形状。 5) 充塞系数除了与云和降水有关外，还取决于目标物距雷达的距离和雷达波束宽度有关。 6) 解释雷达气象方程 02 220.222231101024(ln 2)2R kdR t r PG h m P Z R m θ?ψπλ--?=?+， 各物理参数的意义。 答题思路：写出各符号分别指代的参数，如Pr ：雷达回波功率，Pt ：雷达发射功率，G 天线增益… 7) 说明雷达气象方程中各物理参数在雷达探测中的作用。 第4章 折射 1) 什么是大气折射？ 光波或电磁波在大气中曲线传播的现象称为大气折射。 2) 折射产生的物理原因是光波或电磁波在不均匀介质中的传播速度不同而引起的。
（个人总结，仅供参考！） 一、判断 1、光机扫描用机械转动光学扫描部件来完成单元或多元列阵探测器目标的二维扫描。（对）(不确定) 2、热红外遥感不能在夜晚进行。（错） 3、辐射纠正是清除辐射量失真的处理过程，大气纠正是清除大气影响的处理过程。（对） 5、专题制图仪TM（Thematic Mapper）是NOAA气象卫星上携带的传感器。（错） 6、可见光波段的波长范围是0.38-0.76cm。(错，应是um) 7、利用人工发射源，获取地物反射波的遥感方式叫做被动遥感。（错） 9、太阳辐射能量主要集中在0.3-3um，最大值为0.47um。（错）(不确定) 10、在军事遥感中，利用可见光波段可以识别绿色植物伪装。（错）(不确定) 11、空间分辨率是指一个影像上能详细区分的最小单元的大小，常用的表现形式有：像元、像解率和视场角。（对） 12、直方图均衡化是一种把原图像的直方图变换为各灰度值频率固定的直方图的变换。（错） 16、微波辐射计是主动传感器，微波高度计是被动传感器。（错） 17、气象卫星遥感数据只能应用于气象领域。（错） 18、黑体辐射的总能量与其绝对温度的4次方成正比，峰值波长则与绝对温度成反比，随着温度的降低，最大辐射波长向长波方向移动。（对） 19、所有的物体都是黑体。(错) 20、所有的几何分辨率与像素分辨率是一致的。（错） 21、冬天的影像有利于土壤分析。（对） 22、所有的微波传感器都是主动式传感器。（错） 二、填空 1、维恩位移定律表明绝对黑体的__波长λ__乘以__绝对温度T__是常数2897.8。当绝对黑体的温度增高时，它的辐射峰值波长向___短波____方向移动。 2、电磁波谱按频率由高到低排列主要由γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等组成。 3、按照传感器的工作频段分类，遥感可以分为紫外遥感、可见光遥感、红外遥感、微波遥感、多波段遥感。 4、绝对黑体辐射通量密度是_发射物质的温度_和__辐射波长或频率_的函数。 5、散射现象的实质是电磁波在传输中遇到大气微粒而产生的一种衍射现象，按散射粒子与波长的关系，可以分为三种散射：_瑞利散射_、_米散射_和_无选择性散射_。 6、SAR的中文名称是__合成孔径雷达__，它属于__主动___(主动/被动)遥感技术。 7、遥感技术系统一般由遥感平台系统、遥感仪器系统、数据接收与处理系统和分析解译系统组成。 8、彩色三要素指的是__明度__、__色调__和___饱和度___，其中色调反映的是物体对电磁辐射、反射的主波长，明度反映的是物体对电磁辐射的总能量。 9、航空航天遥感传感器数据获取技术趋向三多（多平台、多传感器、多角度）和三高（高空间分辨率、高光谱分辨率和高时相分辨率）。 10、遥感数据获取手段迅猛发展，遥感平台有地球同步轨道卫星（35000Km），太阳同步卫星（600-1000Km）、太空飞船（200-300Km）、航天飞机（240-350Km）。 三、简答 2、什么叫发射率？按发射率与波长的关系可将地物分成哪几种类型？ 发射率：地物的辐射出射度（单位面积上发出的辐射总通量）W与同温下的黑体辐射出射度W黑的比值。
雷达气象期末复习整理版 雷达气象 第一章 第一节 1 雷达的含义，雷达气象含义及其用处 Radar ：通过无线电技术对目标物进行探测和定位，确定目标位置和强度的技术。 气象雷达：是用于探测气象要素和各种天气现象的雷达，常称为“千里眼、顺风耳”。 雷达气象：利用气象雷达，进行大气探测和研究雷达波与大气相互作用的学科，是大气物理学、大气探测和天气学共同研究的一个分支。雷达气象学在突发性、灾害性天气的监测、预报和警报中具有极为重要的作用。 2 气象雷达的特点 气象雷达是雷达中的一个重要成员，探测的对象是覆盖整个地球的大气，不受季节、昼夜和天气条件的影响，能全天时、全天候工作，不受能见度，探测条件的影响。