天气雷达塔的防雷设计

天气雷达塔的防雷设计（精选3篇）

天气雷达塔的防雷设计 篇1

1 引言

随着我国国民经济建设的发展,人民生活水平的不断提高,气象越来越多的深入到社会的各个方面。社会对气象的需求和依赖越来越多、越细,新一代天气雷达等现代化建设项目将会大幅度的提高和改进气象服务的能力和质量。雷达系统建设项目庞大,设备精密昂贵,雷达楼高度超过百米,气象条件复杂,为保证雷达系统安全可靠运行,雷达楼综合防雷十分重要。按照中国气象局的要求,内蒙古自治区6部新一代天气雷达防雷设计严格按照规范和标准[1,2]进行论证实施,同时与土建等部门共同配合达到同步设计、施工和验收。经过几个雷雨季节的考验,证实了天气雷达的防雷设计、施工是比较合理可行的,本文通过巴彦淖尔市雷达实例来详细说明多普勒天气雷达防雷设计等关键技术问题。

2 防雷安全环境评价

2.1 地理气候状况

巴彦淖尔市新一代天气雷达楼为一座综合办公楼,总建筑面积9752.23m2,建筑高度76.45m,雷达天线球罩高度84.23m。项目地址位于巴彦淖尔市临河镇新华西街北、金砂路东,东经107°25′,北纬40°45′,地面海拨高度1039.3m。巴彦淖尔市地处河套平原,四周地势平坦,属于温带大陆性气候[3],夏季受蒙古低压、夏季风及北部阴山山脉影响,水气较为充沛,但气层很不稳定,夏季炎热而多雷阵雨。

从1971~2007年巴彦淖尔地区9个气象站的逐日雷暴观测资料分析得出,该地区年平均雷暴日数总体上呈东部多西南少特征,表现为较好的经向型[4],该区雷暴日数在5~44d之间(如图1所示);雷暴发生频率最高在6、7、8月,平均雷暴日数为4.09d、6.69d和5.74d,分别占全年雷暴日数的19.5%、31.8%和27.3%。由于雷达楼孤立于周围环境,雷电破坏性干扰十分频繁且严重,对雷达站系统防雷提出了较高的要求。

2.2 雷达楼及其信息系统防雷设计分类

雷达楼年预计雷击次数N[5]应按下式确定:

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式中:k为校正系数(一般情况取1);Ng为建筑物所处地区雷击大地的年平均密度[次/(km2·年)];Ae为与建筑物截收相同雷击次数的等效面积(km2);A′e为线缆入户设施截收面积;Td为年平均雷暴日;L、W、H分别为建筑物的长、宽、高,L′是线路从雷达楼到相邻建筑物的长度。

将巴彦淖尔市新一代天气雷达大楼的实际数值代入上述公式,计算大楼及入户设施年预计雷击次数N=2.544/(次/km2·年);而雷达等电子信息系统因雷击损坏可接受的最大年平均雷击次数Nc为:

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因此,防雷装置拦截效率E=1-Nc/N=0.99,按照规范[1]确定该雷达塔楼主体建筑按二类防雷建筑物设计,对雷达站主机部分信息处理、传输系统按信息系统雷击电磁脉冲防护分级划为A级[6]。

3 多普勒天气雷达系统防雷设计措施

3.1 雷达天线防雷设计

在雷达楼天面承台四周等边均匀设计4支避雷针,避雷针距天线中心点9.02m,距离天线球罩4.68m。正四边形分布的4支等高避雷针将半径为45m的球支撑起来,使滚球最低点离天线罩顶端有Δ=3m的裕量(天线球罩本身高度8.13m),滚球的中心线垂直通过四边形的重心,所以针高h为:

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式中:H球罩顶端离针座平面的垂直距离(8.13m),Δ为3m的裕量,hr为滚球半径45m,OA为球心离避雷针的水平距离(9.02m)。

计算得h=12.04m,避雷针施工取值高度13m,可以确保雷达天线按二类防雷建筑物处于防雷分区的LPZ0B区。为保证避雷针安装的机械强度,又不影响雷达电磁波的传输特性[7],避雷针在雷达天线仰角零度下边缘以上至避雷针长度1~1.5m以下安装玻璃钢杆体,其针体用50mm2铜绞线通过玻璃钢杆体中部与基座连接。基座在天面设置预留件,预留件与引下线C4、C2、F2、F4主筋可靠焊接。见图2。

