第三章 大气、云、降水粒子对雷达波的衰减 (2)
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大气、云和降水粒子对雷达波的衰减
衰减的基本概念
大气气体对雷达波的衰减
云、降水粒子衰减的一般论述
云对雷达波的衰减 雨对雷达波的衰减
衰减的基本概念
雷达接收到的回波强度不仅与被测目标物的物理特
性有关，还与雷达与目标物之间的大气状况有Байду номын сангаас。
衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象 介质：气体分子或液态、固态粒子 原因：散射和吸收
大气气体对电磁波的衰减
氧气的衰减特征：
温度下降，衰减逐渐增加 波长在0.7~10cm之间，吸收与压力的平方成正比
云、降水粒子衰减的一般论述
粒子的衰减描述 粒子群的衰减描述
粒子的衰减描述
吸收截面、散射截面、衰减截面
设在能流密度为Si的雷达波照射下，单位时间内单个云、 降水粒子从入射电磁波中吸收的能量为Pa,散射的能量为 Ps,衰减的能量为Pt。
用分贝/距离表示的衰减系数
R R 2 k L dR Pr 0 10lg 10lg e 2 4.343k L dR 2 kdR 0 0 Pr 0
Pr Pr 0 10
0.2
0 kdR
R
k=4.343kL，量纲为分贝/距离 k=kg+kc+kp，大气，云，降水造成的衰减系数
Qs P s / Si Qa Pa / Si Qt Qs Qa Pt / Si
单位时间内入射到该截面上的能量全部被散射、吸收 和衰减掉了，是对粒子散射、吸收和衰减能力的度量
标准化截面 上述截面与几何截面积πr2的比值。
粒子的衰减描述
吸收截面、散射截面、衰减截面 根据电磁场理论
衰减的基本概念
大气、云、降水粒子对雷达波的衰减作用
大气对雷达波的衰减主要是吸收作用（散射可
忽略）。对于波长大于2cm的雷达波，气体吸 收也很小，衰减一般也可忽略。波长在1cm附 近或探测距离较远时，气体的衰减作用仍需要 考虑。
云和雨滴对雷达波的衰减兼有吸收和散射作用。
云、雨对于10cm以下雷达波的衰减必须考虑， 尤其波长在1-3cm时，衰减影响严重。
dSi
dP a NP a dR A
Qa P a Si
dSi NQa dR Si
考虑所有不同粒子的吸收截面，则
dSi N i Qai dR Si R Si ln Ni Qai dR 0 S0 i
10 lg
R Si S 4.343ln i 4.343 Ni Qai dR 0 S0 S0 i
Pr0
衰减的基本概念
假设
pr0 ：没有大气衰减时的回波功率；
pr ：存在大气衰减时的回波功率。
pr pr0 K
P r K P r0
K是衰减因子，K<1，且与距离有关，使用不方便
衰减的基本概念
为了表征气体或粒子的衰减特性，引入衰减系 数kL。实验表明，接收功率随距离的衰减与接 收功率本身的大小以及距离成正比，
粒子群的衰减描述
吸收系数
当雷达波经过单位距离时
Si 4.343 Ni Qai S0 i Si ka 10 lg 0.4343 Ni Qai S0 i 10 lg
k 称为云和降水群的吸收系数。表示由于云和降水粒子吸收 造成的单位距离上的电磁波能流密度损失的分贝数。 分贝数表示的吸收系数的物理意义：单位体积内所有质 点吸收截面总和的0.4343倍。
大气气体对电磁波的衰减
• 水汽的主要吸收带： 1.35cm(22.235GHz)和 0.164cm(183.3GHz)
• 氧气的主要吸收带： 0.5cm(60GHz)， 0.253cm(118.8GHz)
一个标准大气压，20°C温度环境下
大气气体对电磁波的衰减
水汽的衰减特征：
当水汽含量保持不变时，衰减随温度降低是缓慢增加的 除了1.35cm波长附近，其他波长处水汽吸收和气压成正比 水汽吸收与水汽含量成正比
大气气体对电磁波的衰减
气体对雷达波的散射可以忽略。对2cm以上的雷达波，
吸收也可以忽略。天气雷达主要测量降水，基本不考 虑气体对天气雷达的衰减。但用mm波长探测时，气体 的衰减要考虑。
