雷达原理yzd.PPTVIP

第三章天气雷达系统设计要求和指标 散射普遍现象 瑞利(Rayleigh)散射 米(Mie)散射 有效反射面 气象粒子反射 反射率因子与气象雷达方程 3.1 气象数据遥测系统—雷达 雷达探测大气靠气象目标对电磁波的散射 散射成因：大气介质，云、降水粒子等 大气介质的散射包括： 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 雷达能探测和监测降雨、冰雹、暴风雪、飓风、龙卷风等重要及灾害性天气过程 天气雷达：激光、微波（X/C/S波段）、VHF、UHF、超声、无源被动雷达等 3.2 电磁波在大气中的传播 散射现象 散射现象：当电磁波束遇到障碍物，或在大气中传播，遇到空气介质或云滴、雨滴等悬浮粒子时，入射电磁波会从这些介质或粒子上向四面八方传播开来 散射开来的电磁波称为散射波 散射成因 障碍物——漫反射； 微粒——粒子在入射电磁波极化下作强迫的多极振荡，从而发出次波（散射波）。 电磁波传播中的吸收：能量——转换为热量，电磁波能量受到衰减 散射取决于电磁波波长λ和粒子等效直径d的比例关系 后向散射截面 设有一理想的散射体，其截面为：它能全部接收射到其上的电磁波能量，并全部均匀地向四周散射，若该理想散射体返回雷达天线处的电磁波能流密度，恰好等于同距离上实际散射体返回雷达天线的电磁波能流密度，则该理想散射体的截面就称为实际散射体的后向散射截面。 瑞利散射(Rayleigh) 对于d《λ的小球形粒子的散射 是复折射指数；n是普通的折射指数，K是吸收系数，散射截面： 米散射（Mie散射） d≈λ的大球形质点的散射 米散射条件： （1）粒子是球形的，粒子内外都不含自由电荷，散射粒子不是导电体； （2）粒子内、外介质是均匀各向同性的，粒子外介质一般是空气或真空； （3）入射电磁波随时间作简谐变化。 米散射性质： （1）散射波是以粒子为中心的球面发散波； （2）散射波是横波，且是椭圆偏振波； （3）散射波和入射波同频率； （4）散射波能流密度是各向异性的； （5）散射波性质与入射波波长λ、散射粒子 半径r、粒子及环境的物理特性等有关。 粒子群的散射 各粒子的散射波符合叠加原理 合成回波的场强 ： 平均回波功率 3.3 球形水滴和冰粒的散射 大气中气象粒子的尺寸分布——滴谱极广，因此散射归属不好确定 雷达回波为全部粒子散射的综合，难于得到完全意义上的解析公式和解析解 反射率（因子）与滴谱只有定性关系 雷达截面[或后向散射截面] 单个球形粒子的瑞利散射雷达截面： 米散射的后向散射函数： 其中，an、bn为散射场的系数 雷达反射率与反射率因子 雷达反射率: 反射率因子： 关系： 雨滴谱与Z 瑞利后向散射截面 和米后向散射截面 / 与a的关系 滴谱与雷达截面 云滴半径：只有5~10，最大也不超过50 雨滴半径：一般都在0.25~1.5mm之间，其中以0.35~ 0.45mm范围内为最多。也有大于2mm的，但当半径大于3mm时水滴有时会在气流作用下发生破裂 厘米波测雨雷达对于云滴，瑞利公式完全适用 C波段[5.6cm]和S波段[10cm]雷达，瑞利公式对绝大多数的雨滴也适用 3.2cm波长雷达，要订正 水滴半径在0.5~1.0mm内时，用瑞利公式计算的雷达截面误差不超过20%~30% 等效反射率因子 等效反射率因子?气象雷达方程保持瑞利散射的简单形式 球形干冰粒对雷达波的散射 瑞利散射:水滴散射是同半径冰粒散射的五倍 米散射: 大冰球粒子的雷达截面甚至比同体积水球大10倍,大冰雹时回波特别强 3.4 晴空回波的散射和反射机制 湍流大气对雷达波的散射 不同尺度的湍流块相当于具有不同间距的空间衍射光栅，而不同间距的衍射光栅对于不同的散射角上的散射能量有明显的贡献，也即恰巧可以在该方向上形成衍射的“亮点” 湍流大气对雷达波的反射率: L0是湍流外尺度；M是水平折射率的垂直梯度；a为一无量纲常数 大气的镜式反射 当大气中折射率水平分布比较均匀，而垂直方向存在很大梯度结构时，会引起雷达波的反射，这种反射称为费涅尔反射，也称作部分反射或镜式反射 对于两侧具有一定差值的过渡层而言，层越薄，或者波长越长，反射系数也就越大 3.5 气象目标的雷达方程 接收功率 ： 分贝表示反射率因子： 3.6 设计所要考虑的其他因素 影响气象雷达回波探测的因素： 衰减 距离----速度模糊度 地杂波 标准大气衰减 水汽主要的吸收带，水汽对雷达波的衰减还与水气密度、气压、温度等大致有如下关系： 氧气对雷达波的吸收 云的衰减 雨的衰减 雹、雾的衰减 雹的衰减： 雹的衰减是雨的l％，雪的衰减也很