3.2 均压环及防侧击雷设计

根据建筑的防雷类别和建筑物电气电子设备布置情况设置引下线[8],利用建筑物柱子或剪力墙内两根≮Φ16主筋通长焊接作为引下线,由于雷达楼是梯级收缩式建筑,为保证引下线上下贯通,引下线横向间距小于18m,引下线位置详见图3。利用-1、1、3~5、7、9、11~18层和76.1m避雷针平台圈梁主筋焊接成环作为均压环防止侧击雷,并与作为引下线的柱主筋焊接以形成初步的法拉第屏蔽笼。此外,将玻璃幕墙、干挂大理石龙骨的预埋件与建筑物主钢筋、引下线、均压环每隔5~10m焊接一次,雷达楼的所有金属门窗框预埋件均与左、右立柱主筋、上下水平梁主筋用≮Φ10钢筋焊接,每个金属门窗框焊点8个且应均匀分布。

3.3 等电位和屏蔽

本建筑供电制式为TN-S接地系统,电源进户处作重复接地。在地下配电室内混凝土柱及剪力墙上预留50×6mm镀锌扁钢作为主接地线,并设总等电位盘。低压配电室、柴油发电机房采用50×6mm镀锌扁钢设环形接地连接线距地0.2m明敷,在门口及至低压开关柜基础槽采用暗敷。在配电室至电缆竖井的电缆桥架中全长敷设一根40×4mm热镀锌扁钢,将配电室接地与竖井内接地线相连。建筑物内所有电气设备金属外壳、穿线钢管、电缆铠装外皮、支架等均应与接地系统可靠的连接。信息机房、消防控制室、电梯机房、设备间控制室、雷达机房及各层强、弱电竖井内设局部等电位接地端子。总等电位盘、局部等电位盘由黄铜板制成,应将建筑物内保护干线、设备金属总管、建筑物金属构件等部位进行连接。

雷达主机房及控制室采取屏蔽措施,分别在承重立柱之间的外墙、屋顶和外墙窗户加设20×20cm方格屏蔽网,见图4,屏蔽网与外墙内钢筋可靠焊接形成电气通路。

3.4 接地

雷达楼的防雷接地、交流工作地、安全保护地、直流逻辑地采用共地方式[9],接地电阻设计<1Ω。利用大楼建筑基础钢筋圈梁、柱主筋作为接地网的自然接地体,在大楼建筑基础散水外1m围绕建筑物采用4×40mm镀锌扁钢做一圈辅助接地体,辅助接地体与基础圈梁每隔5m用4×40mm镀锌扁钢连接,拐角处另加连接扁钢。辅助接地体通过大楼门口及人行道时埋深增加到1.5m(宽度每边超过人行过道1m),上部用沥青与油毡作3层绝缘处理,以防止跨步电压对人员造成的危害。

3.5 供电系统防雷设计

按国家规范和雷达系统自身的特点在雷电防护区交界处应安装三级开关型或限压型浪涌保护器SPD(Surge Protective Device),以达到多级分流、降压的目的。第一级设计在低压配电柜的入线端,安装一台50kA(10/350μs)浪涌保护器;单独设配电室的消防供电安装一台25kA(10/350μs)浪涌保护器;第二级设计在电气竖井各个楼层的供电输出端,安装通流量40kA(8/20μs)浪涌保护器SPD;第三级20kA(8/20μs)浪涌保护器安装在配电柜到各机房的供电支路输出端。整个雷达站包括周围的生活设施、附属设施的电源SPD设备选用德国PHOENIXCOTACT公司的产品。

3.6 机房及信号系统防雷设计

雷达的信息系统机房、计算机机房和各个气象业务机房采用3×30mm紫铜带铺设等电位连接网络,机房内设备尽可能居于机房中心,至少距外墙梁柱1m布置。进出机房的信号线缆均作等电位处理,且网络信号、电话、视频监控[10,11,12,13]等线缆在直击雷非防护区(LPZ0A)或直击雷防护区(LPZ0B)与第一防护区(LPZ1)交界处应分别设置适配的信号SPD,浪涌保护器的接地端及电缆内芯的空线对应接地。见图5。

