《陈爱军-02散射》由会员分享，可在线阅读，更多相关《陈爱军-02散射（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2019/4/19,1,Ch. 1 气象目标对雷达 电磁波的散射,2019/4/19,2,1.1 散射的基本知识,2019/4/19,3,电磁波基本知识的回顾(1),自由空间内传播的电磁波一般是平面波。它是一种电场与磁场相互垂直的横波（满足“右手螺旋”规则）。 电磁波具有波长(或频率)、传播方向、振幅、极化面（亦称偏振面，指电场振动方向所在的平面）四个基本物理量。 电磁波的基本特征 叠加原理 空间同时存在两个或两个以上的波源所产生的波时，每个波并不因为其它波的存在而改变其传播规律，仍保持原有的频率（或波长）和振动方向，按自己的传播方向继续前进，而空间相遇的点的振动的物理量则等于各独立波在该点激
2、起的振动的物理量之和。 根据波动的叠加原理，任何复杂的波都可以看成是正弦波或简谐波叠加的结果。,2019/4/19,4,电磁波基本知识的回顾(2),相干性 由两个（或两个以上）频率、振动方向相同，相位相同或相位差恒定的电磁波在空间叠加时，合成波振幅为各个波的振幅的矢量和，因此会出现干涉现象。 能产生干涉现象的电磁波称为相干波（一般单色波都是相干的）。 电波天线就是利用电磁波的相干性制成的。 衍射 如果电磁波投射在一个它不能透过的有限大小的障碍物上，将会有一部分波从障碍物的边界外通过，从而发生衍射现象。,2019/4/19,5,电磁波基本知识的回顾(3),极化 电磁波的电场振动方向的变化趋势。,
3、2019/4/19,6,散射,散射现象： 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： 大气介质：大气气体分子的散射，大气介质折射指数分布不均匀引起的散射与反射； 云和降水粒子：因相态、几何形状而不同。 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(散射波)； 散射时，粒子只改变电磁波的传播方向，没有能量损耗； 电磁波进入介质内部传播时，一部分能量会转化成热能，就会产生吸收，造成能量衰减；,2019/4/19,7,散射,粒子的散射能力与粒子的大小、形状、电学特性有关。 目前能对其散射做出精确解析解的只有少数几何形状比较特殊的粒子，如：圆球形，圆柱形，椭球形。 气象上
4、的云滴、雨滴等粒子一般近似地认为圆球形或椭球形。,散射的分类 当雷达波的波长 一定时，粒子的散射情况主要取决于粒子直径 d 与波长之比: 时的小球形粒子的散射，称为瑞利(Rayleigh)散射; 时的大球形粒子的散射，称为米(Mie)散射;,2019/4/19,8,散射方向函数(,),能流密度的量纲：能量/时间 面积； ：能量损耗系数；量纲：面积(m2)；,对于各向异性的散射粒子，则有：,对于入射能流密度 S i ，经一各向同性的散射粒子散射后，在以粒子为中心、半径为 R 的球面上任意一点所接收到的散射能流密度为：,任意散射方向,一般地，(,)的形式比较复杂，且不同散射粒子的函数形式不同。,2
5、019/4/19,9,Rayleigh散射时的(,),假设： 粒子半径远小于入射波长，即 ； 散射粒子的电学特性各向同性； 散射粒子不带自由电荷； 入射波是周期性变化的平面偏振波； 散射粒子不是导体，复折射指数 m 不大 一般地，云滴、雨滴对于厘米雷达波的散射满足上述条件。,当雷达波是平面偏振波时，瑞利散射在球坐标中的方向函数为：,2019/4/19,10,Rayleigh散射时的(,),对于(1.3)式，当入射雷达波长一定(即 为常数)，散射粒子的大小和相态一定（即 r 、m 为常数），则:,若 = 0 或 180，则 当 = 0 或 180 时： ，表明粒子的前向和后向散射为最大; 当 =