采用大功率发射机、高增益天线、高灵敏接收机，可增加雷达威力，探测数百公里外的目标。现代化的雷达机，与计算机技术结合，使其数据处理技术进一步提高，测定目标的精度更高。 3 我国雷达分布情况 根据天气现象： ? 沿海地区：暴雨台风多，S波段（5cm）为主 ? 内陆地区：一般性降水，C波段（10cm）为主 电磁特性：暴雨，S波段穿透能力强，衰减小；一般性降水，S波段反射弱，C波段反射强4 我国天气雷达的应用 强对流天气的监测与预警：灾害性大风、冰雹和暴洪。天气尺度和次天气尺度降水系统的监测。 应用：人工影响天气、降水测量、风的测量、数据同化。 第二节 1 我国新一代雷达的组成部分----雷达的硬件系统 新一代天气雷达系统的三个部分： （1）数据采集子系统（RDA）； 定义：用户所使用雷达数据的采集系统。 功能：产生和发射电磁波，接收目标物对这些电磁波的散射能量，并形成数字化的基数据。
预报员试题/卫星与雷达；总计184道试题，选择题96道，术语题9道，判断题46道，问答33题 极轨卫星：。 轨道位置在空间几乎是固定的，高度800——1000千米，绕地球飞行，获取全球资料。 4 1 地球同步（或静止）卫星。 位于地球赤道上空，高度36000千米左右，与地球自转速度相同，在赤道上空静止不动，因此，也称地球同步轨道卫星。 4 1 太阳耀斑：。 在可见光图像上，水面对太阳光的反射有可能使它具有云或浮尘的表现，这一现象称为太阳耀斑。 4 3 多普勒效应：。指波源相对于观察者运动时，观察者接收到的信号频率和波源发出的频率是不同的，而且发射频率和接收频率之间的差值和波源运动的速度有关。 4 3 下击暴流：-----------------------------------------------------。 能够产生近地面破坏性的水平辐散出流的风暴下部强下沉气流。 4 1 云线：-----------------------------------------------------。 带状云系的宽度小于一个纬距叫云线。 4
阵风锋：-----------------------------------------------------。雷暴产生的冷空气外流边界的前沿。 4 3 雹暴云团、-----------------------------------------------------。以冰雹、大风天气为主的云团。 4 3 在云图中，“IR”“VIS”和“WV”分别代表： A.可见光图、红外图、水汽图 B.红外图、水汽图、可见光图 C.红外图、可见光图、水汽图 D.水汽图、可见光图、红外图 C 1 1 红外云图的波长区间____。 A. 5.7至7.1um B. 10.5至12.5um C. 0.4至1.1um B 1 1 可见光云图的波长区间____。 A. 5.7至7.1um B. 10.5至12.5um C. 0.4至1.1um C 1 1 水汽云图的波长区间____。 A. 5.7至7.1um B. 10.5至12.5um C. 0.4至1.1um A 1
气象雷达之演讲稿 老师好，同学们好，我们小组的课题是气象雷达的现状。下面我们将从四个方面阐述我们小组对气象雷达现状的认识。 在这之前要说一说气象雷达的概况。气象雷达是专门用于大气探测的雷达，属于主动式微波大气遥感设备，气象雷达主要用来探测气象状况以及变化趋势，如风、雨、云等，是用于警戒和预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）的主要探测工具之一。 下面进入第一个模块，气象雷达的分类及作用。 测云雷达是用来探测未形成降水的云层高度、厚度以及云内物理特性的雷达。其常用的波长为1.25厘米或0.86厘米。主要用来探测云顶、云底的高度。如空中出现多层云时，还能测出各层的高度。 毫米波测云雷达就是其中的一种，它通常用于识别云的相态，主要用于机场、港口、气象、大气物理研究等部门进行的非降水云和弱降水云探测，可以提供云底高度、云顶高度及云厚等信息，判别云的属性、晕的相态及云滴谱分布等。 然而测云雷达只能探测云比较少的高层云和中层云。对于含水量较大的低层云,如积雨云、冰雹等,测云雷达的波束难以穿透，因而只能用测雨雷达探测。 测雨雷达又称天气雷达，是利用雨滴、云状滴、冰晶、雪花等对电磁波的散射作用来探测大气中的降水或云中大滴的浓度、分布、移动和演变，了解天气系统的结构和特征。测雨雷达能探测台风、局部地区强风暴、冰雹、暴雨和强对流云体等，并能监视天气的变化。据不完全的资料分析．世界上的测雨雷达发展至今，已有上千部之多。