3.7 生活附属设施防雷设计

大楼的装饰灯、射灯、户外照明等供电线缆均穿钢管屏蔽,并就近与地网作等电位连接,这些设施按照不同的类型分别安装浪涌保护器。航空障碍灯供电线缆采用蛇皮管敷设,蛇皮管及屏蔽电缆外皮作多点等电位连接且安装浪涌保护器。

4 结语

本文按照全面规划、综合治理、优化设计、多重保护的原则对多普勒天气雷达综合防雷工程进行设计,在设计和施工时综合考虑环境因素、雷电活动规律、系统设备的重要性、发生雷灾后果的严重程度,而采取接闪、分流、均压、屏蔽、合理布线和共用接地和浪涌保护等直击雷和雷击电磁脉冲防护措施,获得良好的效果并通过实践检验,从而保证其系统正常运行,达到防灾减灾的目的。

摘要：为保证用于提升气象服务能力的新一代多普勒天气雷达安全可靠运行,其综合防雷十分重要。本文通过对雷达楼及其信息系统的防雷安全环境理论计算确定其防雷等级,雷达塔楼主体建筑按二类防雷建筑物设计,其信息处理、传输系统按信息系统雷击电磁脉冲防护分级划为A级。结合巴彦淖尔市雷达工程实例分析了当地的地理地质、气候环境和雷电活动规律,及根据被保护物的特点详细研究了防雷装置的形式,提出了多普勒天气雷达综合防雷保护体系;分别从雷达天线直击雷防护、侧击雷防护、等电位和屏蔽措施、接地装置、电源信号系统浪涌保护及生活附属设施防雷设计等方面进行了综合论述。工程经实践证明其防雷措施是行之有效的,这对新一代多普勒天气雷达安全运行具有较好的指导意义。

关键词：多普勒雷达,信息系统,综合防雷,浪涌

数字阵列天气雷达低副瓣天线设计 篇2

多普勒天气雷达大多采用机械扫描方式进行观测，扫描速度较慢，对快速多变的天气系统（如雷暴、冰雹和龙卷风）的探测不能满足要求。相控阵天气雷达[1,2]可以对指定空域的重点气象目标在一定方位和俯仰范围内进行连续探测，快速得到风暴单体的精细立体结构。要求设计的天气雷达天线工作频率在X波段，相对带宽小于1%，天线极化为水平极化。一维固定波束采用窄边波导裂缝阵列天线[3,4,5]来形成，一维相扫采用全数字T/R组件控制相位来实现波束扫描。波导裂缝阵列天线容易控制波导裂缝口径面的幅度分布，体积较小，口径面利用效率高，易于实现低副瓣，带宽适中，在雷达中广泛使用。全数字相控阵可实现的最小相移量可以十分小，波束跃度可以非常小，波束指向的实现十分灵活和准确。移相器量化误差非常小，量化副瓣几乎可忽略不计，为实现超低副瓣带来了现实的可能性。

1 天线设计

设计低副瓣的窄边波导裂缝阵列天线，需要若干根等倾角的波导裂缝线源组成平面阵列，精确确定在阵列互耦条件下的增量电导和缝隙的谐振长度。以前通常采用试验来获得这些数据，费时费力而且成本较高。随着商业电磁仿真软件的迅速发展，现在可采用HFSS仿真来获得这些数据，考虑互耦影响，先在HFSS建立实际设计阵列条件下的等倾角的5根裂缝波导组成的阵列进行仿真，获得该倾角条件下的缝隙谐振长度和增量电导。同理可获得其他倾角条件下的缝隙谐振长度和增量电导。然后根据需要的电导分布来确定每个缝隙的倾角和切入深度，在HFSS中建立波导缝隙阵列天线的仿真模型，对波导裂缝天线电性能进行仿真计算。窄边波导裂缝线源如图1所示。

为了满足方位面波束宽度小于1°和副瓣电平优于-30 dB的要求，缝隙间距选取约0.675λ（λ为工作波长），缝隙数量102个，口径幅度分布选择副瓣电平为-37 dB、等副瓣个数为6的泰勒分布。幅度分布见图2。

