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1、第二章 雷达探测大气的 基础知识 2.1 散射 2.2 衰减 2.3 雷达气象方程 2.4 折射 2.5 雷达的探测能力 1 1、雷达探测大气的基础雷达探测大气的基础：气象目标的散射作用气象目标的散射作用 大气介质 云滴 降水粒子 大气气体分子 大气介质折射 指数分布不均 随粒子的相 态、几何形 状、大小、 电学特性而 异 2 2、散射现象 当电磁波传播遇到空气介质和云、雨质点时，入射的 电磁波会从这些质点向四面八方传播相同频率电磁波 ，称 散射现象。 3 光波的散射现象光波的散射现象 （1 1）夜间，）夜间，日光灯照射到物体上，我们能够看到物日光灯照射到物体上，我们能够看到物 体，是物体散射
2、日光灯的光线。体，是物体散射日光灯的光线。 （2 2）天空乌云密布，仍然有部分光线，我们能够观）天空乌云密布，仍然有部分光线，我们能够观 察到，是光线在大气中散射作用形成的。察到，是光线在大气中散射作用形成的。 （3 3）夜间我们能够看到事物，靠的是月光，月亮本）夜间我们能够看到事物，靠的是月光，月亮本 身不发光，反射太阳光，是散射作用的结果。身不发光，反射太阳光，是散射作用的结果。 4 目标物越多，散射也就越强. 大雨滴将比小雨滴产生更 强的信号。 5 电磁波的散射 3、散射特性、散射特性 散射：只改变传播方向，不改变传播散射：只改变传播方向，不改变传播 能量的能量的形式。形式。 吸收：改变
3、传播能量的吸收：改变传播能量的形式（能量转形式（能量转 化）。化）。 7 电磁波的传播过程电磁波的传播过程 光速直线传播。光速直线传播。 碰到障碍物碰到障碍物漫反射没有方向性漫反射没有方向性 粒子对电磁波的粒子对电磁波的散射散射：只改变电磁波的：只改变电磁波的 传播方向传播方向, ,不改变电磁波能量大小。不改变电磁波能量大小。 粒子对电磁波的粒子对电磁波的吸收吸收：在粒子介质内部：在粒子介质内部 传播时，电磁波能量转换为热量，能量传播时，电磁波能量转换为热量，能量 受到受到衰减衰减。（雷达探测距离）。（雷达探测距离） 8 散射波的形成散射波的形成 散射波：入射波照射到降水粒子上时，电磁散射波：
4、入射波照射到降水粒子上时，电磁 波使降水粒子极化，感应出复杂的电荷分布波使降水粒子极化，感应出复杂的电荷分布 和电流分布，它们也以同样的频率发生变化，和电流分布，它们也以同样的频率发生变化， 这种高频率变化的电荷分布和电流分布向外这种高频率变化的电荷分布和电流分布向外 辐射电磁波，就是散射波。因此粒子在入射辐射电磁波，就是散射波。因此粒子在入射 电磁波电磁波极化下做强迫的多极振荡极化下做强迫的多极振荡，从而发出，从而发出 散射波。散射波。 散射波是全方位，是不均匀的，各向异性。散射波是全方位，是不均匀的，各向异性。 9 散射的分类散射的分类 粒子散射电磁波的能力，除和电磁波的波粒子散射电磁波的
5、能力，除和电磁波的波 长等因素有关外，和粒子的大小、形状、以及长等因素有关外，和粒子的大小、形状、以及 粒子的电学特性有关。当雷达波长确定后，球粒子的电学特性有关。当雷达波长确定后，球 形粒子的散射情况主要取决于形粒子的散射情况主要取决于粒子直径粒子直径d d和入和入 射波长射波长的相对大小的相对大小。 瑞利散射：瑞利散射：d 7. 米散射 米氏理论米氏理论普遍的球形粒子散射理论普遍的球形粒子散射理论 米散射的性质米散射的性质 散射波是以粒子为中心的球面发散波散射波是以粒子为中心的球面发散波 散射波和入射波同频率散射波和入射波同频率 散射波能流密度各向异性的：大部分能量集中在正前散射波能流密度