而其中以美国英国、日本、法国的发展最为迅速，不仅装备本国，而且出口到世界上的许多国家。 多普勒天气雷达是现如今应用最广泛的测雨雷达。多普勒天气雷达是以多普勒效应为原理测量云和降水粒子等相对于雷达的径向运动速度（叫作多普勒速度）的雷达。它为大气探测；水平风场的结构；垂直气流的结构；某些降水云中粒子直径的分布；特别是比较准确地辨认与龙卷、冰雹、地面危险风等现象相一致的“中气旋”的存在,研究湍流的基本特性和大范围的平均流初提供了前所未有的机会。 多普勒天气雷达包括脉冲多普勒天气雷达和双线偏振多普勒天气雷达。 为了识别降水目标、区分不同的降水类型,人们采用多参数雷达进行天气研究,其中双偏振雷达是人们常采用的技术之一, 它是根据不同的降水粒子对入射电磁波极化散射特性不同对降水类型进行识别和分类的。双线偏振天气雷达对云雨时空变化的连续观测,可明显提高对水成物形成的微物理过程的理解,提高降水强度的估测精度, 改善雷达测量单点和流域的降水强度和降水总量的效果。脉冲多普勒天气雷达是大气探测和天气预报的有力工具，它不仅能够探测云高、云厚、云底高、云内含水量、云中流场径向分量及风暴中的气流和湍流的活动区，而且对300KM的中尺度风暴、强的风切变、冰雹、龙卷、大风等灾害性天气具有实时监测和报警能力。可以广泛应用于机场、部队、油田、林场、盐场、农场、海洋等专业气象台及地区、县、市气象台站并能够在灾害天气预报、气象导航、防灾减灾，农业增产以及辅助军事作业等方面发挥重要作用。 脉冲雷达原理：以一特定频率发射高频能量脉冲时，在同一距离门内接收的不同径向速度目标回波有不同的多普勒频移
A320系列飞机气象雷达系统介绍及机组操作建议 概述：机载气象雷达系统（WXR）用于在飞行中实时地探测飞机前方航路上的危险气象区域，以选择安全的航路，保障飞行的舒适和安全。机载气象雷达系统可以探测飞机前方的降水、湍流情况，也可以探测飞机前下方的地形情况。在显示器上用不同的颜色来表示降水的密度和地形情况。新型的气象雷达系统还具有预测风切变（PWS）功能，可以探测飞机前方风切变情况，使飞机在起飞、着陆阶段更安全。本文主要针对我公司A320系列飞机机载气象雷达系统的组成、工作原理、显示特点及我公司A320系列飞机气象雷达的种类和机组操作建议进行了介绍。 一、机载气象雷达系统的组成 机载气象雷达系统的基本组成由：雷达收发机、雷达天线、显示器、控制面板和波导系统等，如图1-1所示：
雷达收发机：用来产生发射射频脉冲信号和接收并处理射频回波信号，提供气象、湍流和地形等显示数据，探测风切变事件并向机组发送警告和告诫信息。 雷达天线：用来产生高3.6°、宽3.4°的波束并接收回波信号。天线的稳定性受惯性基准组件（IRU）的俯仰和横滚数据控制。 显示器：对于A319/A320/A321飞机来说，气象雷达数据都显示在ND上。 控制面板：用于选择气象雷达的工作方式，控制天线的俯仰角度和稳定性，对接收机灵敏度进行控制。 波导系统：波导管作为收发机和天线之间射频信号桥梁通道。 二、气象雷达对目标的探测 机载气象雷达主要用来探测飞机前方航路上的气象目标和其他目标的存在以及分布状况，并
将所探测目标的轮廓、雷雨区的强度、方位和距离等显示在显示器上。它是利用电磁波经天线辐射后遇到障碍物被反射回来的原理，目标的导电系数越高，反射面越大，则回波越强。要清楚气象雷达如何工作的关键在于了解雷雨的反射率。一般来说，雷雨的反射率被划分成三个部分：雷雨的下三分之一由于温度在冰点之上，所以全部由小雨滴组成，这部分是雷雨中对雷达波能量反射最强的部分。中间部分由过度冷却的水和冰晶组成，由于冰晶是不良的雷达波反射体，所以这部分的反射率开始减小了。雷雨的上部完全由冰晶组成，所以在雷达上几乎不可见。另外，正在形成的雷雨在其上部可能会形成拱形的紊流波，如图2-1所示：
中国气象局第7号令《气象探测环境和设施 保护办法》 第一条为了保护气象探测环境和设施，保证气象探测工作的顺利进行，确保获取的气象探测信息具有代表性、准确性、比较性，提高气候变化的监测能力、气象预报准确率和气象服务水平，为国民经济和人民生活提供可靠保障，根据《中华人民共和国气象法》，制定本办法。 第二条本办法适用于中华人民共和国领域和中华人民共和国管辖的其他海域内气象探测环境和设施的保护。 第三条本办法所称气象探测环境，是指为避开各种干扰保证气象探测设施准确获得气象探测信息所必需的最小距离构成的环境空间。 本办法所称气象探测设施，是指用于各类气象探测的场地、仪器、设备及其附属设施。 第四条国务院气象主管机构负责管理全国气象探测环境和设施的保护工作。 地方各级气象主管机构在上级气象主管机构和同级人民政府的领导下，负责管理本行政区域内气象探测环境和设施的保护工作。 设有气象台站的国务院其他有关部门和省、自治区、直辖市人民政府其他有关部门按照职责，做好本部门气象台站的探测环境和设施的保护