在波导裂缝阵设计中，需将口径幅相分布转换为所需的电导分布。电导分布如图3所示。

根据HFSS仿真得到不同倾角条件下缝隙电导和切入深度的结果，依据电导分布得到各个裂缝的倾角和缝深结果如图4所示。

垂直面扫描30°，为保证扫描到最大角度时不出现栅瓣，相邻波导裂缝线源之间间距取约0.66λ（λ为工作波长）。根据上述结果，在HFSS中建立5根波导裂缝线源组成的阵列进行仿真，仿真模型示意图如图5所示，方位面方向图仿真结果如图6所示，波束宽度仿真结果为0.98°，最大副瓣电平约-31 dB。

为实现超低的接收副瓣电平，还对各通道的幅度相位一致性提出了严格的要求，必须在系统内提供定标及校正设备[6]。天线校正模式可采用逐一自检的校正方式：接收采用同时逐一自检校正；发射采用分时逐一自检校正。校正系统框图如图7所示。

校正基准在微波暗室采用平面近场法获得，发射校正时，全数字T/R组件选择一个发射通道发射，其他通道关闭，采样架探头走到已打开的发射通道对应的波导裂缝线源中间的正前方，记录接收到信号的幅度和相位，依次完成所有通道的测试和记录，然后对发射通道之间相位进行补偿，在此基础上各测试发射通道到校正T/R之间的耦合幅度相位数据，获得外场使用的发射校正的基准。接收校正跟发射校正类似，不同的是采样架探头发射，全数字T/R组件通过相应的波导裂缝线源接收，需要对幅度和相位都进行补偿。

2 校正及测试结果

接收波束俯仰面要求实现-40 dB的副瓣电平，对幅度和相位的精度控制要求非常高。图8显示的3次接收校正补偿后相位分布。3次接收校正补偿后通道之间相位起伏在±1°之内。在此基础上对天线的方向图进行测试，测试结果如图9所示。

测试结果表明，方位面波束宽度为0.98°，最大副瓣电平为-32.5 dB；俯仰面接收DBF测试最大副瓣约-42 dB，满足指标要求。方位面最大副瓣测试结果优于仿真结果，经分析其主要是由于实际有128根波导裂缝线源组成阵列，比仿真规模大不少，系统对加工误差的容忍能力较大，导致测试结果优于仿真结果。

3 结语

采用窄边波导裂缝阵列天线，通过HFSS仿真，提取出互耦状态下的不同倾角的谐振长度和电导，在此基础上根据幅度分布确定的电导分布选择裂缝倾角和缝深，在HFSS中建立5元小阵模型仿真，实现方位面低副瓣，缩短了研制周期。

采用微波暗室校正和全数字T/R组件精确控制幅度相位，可实现俯仰面超低接收副瓣。在微波暗室进行校正和天线性能测试，测试结果表明，方位面波束宽度、最大副瓣电平和俯仰面接收副瓣与理论设计结果吻合，满足指标要求。

摘要：为天气雷达设计一维相扫相控阵天线,方位面副瓣低于-30 d B,波束宽度小于1°,俯仰面接收副瓣低于-40 d B。方位面波束采用窄边波导裂缝阵列天线实现,采用全数字T/R组件精确控制幅度和相位,实现低于-40 d B的俯仰面接收副瓣。测试结果表明,副瓣电平与波束宽度指标与理论值吻合较好,满足指标要求。

关键词：数字相控阵,低副瓣,校正,天气雷达

参考文献

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天气雷达塔的防雷设计 篇3

目前脉冲多普勒天气雷达被广泛运用于世界范围内的气象气候科学领域已经很多年了, 现在多普勒天气雷达是各气象部门大气监测的重要手段, 在突发性、灾害性的监测、预报和警报中, 尤其是突发性的中小尺度灾害性天气的监测预警中发挥着重要的作用。目前对多普勒天气雷达获取的径向速度场资料进行分析应用方法可以大致分为两种类型:一种是观测某些典型流场在径向速度场上造成的特征, 构在多普勒雷达测量的径向速度PPI分布中所具有的典型特征。另一种是以其它方法取得的一些环境风矢量作为参考, 从而勾画出雷达回波区内的实际平面风场, 使这风场的径向分量场与多普勒雷达实测的径向速度场不相矛盾。在日常业务工作中, 大多采用第一种方法进行资料分析, 也就是根据多普勒雷达实测径向速度PPI分布特征, 分析和推断真实的风场结构。