6、 90 或 270 时： ，表明粒子没有侧向散射。,2019/4/19,11,若 = 0 或 180，则 表明其在 Y-O-Z 平面内各向同性散射。,Rayleigh散射时的(,),2019/4/19,12,瑞利散射的散射能流密度,瑞利散射的方向函数为,带入散射能流密度的定义式,可以得到瑞利散射时的散射能流密度函数为：,2019/4/19,13,Rayleigh散射时的总散射功率Ps,将(1.2)式对整个球面积分，可以获得该粒子的单位时间内向整个空间散射掉的能量，即粒子的总散射功率：,令 则：,散射截面，量纲：面积( m2 ),在雷达气象学研究中，关心的是后向散射，即 = 180时散射能量的大
7、小。,2019/4/19,14,Rayleigh散射时的总散射功率Ps,凡是入射到Q s 这个截面上的能量，将被它全部散射掉，单位时间内散射掉的能量是Q s S i ； 反映了粒子散射能力的大小： 对于同样大小的入射能流密度，散射截面Q s 越大，单位时间内散射掉的能量越多。,的物理意义：,2019/4/19,15,瑞利散射的散射截面,瑞利散射时，散射截面Q s的大小与入射波长 、粒子半径 r 、自身物理性质( m )等有关。,将瑞利散射的方向函数,带入散射截面的定义式，即： 积分后，得到瑞利散射截面的表达式为：,2019/4/19,16,米( Mie )散射,引入 Mie 散射的原因 当 时
8、，采用Rayleigh散射的计算公式计算 ， ， ， 等时，会产生较大的计算误差。 Mie散射理论解释了普遍球形粒子（无论“大”、“小”）的散射机制。,Mie 散射的假设条件 球形粒子内外都不带自由电荷； 球形粒子不是导体； 球形粒子的内外介质均匀、各向同性（外介质一般为真空）； 入射电磁波随时间做简谐变化； 根据电磁场理论，可以得到球形粒子 Mie 散射的解析解。,2019/4/19,17,Mie散射,当入射波是平面偏振波时，球形粒子的散射有如下特点：,随着 的不同，其散射能量的分布略有不同：,2019/4/19,18,特点概述如下： 散射波是以粒子为中心的球面发散波； 散射波是横波，且是椭
9、圆偏振波； 散射波与入射波的频率相同； 散射波的能流密度是各向异性的，大部分散射能量集中在 = 0 附近的向前方向上，且 值越大，向前散射的能量占全部散射能量的比重越大； 散射波的性质与入射波长 、散射粒子半径 r 、粒子及环境的物理性质等有关。,Mie散射,2019/4/19,19,粒子群的散射,假设有两个散射粒子与天线排列成一条直线，它们散射回天线的电磁辐射分别为： ， 则两者在天线处产生的合成电场强度为:,表明由两粒子的散射在天线处叠加后，形成的合振动的振幅为 ，初相位为 ，频率仍与原来各粒子产生的回波频率相同。,2019/4/19,20,粒子群的散射,上述结论表明： 相位 可由 等常数
10、确定； 合振动振幅 的大小与两粒子之间的距离有关系，介于 与 之间。,2019/4/19,21,粒子群的散射,当雷达波束内有 N 个散射粒子存在，则散射回天线的辐射强度为：,，第 i 个粒子的回波初相位,实际探测时，云、雨粒子之间的相对距离（即 ）是随机的，并且在无规则地运动，所以粒子群产生的回波功率具有脉动性，且无法将瞬时回波功率与某一固定距离上具有一定谱分布的云、雨滴对应起来。,由于粒子群分布的随机性，在它们相互独立的情况下，粒子群产生的回波强度对时间的平均值就比较稳定了，且在数值上等于每个粒子各自产生的回波功率的总和，即,2019/4/19,22,1.2 球形水滴和冰粒的散射,2019/