工作，并接受同级气象主管机构的指导、监督和行业管理。 其他有关部门按照职责，配合气象主管机构做好气象探测环境和设施的保护工作。 第五条国家依法保护气象探测环境和设施。 任何组织和个人都有保护气象探测环境和设施的义务，有权检举侵占、损毁和擅自移动气象探测设施和破坏气象探测环境的行为。 第六条各级人民政府及有关部门应当加强对气象探测环境和设施保护的宣传教育，树立全民保护气象探测环境和设施的意识。 对在保护气象探测环境和设施工作中作出贡献的单位和个人，给予奖励。 第七条本办法保护以下气象探测环境和设施： (一)国家基准气候站、国家基本气象站、国家一般气象站、自动气象站、太阳辐射观测站、酸雨监测站、生态气象监测站（含农业气象站）的探测环境和设施； (二)高空气象探测站（包括风廓线仪、声雷达、激光雷达等）的探测环境和设施； (三)天气雷达站的探测环境和设施； (四)气象卫星地面接收站（含静止气象卫星地面接收站、极轨气象卫星地面接收站）、卫星测控站、卫星测距站的探测环境和设施； (五)大气本底台站、沙尘暴监测站、污染气象监测站等环境气象监测
预报员试题/卫星与雷达； 极轨卫星：。轨道位置在空间几乎是固定的，高度800——1000千米，绕地球飞行，获取全球资料。 地球同步（或静止）卫星。位于地球赤道上空，高度36000千米左右，与地球自转速度相同，在赤道上空静止不动，因此，也称地球同步轨道卫星。 太阳耀斑：。 在可见光图像上，水面对太阳光的反射有可能使它具有云或浮尘的表现，这一现象称为太阳耀斑。 多普勒效应： 指波源相对于观察者运动时，观察者接收到的信号频率和波源发出的频率是不同的，而且发射频率和接收频率之间的差值和波源运动的速度有关。 下击暴流：能够产生近地面破坏性的水平辐散出流的风暴下部强下沉气流。 云线：带状云系的宽度小于一个纬距叫云线。 阵风锋：雷暴产生的冷空气外流边界的前沿。 雹暴云团以冰雹、大风天气为主的云团。 在云图中，“IR”“VIS”和“WV”分别代表：
C.红外图、可见光图、水汽图 红外云图的波长区间____。 B. 10.5至12.5um 可见光云图的波长区间____。 C. 0.4至1.1um 水汽云图的波长区间____。 A. 5.7至7.1um 红外云图的色调取决于物体________________。 B.表面温度的高低 白天在可见光图像上何处的云趋于更亮些： A.当面向太阳时； 可见光云图的色调取决于物体________________。 A．对太阳光的反照率的大小 水汽图的色调取决于物体________________。 C.水汽含量 一般来说，在( )上，云顶高度越高，则温度越低，云的色调越白。 A. 红外图 进行云识别时最主要因子包括： B.云识别时使用的图像种类； 暗影和高亮度在下面那种情况可观测到？ B.可见光图像上
机载气象雷达的原理及常见故障分析 【摘要】雷达的种类繁多，用途各异。机载气象雷达的基本功用是探测航路上的雷暴雨、冰雹、湍流、风切变等恶劣气象区域。机载气象雷 达(WXR)的安全性直接影响整机系统和飞行的安全。机载气象雷达是机载导航系统的重要组成部分，是民航客机上的一种重要导航设备。气象 雷达出现故障极易造成飞机滑回、返航甚至坠毁等事故，因此必须加强对WXR 的维护。本论文通过对机载气象雷达（WXR-700）基本工作原理 的系统性总结，来全面地理解机载气象雷达相关知识，并对常见故障进行了总结、分析。【关键词】机载气象雷达；WXR-700；故障分析 【Abstract】There are many kinds of Radar,their uses are not the same.The basic function of airborne weather radar is to detect the route of thunderstorms, hail, wind shear, turbulence and other bad weather area.The safety of Airborne Weather Radar (WXR) directly affects the whole aircraft system and flight safety.Airborne Weather Radar is an important part of the airborne navigation system