根据瑞利散射理论.ppt

第二章 雷达探测大气的 基础知识 3、散射特性 散射：只改变传播方向，不改变传播能量的形式。 吸收：改变传播能量的形式。 5. 散射函数或方向函数 散射函数（方向函数） ：为了研究散射能量的分布引入的量。 假定粒子是各向均匀散射的： 假定粒子是各向非均匀散射的： 意义：当入射波能量为单位能流密度，离粒子中心单位距离处的散射波能流密度在数值上就是 但是量纲不同， 是面积单位。 5. 散射函数或方向函数 瑞利散射时方向函数的函数形式： 瑞利散射时的总散射功率：雷达波长越短，离子半径越大，散射越强。 6.瑞利散射 方向性图 7. 散射截面 用来表示粒子的总散射能力的一个量。表示：凡射到这个截面上的入射波能两都被散射掉了，入射波在原前进方向上的能量将因粒子散射而减少，单位时间内减少的能量是： 瑞利散射时，散射截面的大小与粒子的物理性质、半径、入射波波长有关。 两个讨论题： 1.正在融化的球形粒子的散射（外包水膜） 2.正在融化的球形粒子的散射（冰水均匀混合球） * * 电子版（第二版） 2.1 散射 2.2 衰减 2.3 折射 2.4 雷达的探测能力 1、雷达探测大气的基础：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、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。 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。 WSR-88D Radar Imagery 4. 瑞利散射和米散射 瑞利散射 1871年Rayligh推出散射公式，粒子直径和入射波长 d＜＜λ 的小球形粒子散射。 一般云滴、小雨滴对厘米波长的雷达波的散射可看作瑞利散射 米散射 1908年G.Mie 推出均匀介质圆粒子对平行波散射的函数表达式。粒子直径和入射波长 d ? λ 的大球形粒子散射。 8. 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：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脉动现象。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。造成降水回波涨落现象的原因是由于同时散射能量到天线处的许多降水粒子之间相对位置不断发生变化，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。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。 理论研究发现：只要对回波功率Pr取适当的时间平均值，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。 球形水滴和冰晶的散射 9. 单个球形粒子的雷达截面(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(即θ＝π)的那一部分能量，这部分能量称为后向散射能量。因此，对探测云、雨等有意义的是粒子的后向散射。 对于普遍的球形粒子，根据米氏散射理论，其后向散射函数 对于小球形粒子，根据瑞利散射理论，其后向散射函数 经过距离R散射到天线处的散射能流密度 假设散射粒子向四周作球面波形式的各向同性散射，并以符号σ表示总散射功率与入射波能流密度之比，即 雷达截面 或 引入的意义：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。 雷达截面的大小反映了粒子所造成的后向散射的大小。 雷达截面σ的具体函数形式： 对于普遍的球形粒子 小球形粒子 10. 雷达反射率与反射率因子 雷达天线接收到的是一群云、雨滴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，等于每个粒子散射功率的总和。 10.1 雷达反射率： 单位体积内全部降水粒子的雷达截面之和，并以η表示，常用单位是cm2/m3即 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大小。由于降水粒子的后向散射截面通常是随