第2讲气象目标特征

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1、电子工程学院大气探测学院第六章 气象雷达信号处理基础（二）气象目标特征 1.气象目标散射现象及散射特性2.后向散射截面3.单个小球形粒子的散射瑞利散射4.单个球形粒子的散射米散射（Mie散射）5.粒子群的散射6.球形水滴和冰粒的散射7.晴空回波的散射和反射机制8.雷达电磁波及其传播环境9.衰减气象目标对电磁波的散射 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。散射波入射波散射开来的电磁波称为散射波 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： 当交变的入射电磁波遇到直径与波长可比拟的

2、介质球时，在介质上因极化而产生交变复杂的电荷分布，并存在复杂的电荷梯度及电流分布，介质球就产生磁效应。交变的、复杂的电和磁的变化，可以用电和磁的多极子表示，多极子的振荡过程，就是介质产生散射波的过程。空间某一点上的散射电场，就是各阶极子在该点产生的场的叠加值。 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极化下作强迫的多极振荡振荡，从而发出次波（散射波）。 粒子对电磁波的散射只改变电磁波的传播方向,不会改变能量大小. 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衰减 散射特性取决于电磁波波长电磁波波长和粒子等效直和粒子等效直径径d d的比例关系。的比例关系。 当粒子为d的小

3、粒子时的散射,称为瑞利散射,当d的大球形质点的散射,称为米散射。n设有一理想的散射体，其截面为 ： n 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。 22( )( )44:.:.:iSSiiSSSSrrSSSr则有:到达降水粒子的入射波能流密度粒子后向散射到雷达天线的能流密度粒子到雷达的距离 由于实际粒子不是理想的散射体，所以粒子的后向散射截面积不等于它的几何截面积。通常小于几何截面积。 后向散射截面与几何截面的比值称为标准化的

4、后向散射截面，用 表示b1b后向散射截面后向散射截面常用来表示雷达观测中向后方的散射能量，或回波强度。说明说明：1.假想面积2.描述目标在一定入射功率下后向散射功率能力的量。3.该量以面积单位来描述。面积越大，后向散射能力越强，产生的回波功率也就越大。雷达目标1目标2雷达发射功率及天线增益相同，如果目标的等效散射截面积不同，则后向散射强度不同，即目标2的回波强度大于目标1的回波强度 是复折射指数；n是普通的折射指数，K是吸收系数ra2iKnm可见，Rayleigh散射时，散射截面的大小与粒子的物理性质、粒子半径r、波长有关。225622264221281213232irmmamm瑞利散射是对于

5、瑞利散射是对于d的小球形粒子的散射的小球形粒子的散射。当满足瑞利散射条件时，散射截面积可由下式表示：n对于瑞利散射而言，a0.13时，用瑞利公式计算会产生误差，a越大，瑞利散射误差就越大。 Mie散射建立了包括大，小粒子在内的普遍的球形粒子散射理论。 （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。（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；大部分能量集中在0度附近的方向上，a越大，

6、向前散射的能量占全部散射能量的比重越大。（5）散射波性质与入射波波长、散射粒子 半径r、粒子及环境的物理特性等有关。 （ ）aa=1（ ）ba=3粒子群散射造成的回波功率的脉动 表现特征：表现特征： 在PPI显示器上，表现为这种涨落使降水回波边缘显得模糊。 雷达波长越小，波动性越大。 原因：原因： 由于散射能量同时到天线处的许多降水粒子之间相对位置不断变化，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。 探测云时也有同类情况，但回波的脉动要弱。 各粒子的散射波符合叠加原理 合成回波的场强 ： 通过以上的分析可知，粒子群内各粒子之间的无规则运动，导致粒子群造成瞬间的回波功率脉动。

7、个回波的初相是第iRtEkRtEtEiiNiiiNiii:2)cos()cos()(11 2 2、平均回波功率、平均回波功率 粒子群造成的回波功率对时间的平均值是较稳定的，在数值上等于每个粒子各自产生的回波功率的总和。 该式说明：在一个体积块内，N个粒子回波功率的时间平均值，等于各个粒子的回波功率的和。 为了得到比较稳定的数值，只需要对回波功率Pr进行时间上的平均。NiimrEP12各粒子回波功率之和 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 米散射的后向散射函数：普遍的球形粒子

8、 其中，an、bn为散射场的系数 212)(12() 1(41)(nnnnbank2k 以入射波能流密度Si乘上雷达截面积 ，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。 因此可以从粒子的雷达截面积的大小去了解它所造成的后向散射的大小。24624225624220.13161( )24( )1,3222rarmmDmmniKm 在时代入中同式瑞瑞利利散散射射经过距离R散射到天线处的散射能流密度为：)()(2RSSiS2( )4( ):, :4( )SiSiSRSSRS 从粒子发出的各向同性散射功

9、率到雷达距离入射波功率所以，24624225624221161( )24( )1,2rarmmDmmniKm 在时代入中瑞利散射下瑞利散射下的雷达截面的雷达截面计算公式计算公式 雷达反射率反射率:单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和。iNii功率大小子在天线处造成的回波反映单位体积内气象粒大小在天线处的回波功率的反映一个粒子后向散射:1引进反射率的概念不仅是为了考虑单位体积内的云、雨粒子的数目，还考虑到它们的滴谱的分布造成的每个粒子回波截面积的不同。iKnmmmDmmr,212164222465222465单位体积内的粒子数粒子密度大小在天线处的回波功率的反映一个粒子后向散射:)(:)(21)

10、()(06222450dDD，nndDDDnmmdDDDni雷达观测到的回波功率雷达观测到的回波功率Pr的均值是一个与气象粒子，雷达相关的物的均值是一个与气象粒子，雷达相关的物理量。不同的雷达、不同的距离上观测出的功率不相同。理量。不同的雷达、不同的距离上观测出的功率不相同。因此不能简单地通过回波功率来比较云、雨的不同。因此不能简单地通过回波功率来比较云、雨的不同。为了使不同波长的雷达所观测到的云雨等情况可以直接比较，使观为了使不同波长的雷达所观测到的云雨等情况可以直接比较，使观测回波与雷达无关，引入雷达反射率因子这个量测回波与雷达无关，引入雷达反射率因子这个量Zmm2224521关系:反射率

11、因子:06)(dDDDnZ所以，Z的大小取决于云、雨滴谱的情况，可以通过对云雨观测求得。也可以通过雷达气象方程求算。同时Z与D的六次方成正比，说明少数大水滴将提供散射回波功率的绝大部分。2 . N D i分 布6i1 .粒 子 大 小 分 布雨 滴 数 （）m/0.4m m3（）m/m m/0.4m m63ND i6i1 041 031 021 011 . 00 0 . 8 1 . 6 2 . 4 3 . 21 041 031 021 011 . 0 / 与a的关系 MRMR2.01.00.30.030.10.31.03.010cm3cm1.7cm0.9cm=RMara2 云滴半径：只有510