班-雷達氣象學(xué)

1、雷達氣象學(xué)雷達探測原理(2)南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院黃興友2015-09-21散射截面和球形里粒子大小的關(guān)系圖雷達探測回波原理單目標的雷達方程設(shè)雷達以Pt的功率各向均勻地向外發(fā)射電磁波，目標物和雷達相距R，則目標處的入射能流密度為 天線的匯聚作用：目標處的入射能流密度是各向同性輻射下的G倍，所以經(jīng)天線的匯聚放大后，入射能流密度為 單目標的雷達方程通常雷達接收的是的后向散射信號,如果目標的后向散射截面為b,截獲的入射散射功率為： 目標物受激而散射，在各向同性的散射情況下，到達雷達天線（距離R）的能流密度為：相對目標物的輻射信號，天線也是目標物，設(shè)天線的截面是Ae，則天線截獲的功率是 ： 單目

2、標的雷達方程天線增益G與天線截面之關(guān)系為： 聯(lián)立以上幾個方程，天線截獲的功率是 ： 單個小球目標的雷達方程半徑r的小球目標的Rayleigh 散射截面(后向)為：小球目標的回波功率為：多目標物散射情況的回波功率(1)處于同一徑向上兩個目標物的簡單情況：多目標物散射情況的回波功率(2)公式中的E1m, E2m以及kR1和kR2都看做常數(shù)，則可以設(shè)：則有：顯然，合成散射電磁波與入射電磁波頻率相同。回波功率與Em的平方相關(guān)，從前頁的公式可以看出，功率與兩目標物之間的距離有關(guān)。如果距離差是變化的，則總回波功率也變化。如果E1m和E2m相等，總功率可以是單目標回波功率的04倍。兩個散射回波的合成散射電場

3、為：多目標物散射情況的回波功率(3)多目標物散射情況的回波功率(4)N個目標物的回波情況其中，是第i個目標回波的初相位對于測雨雷達來說， 每個雨滴都是一個目標。風(fēng)和大氣湍流導(dǎo)致雨滴空間位置的變化，使得各個雨滴在不同時刻具有不同的初相位，因此回波功率隨時間變化，產(chǎn)生回波功率的漲落現(xiàn)象。多目標物散射情況的回波功率(5)回波信號的平穩(wěn)化-時間積分探測徑向上兩個目標物的最簡單情況進行時間平均多目標物散射情況的回波功率(6)由于余弦函數(shù)在一個周期內(nèi)的平均值等于零，所以如果積分時間合適，則有推而廣之，進行合適的時間積分后， N個目標物的回波功率就等于N個目標物回波功率之和。這個結(jié)論是測雨雷達探測雨滴群回波

4、強度的基礎(chǔ)之一。雷達氣象方程氣象雷達取樣體積# 注意為了保持距離R使用的一致性,公式中用R代替圖中r雷達氣象方程前面已經(jīng)得到結(jié)論，對于多個降雨粒子的情況，回波功率等于各個粒子的回波功率之和,雷達取樣體積中有很多近似小球形的雨滴.雷達氣象方程單個雨滴的回波功率為:在取樣體積V內(nèi),所有雨滴都會產(chǎn)生回波,假設(shè)單位體積中有n(D)個雨滴,總雨滴數(shù)為V x n(D),總回波功率為:雷達氣象方程考慮到天線輻射的不均勻性等因素,需對上述回波功率進行訂正,訂正因子約為1.6 (實際為1/(2ln2) ).公式中的復(fù)折射指數(shù)項, 對于雨滴, 約為0.93; 對于雪花, 越為0.19. 通常視為常數(shù),但隨溫度、電

5、磁波頻率而變化。定義雷達反射率因子Z (Radar Reflectivity Factor),為單位體積中所有小球直徑的6次方之和，則雷達方程為：雷達氣象方程簡化形式的雷達氣象方程，C0為雷達常數(shù)其中，反射率因子Z為：雷達氣象方程雷達參數(shù)的影響雷達常數(shù)：是雷達工作參數(shù)的綜合因子，代表雷達探測性能的一個指標。一般來說，雷達常數(shù)越大，探測弱回波的能力越強。 雷達工作參數(shù)的影響分析：Pt 越大越好，但就目前的器件水平而言，Pt有限。（脈沖壓縮技術(shù)） 越小越好，但會導(dǎo)致探測粒子的尺度變小，通常在高頻段，Pt 難以增大。(對Doppler雷達來說，小，則Vmax也變?。〨、 他們都與天線直徑和工作波長有

6、關(guān)。從雷達常數(shù)來看，似乎、越大越好,實際 雷達氣象方程雷達參數(shù)的影響上， 、大，則天線增益G進一步減小。綜合而言，天線直徑大，則增益G大、 、小，雷達常數(shù)大。但是，天線大成本高、架設(shè)難、近場距離大；數(shù)據(jù)處理量增大。、大（小天線），則目標的空間定位精度降低，取樣體積大，回波平均化空間大，不易反映降水系統(tǒng)的空間不均勻性。 脈寬 ，脈寬大，則雷達常數(shù)大，有利探測弱回波目標，但徑向分辨率會降低、雷達系統(tǒng)的功耗增大。如果減小脈寬, 可提高徑向分辨率,但降低雷達常數(shù)、增大了接收機帶寬的要求、增大了噪聲功率。雷達氣象方程復(fù)折射指數(shù)項：它與介質(zhì)的成分、溫度以及入射波頻率有關(guān)，下表反映雨水的復(fù)折射指數(shù)項數(shù)值：對

7、于干燥的冰晶（低溫），復(fù)折射指數(shù)項約為0.18。雷達氣象方程的涉及的術(shù)語關(guān)于后向散射截面稱為雷達反射率， Z是雷達反射率因子，注意它們的區(qū)別和聯(lián)系。單個小球粒子的后向散射截面單位體積內(nèi)雨滴群的總后向散射截面雷達氣象方程的涉及的術(shù)語雷達常數(shù)雷達參數(shù)的綜合，反映雷達的探測能力等效反射率因子在Mie散射情況下、利用瑞麗散射下的雷達方程得到的“雷達反射率因子”,用Ze表示。雷達氣象方程用雷達反射率因子表示的雷達氣象方程 用雷達反射率表示的雷達氣象方程 降水強度和回波強度非降水云粒子, Z 0.01 mm6/m3小雨, Z 100 mm6/m3大雨, Z 100,000 mm6/m3降雹, Z 1,000,000 mm6/m3降雨強度等級和Z的大數(shù)值范圍難以建立對應(yīng)