11、4/19,23,雷达截面/后向散射截面,根据散射方向函数的定义式，即： 那么，距离 R 处的后向散射能流密度为,后向散射 散射粒子朝雷达（天线）方向的散射，即 方向（参照图1.2a）； 后向散射能量是对云雨探测最有意义的那部分能量。,2019/4/19,24,的物理意义： 入射能流密度 乘以这个雷达截面 ，得到的是这个散射粒子的总的散射功率 。,雷达截面/后向散射截面,假设散射粒子以 向空间作各向同性散射，则通过半径为 R 的球面的总散射功率为：,若以 来表示总散射功率与入射能流密度的比值，则：,的量纲为面积，故称为雷达截面或后向散射截面。,2019/4/19,25,雷达截面/后向散射截面,的
12、物理意义： 当散射粒子以这个总散射功率（ ）向空间作各向同性散射时，散射到天线处的后向散射能流密度（ ）正好与其在天线处造成的实际后向散射能流密度的大小一致； 当入射能流密度的大小一定时，散射粒子雷达截面的大小反映了其产生后向散射能力的大小， 越大，后向散射能量越大，产生的回波功率越大。,2019/4/19,26,雷达截面/后向散射截面,根据 Mie 散射理论，普遍球形粒子的后向散射函数为,2019/4/19,27,雷达截面/后向散射截面,当 时，满足瑞利散射条件，根据瑞利散射的方向函数 ，可以得到瑞利散射粒子的后向散射函数：,2019/4/19,28,雷达截面/后向散射截面,雷达截面的计算
13、满足瑞利散射条件时，获得相应的参数（参考教材P.10表1.1）后，直接由(1.25)式计算 ； 对于不满足瑞利散射条件的大雨滴、球形冰雹粒子，只能采用复杂的（1.24）式来计算其雷达截面（记为 ）。否则，产生的误差较大。,2019/4/19,29,雷达截面/后向散射截面,如何确定符合实际的 ? 根据粒子大小( )和雷达波长( ) ，根据(1.25)式计算出 ； 根据粒子大小( )和雷达波长( ) ，利用图1.7查得 ； 由 得到真实的雷达截面 。 观测结果表明：云滴的半径只有 （最大的也不过 ），所以一般情况下厘米波雷达对云滴，采用(1.25)式计算雷达截面是完全适用的； 雨滴的半径在 之间，
14、且 之间的居多，所以采用 5.6 cm 或10 cm 雷达测量雨时，对绝大多数雨滴也是适用的。,2019/4/19,30,雷达反射率,实际探测云、雨时，雷达天线接收到的是云、雨滴粒子群产生的后向散射功率的总和。假设这些云、雨滴粒子是相互独立、无规则分布的，则天线处接收到的总散射功率的平均值等于各个粒子的散射功率的总和。 定义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，以 表示，即：,2019/4/19,31,雷达反射率,引入 的意义和目的： 意义 反映的是单位体积内一群云、雨粒子在天线处产生的回波功率的大小； 单个云、雨滴粒子的雷达截面越大，产生的回波功率越大，对于单位体积内的一群云、
15、雨滴粒子， 越大，产生的回波功率也就越大。 目的 引入 后，不仅可以考虑单位体积内散射粒子的数目，而且可以考虑由于云、雨滴谱分布情况的不同造成回波功率的不同：,：直径介于 之间的云、雨粒子数。,2019/4/19,32,雷达反射率,(1.28)式表明：雷达反射率除了与单位体积内云、雨滴粒子群的情况有关之外，还与雷达的波长有关。 对于同一群云、雨粒子而言，使用不同波长的雷达探测时接收的回波功率将不同，无法由回波功率直接比较云、雨情况是否存在差异。因此，需要引入雷达反射率因子 Z 。,2019/4/19,33,雷达反射率因子,令,Z 的意义 Z 值的大小只取决于云、雨滴谱的情况（可以通过滴谱观测获得）； 引入 Z 之后，雷达方程可以简化成： 这样，由 雷达回波功率就可以方便地了解云、雨情况。 Z 正比于 D6，不仅粒子越大，Z 越大，回波功率也就越大；另一方面，少数大粒子可以产生回波功率的绝大部分。,mm,2019/4/19,35,引入等效雷达反射率因
