8.1.1 多普勒效應
多普勒效應是奧地利物理學家J.Doppler 1842年首先從運動着的發聲源中發現的現象，定義為"當接收者或接收器與能量源處於相對運動狀態時，能量到達接收者（器）時頻率的變化"。
一個例子是：當一輛緊急的火車（汽車）鳴着喇叭以相當高的速度向着你駛來時，聲音的音調（頻率）由於波的壓縮（較短波長）而增加。當火車（汽車）遠離你而去時，這聲音的音調（頻率）由於波的膨脹（較長波長）而減低。
多普勒頻率(多普勒頻移)：
對於一個運動的目標，向着雷達運動或遠離雷達運動所產生的頻移量是相同的，但符號不同：①如果目標移向雷達頻移為正；②如果目標遠離雷達頻移為負。 
8.1.2 徑向速度
徑向速度簡單地定義為目標運動平行於雷達徑向的分量。它是目標運動沿雷達徑向的分量，既可以向着雷達，也可以離開雷達。
需要注意：①徑向速度總是小於或等於實際目標速度；②由WSR-88D測量的速度只是目標向着或離開雷達的運動；③當目標運動垂直於雷達徑向或靜止時徑向速度為零。
目標的實際速度與WSR-88D描述的徑向速度間的關系能用數學方法描述成徑向速度方程
│Vr│=│V│•cosβ
其中Vr為徑向速度，V為實際速度，β為實際速度V與雷達徑向之間最小的夾角。
8.1.3 多普勒天氣雷達測速
由於多普勒頻移(Hz)相對發射頻率(MHz)很小，故多普勒天氣雷達通常不是直接測量多普勒頻移，而是通過測量相繼返回的脈沖對之間的位相差來確定目標物的徑向速度，這種脈沖位相的變化可以比較容易並且比較准確的測量。這種測速技術叫做"脈沖對處理"。
脈沖對處理 Pulse-Pair Method
要使多普勒雷達能夠提取目標的多普勒運動信息，必須知道每個發射波的初相位，這樣就可以比較相繼返回信號的位相。如果每個發射波的初位相不知道，那么將無法知道相繼返回的兩個脈沖間的相移，也就無法對目標物沿雷達徑向做出估計。
WSR-88D和CINRAD是一種全相干雷達，這是指每個脈沖在發射時的位相都是已知的。每個發射脈沖的頻率是常數，其位相對於內部參考信號而言是相同的。當脈沖返回時，與參考信號做比較以確定位相。任何脈沖到另一脈沖的位相變化都可以計算。位相變化與目標的運動相聯系。
注：事實上，雷達最終給出的徑向速度是從多個脈沖對得到的徑向速度的平均值，稱為平均徑向速度，而相應的標准差稱為譜寬。通常采用幾十對脈沖的平均得到平均徑向速度。
8.1.4 最大不模糊距離和距離折疊
距離折疊：是指雷達對產生雷達回波的目標物的一種辨認錯誤。當目標物位於最大不模糊距離rmax以外時，雷達卻把目標物顯示在rmax以內的某個位置，形象地稱之為"距離折疊"。
當距離折疊發生時，雷達所顯示的回波位置的方位是正確的，但距離是錯誤的(但是可以預計它的正確位置)。
距離折疊是如何發生的？
設雷達的最大不模糊距離為250 n mile(nm 表示海里) 
距離折疊回波的特點：方位角是正確的；強度較弱；有時具有奇怪的多普勒速度。
8.1.5 最大不模糊速度和速度模糊
8.1.6多普勒兩難(The Doppler Dilemma)
8.1.7獲取I和Q值
回波信號相當於在接收的有限時段內對載頻脈沖既調幅，又調頻。粒子散射過程相當於對發射信號進行幅度調制，粒子徑向運動相當於對發射信號進行頻率調制。 
1）I和Q分量
I 和Q分量包括了產生反射率因子，徑向速度和速度譜寬數據的全部必需信息。
信號的振幅(即Z)和位相是直接根據I和Q值計算的。從而脈沖對相移也可直接由I和Q值計算得到，然后再產生徑向速度和速度譜寬數據。 
單獨的 I 值對於確定目標的方向（向着雷達或離開雷達）是不充分的。I和Q值一起提供目標的速度和方向。 
2）確定目標方向
一旦兩個相繼返回脈沖的I和Q值被確定，它們的位相矢就可以分別畫在笛卡爾坐標系上。