is an important navigation equipment of civil airplane. If there is something wrong with Weather Radar,it may easily cause aircraft sliding back,return airport even crashes and other accident,so we must enhance the maintenance of WXR. This article summarizes the working principle of WXR (WXR -700) briefly to understand the related knowledge of WXR,and analysis,summarizes the common faults. 【Key words】Airborne Weather Radar; WXR-700; Fault analysis
第2章气象卫星与多普勒天气雷达 1 气象卫星资料接收 1．1 乌鲁木齐气象卫星地面站 乌鲁木齐气象卫星地面站（以下简称卫星地面站），是中国气象局国家卫星气象中心下属的三个国家级地面接收站之一。是集实时业务、气象卫星工程建设、科研开发于一体的科 图3.2.1 乌鲁木齐气象卫星地面接受站 技单位。主要任务是：承担中国风云系列和国外气象卫星资料的接收、处理和传输任务，开发利用卫星遥感资源为地方经济建设服务。 从1988年到2002年执行《风云一号》A、B、C、D四颗卫星发射后的资料接收任务。1994年建成《风云二号》乌鲁木齐测距副站，执行测距业务。2000年完成黑山头站区工程建设，2001年投入业务运行。
气象卫星资料不仅用于气象监测，还广泛地用于对资源、环境、灾害的监测，为有关部门提供信息，与国外进行卫星资料的交换，社会效益和经济效益明显。 1．2 新疆遥感中心气象卫星遥感部 2001年，“新疆遥感中心气象卫星遥感部”设立在乌鲁木齐气象卫星地面站，受新疆维吾尔自治区气象局领导，同时在新疆遥感中心的统一部署、协调下，承担新疆气象、环境、防灾减灾及相关领域遥感理论、遥感技术、遥感应用和产业化服务等方面的综合性研究项目。 1．3 极轨业务系统 极轨业务系统主要承担中国FY1系列和美国NOAA系列极轨气象卫星的接收任务，24小时实时接收极轨气象卫星过境下发的实时资料和延时资料，并传输至国家卫星气象中心及用户。 ⑴通过每日卫星下发的精轨根数计算出当日卫星过顶时间，并与中心下发时间表核对确定当日接收的轨道； ⑵运行控制服务器将本日需接受轨道的参数按一定的接收策略分别传递各接收机的运行控制微机； ⑶在每一条轨道接收时间到来前，运行控制微机按照轨道参数计算出天线运行轨迹并自动接收卫星下传的信号； ⑷接受到的云图信息由文件服务器择优拼接并自动经光纤以FTP方式传输到卫星中心； ⑸将云图信息通过网络，迅速传到新疆维吾尔自治区气象局遥感中心； ⑹通过小规模地球站（VSAT）向全国小站以广播方式及时发送最新的云图资料。（2004年已不运行，将来采用DVBS方式） 1．4 静止业务系统 卫星地面站担负着卫星发射任务中的3点测距任务。三点测距分系统是FY–2号静止气象卫星地面应用系统重要的组成部分之一，三点测距系统由北京主站和乌鲁木齐、墨尔本（或广州）两个副站组成，主站向卫星发送测距信号，主站测量发出信号与返回信号之间的时延，可以求出从卫星到三个测距站之间的距离。经过电离层对电波折射的修正可准确地确定卫星所在的位置。FY–2号静止气象卫星每天进行4次三点测距作业。 1．5 网络通讯 卫星地面站接收的气象卫星资料，通过专用的通讯网络传输至国家卫星气象中心和新疆维吾尔自治区气象局。首先，运控微机将接收任务时间表分发到每台接收计算机，接收机根据时间表完成气象卫星资料的接收，然后将接收的资料发送到文件服务器。文件服务器对资