6、各向异性的：大部分能量集中在正前 方，方，越大，向前散射的能量占全部散射能量的比重越大，向前散射的能量占全部散射能量的比重 越大。越大。 散射波性质与入射波波长散射波性质与入射波波长、散射粒子半径、散射粒子半径r r、粒子周、粒子周 围环境的特性等有关。围环境的特性等有关。 球形粒子对电磁波散射的物理实质球形粒子对电磁波散射的物理实质 20 8. 8. 粒子群的散射粒子群的散射 雷达探测时接收到的是一群粒子的散射之和雷达探测时接收到的是一群粒子的散射之和 雷达的总回波功率是否是各单个粒子的回波功率之和？雷达的总回波功率是否是各单个粒子的回波功率之和？ 实际观测发现：实际观测发现：使用常规测雨雷
7、达探测降水时，若信号没有经过视频积分使用常规测雨雷达探测降水时，若信号没有经过视频积分 处理，则在距离显示器上可以看到降水回波呈现不断涨落的处理，则在距离显示器上可以看到降水回波呈现不断涨落的脉动现象脉动现象。在平面。在平面 位置显示器上，由于这种涨落使得降水回波边缘显得模糊位置显示器上，由于这种涨落使得降水回波边缘显得模糊。造成降水回波涨落。造成降水回波涨落 现象的现象的原因原因是由于同时散射能量到天线处的许多降水粒子之间是由于同时散射能量到天线处的许多降水粒子之间相对相对位置不断发位置不断发 生变化，从而使各降水粒子产生的回波到达天线的行程差也发生不规则的变化。生变化，从而使各降水粒子产生
8、的回波到达天线的行程差也发生不规则的变化。 在探测云时也有类似的现象，只是云的回波脉动要弱得多。在探测云时也有类似的现象，只是云的回波脉动要弱得多。 粒子群内部各粒子之间的无规则运动，使粒子群造成的瞬时回波功率会现粒子群内部各粒子之间的无规则运动，使粒子群造成的瞬时回波功率会现 出脉动性。那么，对于处在某一固定距离上具有一定滴谱分布的云、雨，就不出脉动性。那么，对于处在某一固定距离上具有一定滴谱分布的云、雨，就不 能测得确定的回波功率瞬时值与它相对应，即能测得确定的回波功率瞬时值与它相对应，即粒子群造成的回波，不能简单地粒子群造成的回波，不能简单地 看作各个粒子单独产生的回波的叠加看作各个粒子
9、单独产生的回波的叠加。 理论研究发现：理论研究发现：只要对回波功率只要对回波功率PrPr取适当的取适当的时间平均值时间平均值，它就有比较稳定，它就有比较稳定 的数值，而且在数值上等于每个粒子各自产生的回波功率的总和。的数值，而且在数值上等于每个粒子各自产生的回波功率的总和。 2 1 N rim i PE = 21 球形水滴和冰粒的散射 9. 9. 单个球形粒子的雷达截面单个球形粒子的雷达截面( (后向散射截面后向散射截面) ) 雷达天线接收到的只是粒子散射中返回雷达方向雷达天线接收到的只是粒子散射中返回雷达方向( (即即 )的那一部分能量，这部分能量称为的那一部分能量，这部分能量称为后向散射能
10、量后向散射能量。因。因 此，对探测云、雨等有意义的是粒子的后向散射。此，对探测云、雨等有意义的是粒子的后向散射。 对于对于普遍的球形粒子普遍的球形粒子，根据米氏散射理论，其后向散，根据米氏散射理论，其后向散 射函数射函数 对于对于小球形粒子小球形粒子，根据瑞利散射理论，其后向散射函数，根据瑞利散射理论，其后向散射函数 2 2 1 1 ( )|( 1) (21)()| 4 n nn n nab k = =+ 462 2 42 161 ( )| 2 rm m = + 22 经过距离经过距离R R散射到天线处的散射能流密度散射到天线处的散射能流密度 假设假设散射散射粒子以粒子以Ss()向向四周作球面
11、波形式的各向同性散四周作球面波形式的各向同性散 射，并以符号射，并以符号表示表示总散射功率与入射波能流密度之比总散射功率与入射波能流密度之比，即，即 雷达截面雷达截面 或或 引入的意义：引入的意义：以入射波能流密度乘上雷达截面，得到一个以入射波能流密度乘上雷达截面，得到一个 散射粒子的总散射功率；当散射粒子以这个总功率作各向同散射粒子的总散射功率；当散射粒子以这个总功率作各向同 性散射时，散射到天线处的功率密度正好等于该粒子在天线性散射时，散射到天线处的功率密度正好等于该粒子在天线 处造成的实际的后向散射能流密度。处造成的实际的后向散射能流密度。 雷达截面的大小反映了粒子所造成的后向散射的大小