1 极化天气雷达简要介绍

1.1 发射方式

双极化多普勒天气雷达的发射方式有同时发射或交替发射方式两种。同时发射方式, 是在一个脉冲周期内, 同时发射水平极化波和垂直极化波, 并同时接收水平和垂直极化回波的工作方式。同时发射方式的特点, 是两种极化波相对探测目标的相关性好, 有利于提高天线转速, 测量精度高, 但结构较复杂, 技术难度较大。

1.2 极化物理量的测量

双极化多普勒天气雷达能测量的极化物理量有:ZDR, ɸDP, KDP, ρHV和LDR。

ZDR是雷达的差分反射率因子, 是双极化雷达发射水平极化波接收其平行分量时的反射率因子与发射垂直极化波接收其平行分量时的反射率因子之差, ZDR=ZHH-ZVV, 若用分贝来表示, 则ZDR=10log (ZHH/ZVV) , 下标分别表示发射和接收的状态。ZHH是发射水平极化波、接收水平极化波时的反射率因子 (下同) ;ZVV是发射垂直极化波、接收垂直极化波时的反射率因子。一般情况下, ZHH与ZVV不相等, 且ZHH>ZVV, 因此ZDR大于零, 说明粒子对水平极化波的散射能力较强。实测过程中, ZDR的值一般为:-0.5-6.0dB, 雨滴的值较大, 一般能达到3dB-5dB。若ZDR的值在零附近, 说明可能有冰雹出现。

ɸDP是雷达获得的水平极化回波与垂直极化回波之间的相位差, 它包含两部分:反射相位差和前向散射相位差δ, 前向散射相位差δɸDP也称为传播相位差。 。其中ɸHH、ɸVV分别是水平极化回波、垂直极化回波的相位。δ是相关系数ρHV的相位, 它可从能流密度关系中估算得出, 当旋转轴偏离垂直或水平方向时, δ值较大, 这也是判断冰雹的一个依据;当满足瑞利散射时, δ较小。

传播常数差KDP是指在介质中水平极化波与垂直极化波传播常数的变化值之差。由于变化量不等, 传播过程中造成传播相位差, 即前面所说的前向散射相位差ɸDP。因为ɸDP是距离的函数, 对于同一粒子是固定值, 根据传播常数与相位之间的关系可以得出:

则ɸDP可写成

显然, ɸDP与距离有关, 也是距离的函数。KDP是相位随距离的变化程度, KDP值越大, 单位距离内相位变化越大, 衰减就越严重。雨区中液态水越多, 对水平、垂直极化波的衰减差异越大, KDP值越大。因此, KDP与液态水的含量密切相关。

LDR是雷达的退极化因子, 它的表达式为: , 其中, ZHV表示发射水平极化波接收其垂直分量时的反射率因子。LDR反映了粒子对入射波的正交分量、平行分量的散射能力的差异, 它主要与非球形粒子的空间取向和入射波的入射方位有关。

2 WS R98D-XD雷达基本数据显示设计

WSR98D-XD雷达是北京敏视达雷达公司生产的X波段双极化多普勒天气雷达, 主要技术特点包括:X波段、全相参双极化多普勒天气雷达;高频率稳定度、高频谱纯度发射机;低噪声、大动态范围、低相位噪声接收机;高频率稳定度、多功能频率综合器;低旁瓣、高增益、窄波束天线, 灵活、多功能的天线扫描方式;移植了WSR-98D/SA雷达的数据处理和产品生成软件和BITE技术。

2.1 WSR98D-XD雷达基数据格式

WSR98D-XD雷达基数据格式与CC雷达的不同点在于, WSR98D-XD雷达基数据没有雷达信息结构的文件头, 也没有仰角层文件头, 只有径向数据文件头。WSR98D-XD雷达基数据存储格式参照北京敏视达公司CINRAD SA/SB雷达基数据格式。

2.2 WSR98D-XD雷达基数据读取

由雷达基数据可知, 产品数据均为1个字节, 所以读取的时候先定义七个unsigned char类型的数组gdrawref[20]400][2000] (存反射率) 等。为了提高数据存储空间的利用率, 原始的基数据进行了数据的转换, 如说把float型乘以10或者100变成int型数据的存储。所以这七组产品数据, 还需要根据特定的转换方式转换成相应的单位, 如反射率数据要根据 (数值-2) /2.-32=DBZ方式转换成DBZ值。