大气科学专业（大气探测方向）培养方案 一、培养目标 本专业培养具有扎实的大气科学基本理论、专业知识和专业技能，能够在大气探测、 大气物理、大气环境、气象学、气候学、应用气象和相关学科从事科研、教学、科技开发 及相关管理工作的高级专门人才。 二、培养要求（培养规格） 本专业学生主要学习大气科学等各方面的基本理论和基本知识，受到科学思维与科 学实验（包括野外实习和室内实验）等方面的基本训练，具有良好的科学素质，具有利用 现代电子信息技术、气象雷达和气象卫星遥感技术进行大气科学基本业务、科学研究、理 论分析、数据处理和计算机应用的基本技能。具有较强的知识更新能力和广泛的科学适应 能力。 1系统地掌握本专业的数学、物理、电子技术、计算机等基础理论和基本知识； 2、具有扎实的大气科学基础理论和实验技能，掌握现代大气探测和遥感技术和分析方法； 3、了解相近专业的一般原理和方法； 4、了解国家科技发展、环境保护、知识产权、专业服务等有关政策和法规； 5、了解大气科学及相关学科的理论前沿和发展动态，具有研究、开发新系统、新技术的初步能力； 6、掌握文献检索、资料查询的基本方法，具有一定的科学研究和实际工作能力。 三、主干学科：大气科学 四、主要课程、核心课程和特色课程 1）主要课程：数字电子线路、大气物理学、天气学、电路分析基础、天气学分析、气象统计方法、现代大气探测学、气象观测仪器检定与维护、卫星气象学、雷达气象学、模拟电子线路、雷达原理和信号处理、动力气象学、气象卫星资料的多学科应用、中尺度气象学、中尺度数值模拟与预报、大气激光探测、专业英语、电磁场理论、嵌入式系统设计、信号与系统、数字信号处理、微波技术与天线。 2）核心课程：计算机基础、大气科学概论、线性代数、概率统计、高等数学、大学物理、Fortran语言程序设计、大气物理学、天气学、天气学分析、现代大气探测学、雷达气象学、卫星气象学、雷达原理和信号处理、信号与系统。 3）特色课程：卫星气象学、雷达气象学、气象卫星资料多学科应用。
1、测定目标的角坐标, 其中包括目标的方位角和仰角。雷达测角的物理基础是电波在均匀介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。方向图的主要技术指标是半功率波束宽度θ0.5以及副瓣电平。在角度测量时θ0.5的值表征了角度分辨能力并直接影响测角精度, 副瓣电平则主要影响雷达的抗干扰性能。 2、振幅法测角可分为最大信号法和等信号法两大类。最大信号法测角的优点：1、简单；2、用天线方向图的最大值方向测角，此时回波最强，故信噪比最大，有利于检测发现目标。缺点：1、直接测量时测角精度不很高，约为波速半功率宽度的20%左右；2、不能判别目标偏离波速轴线的方向，故不能自动测角。 3、雷达发射机两种基本形式：单级振荡式发射机：只由一级大功率振荡器产生发射信号，主振放大式发射机：先由高稳固体微波源产生，再经级联的放大电路，形成满足功率要求的发射信号。 单级振荡式发射机的性能特点：简单、经济、轻便；质量技术指标低；产生简单发射波形；主振放大式发射机的性能特点：复杂、昂贵、笨重；质量技术指标高；产生各种复杂发射波形；二者共性：都需要脉冲调制器为其提供大功率的脉冲波。 4、超外差式雷达接收机的主要质量指标：①灵敏度：表示接收机接收微弱信号的能力。灵敏度用接收机最小可检测信号功率(Simin)来表示。制约接收机灵敏度的主要因素是接收机噪声。要提高灵敏度,必须减少噪声电平，同时还应使接收机有足够的增益。②接收机的工作频带宽度：表示接收机的瞬时工作频率范围，频带宽度越宽，选择性越差③动态范围：表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围，使接收机开始出现过载时的输入功率Simax 与最小可检测信号功率Simin 之。过载：当输入信号太强时，接收机将发生饱和而失去放大作用。④中频的选择与滤波特性。中频的滤波特性是减少接收机噪声的关键。 ⑤工作稳定性（指环境条件和电源电压发生变化时，接收机的性能受影响的程度。希望影响越小越好）和频率稳定度⑥抗干扰能力：抗有源和无源干扰的能力。⑦微电子化和模块化结构：模块化结构的程度，微电子化程度，减少体积、重量、耗电、成本、技术实现难度。⑧放大量：放大量表示接收机放大信号的能力，接收机必须有足够的放大量，才能使十分微弱的回波信号具有足够的幅度来处理与显示。⑨、保真度：用来表示接收机输出信号波形与输入波形（高频包络）的相似程度。⑩噪声、噪声系数与灵敏度 5、如何提高接收机灵敏度：①降低总噪声系数F0，通常采用高增益、低噪声高放；②接收机中频放大器采用匹配滤波器，以便得到白噪声背景下输出最大信号噪声比；③识别系数M 与所要求的检测质量、天线波瓣宽度、扫描速度、雷达脉冲重复频率及检测方法等因素均有关系。在保证整机性能的前提下，尽量减小M的数值。 6、为提高雷达系统的灵敏度，须尽量减小分辨信号功率S min这就需要：（1）尽可能减小接收机的噪声系数或有效噪声温度（2）尽可能减小天线噪声温度（3）接收机选用最佳带宽 B opt（4）在满足系统性能要求下，尽量减小识别因子M，经常通过脉冲积累的方式减小M 7、混频器作用：将高频信号与本振电压进行混频并取出其差频，使信号在中频上进行放大。 