12、。雷达截面的大小反映了粒子所造成的后向散射的大小。 2 ( )( ) i s S S R = 2 4 s i SR S =4( ) = 23 说明：说明： 1 1、假想面积、假想面积 2 2、描述目标在入射功率一定下后向散、描述目标在入射功率一定下后向散 射功率的大小射功率的大小 3 3、散射截面以面积单位来描述。面积、散射截面以面积单位来描述。面积 越大，后向散射能力越强，产生的回波功越大，后向散射能力越强，产生的回波功 率也就越大。率也就越大。 24 雷达截面雷达截面的具体函数形式的具体函数形式： 对于普遍的球形粒子对于普遍的球形粒子 小球形粒子小球形粒子 2 2 2 1 |( 1)(21
13、)()| n nn n r nab = =+ 562562 22 4242 6411 | 22 rmDm mm = + 25 散射截面和雷达截面的区别散射截面和雷达截面的区别 散射截面：散射截面： 散射总功率与入射能流密度之比，散射总功率与入射能流密度之比，Qs Ps/Si 雷达截面：雷达截面： 假设各向同性散射，且都等于最大散射假设各向同性散射，且都等于最大散射 能流密度，能流密度，=Ss(max)*4R2/Si 雷达截面对雷达探测更具有意义。雷达截面对雷达探测更具有意义。 26 10. 10. 雷达反射率与反射率因子雷达反射率与反射率因子 雷达天线接收到的是雷达天线接收到的是一群云、雨滴一
14、群云、雨滴的后向散射功率的的后向散射功率的 总和。假定组成这群云、雨滴的粒子是互相独立、无规则总和。假定组成这群云、雨滴的粒子是互相独立、无规则 分布的，则这群粒子同时在天线处造成的总散射功率平均分布的，则这群粒子同时在天线处造成的总散射功率平均 值，等于每个粒子值，等于每个粒子散射功率的总和散射功率的总和。因此，定义。因此，定义 10.1 雷达反射率：雷达反射率： 单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和，并以，并以表示，表示， 常用单位是常用单位是cmcm2 2/m/m3 3，即，即 反映了反映了单位体积内一群云、雨滴在天线处造成的回波功率的单位体积内一群云
15、、雨滴在天线处造成的回波功率的 大小大小。由于降水粒子的后向散射截面通常是随着粒子尺度的增长。由于降水粒子的后向散射截面通常是随着粒子尺度的增长 而增大，因此反射率而增大，因此反射率大，说明单位体积中降水粒子的尺度大或大，说明单位体积中降水粒子的尺度大或 数量多，亦即可以反映气象目标强度大数量多，亦即可以反映气象目标强度大。降水。降水粒子的后向散射截粒子的后向散射截 面不仅取决于降水粒子本身，还取决于雷达的波长，所以相同波面不仅取决于降水粒子本身，还取决于雷达的波长，所以相同波 长的雷达所测得的反射率长的雷达所测得的反射率值可以相互比较，以确定气象目标的值可以相互比较，以确定气象目标的 差异差
16、异。但是，。但是，用用不同波长的雷达所取得的不同波长的雷达所取得的值不能通过直接比较值不能通过直接比较 来了解云、雨情况是否存在差异。来了解云、雨情况是否存在差异。 = 0 dD)D()D(n 单位体积 i 27 反射率因子反射率因子Z Z值的大小，反映了气象目标内部粒子的尺度和数密度，值的大小，反映了气象目标内部粒子的尺度和数密度， 常用来表示气象目标的强度。由于反射率因子常用来表示气象目标的强度。由于反射率因子Z Z只取决于气象目标本身而只取决于气象目标本身而 与雷达参数和距离无关，所以不同参数的雷达所测得的与雷达参数和距离无关，所以不同参数的雷达所测得的Z Z值可以相互比较。值可以相互比较。 10.2 雷达反射率因子雷达反射率因子 Z Z的大小只取决于云、雨滴谱的情况的大小只取决于云、雨滴谱的情况，与粒径的，与粒径的6 6