此数据只有径向头, 所以读取数据应采用C语言中读取FILE文件的方式, 如:

此方式的读取, 是通过缓冲技术分径向读取, 每循环一次读取一个径向的数据, 然后通过字符串的拷贝函数memcpy把整个径向的数据赋值给特定数组的径向值。

2.3 数据处理

数据处理也是封装在一个公有类里面, 当然也可以是其他类, 在此参见建立的类为CDealwith。以下建立的各个处理函数均为公有成员函数。

2.3.1 方位角

在绘图和鼠标实时显示的时候都会用到这个函数, 它的功能是:判断当前所绘的像素点具体的方位角度, 从而判断当前点所属的径向, 然后获取该径向的数据。具体实现如下:

其中, x和y是像素点坐标 (下同) , X0和Y0是圆心坐标 (下同) , 为固定值。

2.3.2 距离库

此函数的功能是:通过当前点坐标计算并返回当前点到圆心的距离。通过此返回值和单位距离所占的距离库数, 可以得到当前绘制点所处的距离库数, 从而精确得出此点数据, 轻松实现图形绘制。具体实现如下:

2.3.3 色标返回值和色表

绘图是要绘出每个点的不同颜色, 所以就需要有色表提供不同颜色的RGB数值, 在查色表的的时候就需要颜色序号才能找出所需颜色在色表中的RGB数值, 色标返回值的处理函数就是为此而设定的。不同的产品类型色表是不一样的, 序号所在范围的划分也是不一样的, 所以这里需要为反射率、速度、谱宽分别建立各自的色标返回值函数。以反射率色标返回值为例:

速度和谱宽的色标返回值函数类似。

色表的建立是有结构体实现的:

struct Colortab

{int r, g, b;}color[16]={……};//

省略号里面是色表的具体数值, 需要注意的是, 这里需要建立两个色表, 不同的绘图类型查阅不同的色表。

2.3.4 时间的转换

由于WSR98D-XD雷达数据的扫描时间的记录方式为:自1970年1月1日开始记天数, 直到数据扫描结束时间为止。所以此函数的功能就是把数据记录的天数转换成时间, 以便在显示平台上进行显示。

此函数涉及到闰年、月份的判断, 比较麻烦, 但纯粹是数学上的运算, 这里不再详细说明。

2.3.5 坐标系的转换

涉及两次坐标转换:一次是从大地坐标系转换到本项目所定义的坐标系 (将坐标原点置于发射雷达, x轴指向正东方, y轴指向北点方向, z轴与x, y轴构成右手坐标系, 指向上方) , 这一步是目标在接收基地中的定位算法中所不可缺少的;第二次坐标转换是将雷达原始数据所存储的极坐标形式转换为直角坐标形式。根据是x=r•cosθ, y=r•sinθ, r为到雷达站点的距离, θ为径向的方位角。

2.4 WSR98D-XD图像对比

采用的雷达基数据为“2008073122.12A”, 雷达最大探测距离为250公里, 数据采集时间为2008年7月31日早上6点13分21秒, 站点位置为东经103°59′6″, 北纬30°35′2″, 各个图像均取第三层仰角为2.29°的数据。

反射率:该产品标准图像如图1所示, 本设计显示图像如图2所示。

比相差:产品标准图像如图3所示, 本设计显示图像如图4所示。

相关系数:产品标准图像如图5所示, 本设计显示图像如图6所示。

3 结论

软件信号处理平台实现了数据的读取、数据的处理、坐标转换以及部分二次产品的生成和产品显示的功能。该设计操作界面灵活简单、占用资源比较少、容易使用, 但代码效率有进一步提升的空间。

通过图像的严格对比, 发现此平台所产生的图像基本上与标准的回波图是一致的。唯一的区别在于不同的系统采用的是不同的色表, 使得各种图形在显示的颜色上有一点差别, 不过这并不影响回波的识别, 用户可以通过色表的对比, 读出回波图形中各个点或者是区域的反射率强度、速度、谱宽等。

参考文献

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