8、雷达系统为了获得大的信噪比一是要尽量减少接收机内部的噪声，二是要增大发射功率。当一个线性的传递函数为信号函数的共轭时，其信噪比将达到最大，这个线性系统叫匹配滤波器。 9、正交鉴相是同时提取信号幅度和相位信息的有效方法。模拟（数字）正交鉴相又称零中频处理。所谓零中频是指因相干振荡器的频率与中频信号的中心频率相等（不考虑多普勒转移），使其差频为零。零中频处理既保持了处理时的全部信息，同时又在视频实现，因而得到了广泛应用。 10、数字正交鉴相三种方法：数字混频低通滤波法、数字插值法、Hilbert变换法 11、应用广泛的频率源：直接合成频率源、间接合成频率源、直接数字合成频率源 12、天线作用：测角、波束扫描和目标跟踪、测高。 13、雷达天线的基本参量：（1）辐射方向图（包括波束宽度、副瓣电平）（2）增益（有效孔
11目录 1. 设计的基本骤 (1) 1.1 雷达信号的产生 (1) 1.2 噪声和杂波的产生 (1) 2. 信号处理系统的仿真 (1) 2.1 正交解调模块 (2) 2.2 脉冲压缩模块 (3) 2.3 回波积累模块 (3) 2.4 恒虚警处理（CFAR）模块 (4) 结论 (11)
1 设计的基本骤 雷达是通过发射电磁信号，再从接收信号中检测目标回波来探测目标的。再接收信号中，不但有目标回波，也会有噪声（天地噪声，接收机噪声）；地面、海面和气象环境(如云雨)等散射产生的杂波信号；以及各种干扰信号（如工业干扰，广播电磁干扰和人为干扰）等。所以，雷达探测目标是在十分复杂的信号背景下进行的，雷达需要通过信号处理来检测目标，并提取目标的各种信息，如距离、角度、运动速度、目标形状和性质等。 图3-6 设计原理图 2 信号处理系统的仿真 雷达信号处理的目的是消除不需要的信号（如杂波）及干扰，提取或加强由目标所产生的回波信号。雷达信号处理的功能有很多，不同的雷达采用的功能也有所不同，本文是对某脉冲压缩雷达的信号处理部分进行仿真。一个典型的脉冲压缩雷达的信号处理部分主要由A/D 采样、正交解调、脉冲压缩、视频积累、恒虚警处理等功能组成。因此，脉冲压缩雷达信号处理的仿真模型.
2.1 正交解调模块 雷达中频信号在进行脉冲压缩之前，需要先转换成零中频的I 、Q 两路正交信号。中频信号可表示为: 0()()c o s (2())IF f t A t f t t π?=+ (3.2) 式(3.2)中， f 0 为载波频率。 令: 00()()cos2()sin 2IF f t I t f t Q t f t ππ=- (3.3) 则 00()()cos2()sin 2IF f t I t f t Q t f t ππ=- (3.4) 在仿真中，所有信号都是用离散时间序列表示的，设采样周期为T ,则中频信号为 f IF (rT ) ，同样，复本振信号采样后的信号为 f local =e xp(?j ω 0rT ) (3.5) 则数字化后的中频信号和复本振信号相乘解调后，通过低通滤波器后得到的基带信号f BB (r ) 为: 1 1 000 {()cos()}(){()sin()}()N N BB IF IF n n f f r n r n T h n j f r n r n T h n ωω--==-----∑∑ (3.6) 式(3.6)中， h (n ) 是积累长度为N 的低通滤波器的脉冲响应。 根据实际的应用，仅仅采用以奈奎斯特采样率进行采样的话，得不到较好混频信号和滤波结果，采样频率f s 一般需要中心频率的4 倍以上才能获得较好的信号的实部和虚部。当采样频率为f s = 4 f 0时，ω0 T = π/2，则基带信号可以简化为 1 1 0(){()cos()}(){()sin()}()22N N BB IF IF n n f r f r n r n h n j f r n r n h n π π --==-----∑∑ (3.7) 使用Matlab 仿真正交解调的步骤： （1） 产生理想线性调频信号y 。 （2） 产生I 、Q 两路本振信号。设f 0为本振信号的中心频率，f s 为采样频率，n 为线性 调频信号时间序列的长度，则I 路本振信号为cos(n2πf 0/f s ),同样，Q 路本振信号sin(n2πf 0/f s )。当f s = 4 f 0 时，I 、Q 两路本信号分别为cos(πn/2)和sin( n π /2)。 （3） 线性调频信号y 和复本振信号相乘,得到I 、Q 两路信号。 （4） I 、Q 两路信号通过低通滤波器，滤除高频分量，以获得最终的检波结果。Matlab