判斷位相矢旋轉和目標運動之間關系的方法是：從位相矢1沿小於180°的角度轉到位相矢2的方向，1)如果是逆時針旋轉意味着目標物向着雷達運動，定為負速度(按照慣例)；2)如果順時針旋轉意味着目標物離開雷達運動，定為正速度。目標運動速率正比於位相矢1與位相矢2之間的夾角(相移)的大小。
注意：上述方法確定的徑向速度的方向和大小是第一猜測值，在脈沖對位相小於180°情況下該第一猜值是目標物的真實徑向速度，而在相繼脈沖對位相差超過180°的情況下該第一猜值不能反映目標真實的徑向速度，速度是"模糊的"，需要經過速度退模糊算法的訂正才能得到真實的速度。 
3) 用位相矢計算徑向速度的例子
(1) 不出現速度模糊的情況 
從#1到#2的脈沖對相移為135°，位相矢的旋轉是順時針，表示目標物是以 45 kn的速度移向雷達。第一猜速度是 45 kn。
(2)實際相移超過180°的情形應記住的要點是：
多普勒天氣雷達總是假定與目標運動有關的相移是脈沖#1和#2之間的最小夾角。當實際的相移超過180°時會出現什么情形？無論什么時候只要實際相移超過180°，雷達就使用一個對應同樣的電壓差小於180°的角(相移)，從而導致目標運動速度的模糊。換言之，此時雷達對目標徑向速度的"第一猜值"比實況要小，並且方向與實際目標的實際運動方向相反。
如：實際270°的相移被看成了90°的相移。 
4) 得到調制函數
在CINRAD-SC，CC，CCJ和CD型的雷達接收機中，中頻通道有兩路，一路為對數通道，另一路為線性通道。中頻回波信號在對數通道中經對數放大后輸出回波強度信號，在線性通道中經線性放大和相位檢波后輸出正交信號 I 和Q。經對數放大后的輸出、I和Q信號均送入信號處理系統，最后得到回波功率P、徑向速度V和速度譜寬W。
而WSR-88D和CINRAD-SA和SB型未設對數通道，回波功率、徑向速度和譜寬全由 I 和Q信號
8.1.8 基數據的產生
多普勒雷達基數據包括反射率因子、平均徑向速度和譜寬。
用單個脈沖和脈沖對進行基數據估計的統計不確定性太多，以至於不能產生精確的數據。因此，必須對大量的脈沖回波進行統計處理，以滿足所要求的精度，所需的脈沖數的個數依賴於雷達系統的特點和所要求的數據的種類(反射率因子或速度)。
下面簡單描述WSR-88D和CINRAD-SA雷達的基數據的形成。
1）反射率因子數據
2）平均徑向速度數據
多普勒速度信息是用脈沖對處理方法得到的。用3個步驟得到：
(1)為了使每個0.25km的距離庫的速度估計誤差不大於1m/s，需要40~50個脈沖對。
(2)求脈沖對位相矢和。這一步使用位相矢代表脈沖對(注意，與前面帶面代表單個脈沖的位相矢不同)，從X軸正向算起到位相矢方向的角度代表脈沖對的相移，相矢的大小代表每個獨立脈沖所對應的位相矢的標積。對脈沖對位相矢做矢量求和，數值大的位相矢(較高的回波功率)對平均徑向速度估計有相對大的影響。因此速度估計是以回波功率為權重的平均值估計。較大的散射體返回較高的功率，在速度平均時有大的權重。
(3)賦予每個0.25km的距離庫一個平均徑向速度，直到230km。 
3）速度譜寬數據
速度譜寬是對在一個距離庫中速度離散程度的度量。譜寬在數學上與一個距離庫內的各個散射體的速度的方差成正比。譜寬可以用作速度估計質量控制的工具。當譜寬增加，速度估計的可靠性就減小。
一些典型的氣象特征和條件可導致相對高的譜寬，它們包括: (1)氣團的界面附近，如鋒面邊界和雷暴的出流邊界等；(2)雷暴；(3)切變區域；(4)湍流；(5)風切變；(6)降落速度不同的不同直徑的雨和雪。
一些非氣象條件也可使譜寬增加: (1)天線轉速(慢寬快窄)；(2)距離(遠寬近窄)；(3)信噪比。
基數據的分辨率
基數據中的反射率因子是通過對沿着雷達徑向的四個取樣體積平均得到的，其徑向分辨率相當於4個取樣體積的長度，方位角方向的分辨率與取樣體積在方位角方向的分辨率相同。平均徑向速度和譜寬的分辨率與雷達取樣體積的大小一致。對於SA和SB型雷達，基數據中反射率因子的分辨率為1km×1°，而徑向速度和譜寬的分辨率為0.25km×1°。