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/294736656.html, 机载气象雷达天线控制系统 作者：方智觅 来源：《科技视界》2015年第34期 【摘要】机载气象雷达天线控制系统是机载气象雷达的重要组成部分，用来控制天线的 运动，是飞机进行气象目标和地形探测的前提。机载气象雷达天线控制系统是自动控制技术在雷达中具体应用的产物，它涉及多方面的技术知识。 【关键词】天线控制；步进电机；光电脉冲发生器 随着航空技术的不断发展，人们对飞机的要求也越来越高，这促进了雷达技术的不断发展。机载气象雷达是雷达的一种，民用机载气象雷达的应用与发展则为飞行的安全性提供了可靠的保障。目前，具有风切变预警功能的机载气象雷达在民航飞机上的重要作用不可低估，已成为民航飞机必不可或缺的重要电子设备。机载气象雷达除了可以探测航路上的危险气象区域外，还可以用于观察地形并实现其他一些功能。现代机载气象雷达可实现的功能有以下几个方面： （1）探测航路前方扇形区域中的降雨区、冰雹区等气象区域； （2）探测夹带着雨粒的湍流区域； （3）观察飞机前下方的地形； （4）发现航路上的山峰等障碍物； （5）显示由其他系统输入的文字或图形信息； （6）用作雷达导航信标。 气象雷达天线是一种方向性很强的X波段微波天线。气象雷达发射机与接收机通过收发 转换开关通过天线实现雷达信号的辐射与回波信号的接收。在发射脉冲持续期内，气象雷达天线将发射机所产生的射频脉冲信号会聚成能量高度集中的雷达波束辐射到空中，在脉冲间隙期内（接收期内），目标所形成的反射回波由天线接收，输送给雷达接收机。 为了探测飞机前方广阔的扇形区域中的气象目标或观测飞机前方广阔的扇形区域中的气象目标或观测飞机前下方的地形，天线在辐射和接收雷达信号的同时，进行着往返的方位扫掠运动。与此同时，天线还必须根据飞机俯仰姿态和倾斜姿态的实时变化，自动地进行相对于飞机机身平面的俯仰修正运动，以保持天线扫掠平面的稳定。此外，还可在一定范围内对天线进行俯仰调节。为了实现雷达系统对天线运动及姿态的控制，天线组中除了用以辐射雷达信号的天
兰州兰大《卫星雷达气象学》16秋平时作业2 一、单选（共 11 道，共 55 分。） 1. 根据卫星云图上经典锋面气旋的云系特点，当涡旋云带断裂，云系不完整，冷锋云带与螺旋云区分开时，锋面气旋发展到___阶段。 题1. 发展阶段 题2. 锢囚阶段 题3. 成熟阶段 题4. 消散阶段 标准解： 2. 由气象条件造成的晴空回波是___。 题1. 圆点状回波 题2. 层状回波 题3. 昆虫回波 题4. 地物回波 标准解： 3. 当高空风速垂直切变很大时，上风一侧边界光滑整齐，下风一侧出现羽状卷云砧的云是___。 题1. 卷云 题2. 积雨云 题3. 层积云 题4. 高积云 标准解： 4. 急流、锋面通常表现为___。 题1. 带状云系 题2. 涡旋云系 题3. 细胞状云系 题4. 斜压叶状云型 标准解： 5. 判别回波强弱是根据___。 题1. 雷达反射率因子 题2. 雷达径向速度 题3. 雷达径向速度谱 题4. 雷达重复频率 标准解： 6. 可以代表中纬度地区对流层中大气折射的一般情况是___。 题1. 临界折射 题2. 标准大气折射 题3. 负折射 题4. 超折射 标准解： 7. 在一定条件下，卫星在10.5—12.5微米通道接收的辐射仅与物体的___有关。 题1. 反照率
题2. 太阳天顶角 题3. 温度 题4. 形状特征 标准解： 8. 按卫星轨道的倾角可将轨道划分成四类，不包括以下___项。 题1. 赤道轨道 题2. 极地轨道 题3. 圆形轨道 题4. 后退轨道 标准解： 9. 非降水回波表现各自的特点，在PPI上通常呈小块状，零散、孤立和尺度小，犹如天上的星星的是___回波。 题1. 层状云回波 题2. 对流云回波 题3. 雾的回波 题4. 闪电信号回波 标准解： 10. 卫星在地面入轨时所需要的最小速度是___。 题1. 第一宇宙速度 题2. 第二宇宙速度 题3. 第三宇宙速度 题4. 逃逸速度 标准解： 11. 积层混合云降水的回波特征是___。 题1. 片状回波 题2. 块状回波 题3. 絮状回波 题4. 点状回波 标准解： 《卫星雷达气象学》16秋平时作业2 二、判断题（共 15 道，共 45 分。） 1. 一般情况下，雷达径向分辨率比切向分辨率要低一些。 题1. 错误 题2. 正确 标准解： 2. 衰减系数的物理意义是由于衰减作用，单位接收功率在大气中往返单位距离是所衰减掉的能量。 题1. 错误 题2. 正确 标准解： 3. 多普勒速度零值带呈一个反S型，表明风向随高度顺转。 题1. 错误