大气对雷达波的衰减还与湿度e、温度T、气压P有
关。P，e越大，气体衰减系数越大；T越高，气体衰 减系数越小。
吸收雷达波的大气气体主要是水汽和氧气。
d Pr 2kL PdR r
衰减系数kL
物理意义: 单位回波功率在大气中往返单位距离（2dR ＝1）所衰减的功率值 量纲和单位: 1/距离，m-1
衰减的基本概念
对前式从0到R积分可得
Pr Pr 0e
2 0R k L dR
K Pr 0
R
k L dR 0 K e 2
R
a
粒子群的衰减描述
散射系数
Si ks 10lg 0.4343 Ni Qsi S0 i
衰减系数
kt ka ks 0.4343 Ni (Qai Qsi ) 0.4343 NiQti
i i
雷达电磁波经过云、降水粒子的吸收和散射而造成衰减后的 回波功率
Pr Pr0 10
Pt 2 Qt Re (2n 1)(an bn ) Si 2 n 1
Ps 2 Qs Si 2
(2n 1)( a
n 1
2
n
bn )
2
Pa Qa Qt Qs Si
粒子群的衰减描述
吸收系数
假设单位体积的大气中含有N个粒子，在A×dR体积中有 A×dR×N个粒子，每个粒子吸收功率为Pa，总吸收功率dPa=Pa×A×dR×N。则由于粒子群吸收损失的能流密度：
0.2
0 kt dR
R
云对雷达波的衰减
云滴的衰减截面 云的衰减系数
2018/4/8
19
云对雷达波的衰减
云滴
衰减的基本概念
分贝(decibels)
P2 (dBP1 ) 10lg(P2 / P 1)
S波段雷达，平均峰值功率750,000W 接收机的最小可测功率1*10-14W 以1mW为衡量标准，则：
• 发射功率：10lg(7.5*105/10-3)=88.75dBm • 接收功率：10lg(1*10-14/10-3)=-110dBm
衰减的基本概念
大气气体对雷达波的衰减
云、降水粒子衰减的一般论述
云对雷达波的衰减 雨对雷达波的衰减
衰减的基本概念
雷达接收到的回波强度不仅与被测目标物的物理特
性有关，还与雷达与目标物之间的大气状况有Байду номын сангаас。
衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象 介质：气体分子或液态、固态粒子 原因：散射和吸收
大气气体对电磁波的衰减
氧气的衰减特征：
温度下降，衰减逐渐增加 波长在0.7~10cm之间，吸收与压力的平方成正比
云、降水粒子衰减的一般论述
粒子的衰减描述 粒子群的衰减描述
粒子的衰减描述
吸收截面、散射截面、衰减截面
设在能流密度为Si的雷达波照射下，单位时间内单个云、 降水粒子从入射电磁波中吸收的能量为Pa,散射的能量为 Ps,衰减的能量为Pt。
用分贝/距离表示的衰减系数
R R 2 k L dR Pr 0 10lg 10lg e 2 4.343k L dR 2 kdR 0 0 Pr 0
Pr Pr 0 10
0.2
0 kdR
R
k=4.343kL，量纲为分贝/距离 k=kg+kc+kp，大气，云，降水造成的衰减系数
Qs P s / Si Qa Pa / Si Qt Qs Qa Pt / Si
单位时间内入射到该截面上的能量全部被散射、吸收 和衰减掉了，是对粒子散射、吸收和衰减能力的度量
标准化截面 上述截面与几何截面积πr2的比值。
粒子的衰减描述
吸收截面、散射截面、衰减截面 根据电磁场理论
衰减的基本概念
大气、云、降水粒子对雷达波的衰减作用
大气对雷达波的衰减主要是吸收作用（散射可
忽略）。对于波长大于2cm的雷达波，气体吸 收也很小，衰减一般也可忽略。波长在1cm附 近或探测距离较远时，气体的衰减作用仍需要 考虑。
云和雨滴对雷达波的衰减兼有吸收和散射作用。
云、雨对于10cm以下雷达波的衰减必须考虑， 尤其波长在1-3cm时，衰减影响严重。
dSi
dP a NP a dR A
Qa P a Si
dSi NQa dR Si
考虑所有不同粒子的吸收截面，则
dSi N i Qai dR Si R Si ln Ni Qai dR 0 S0 i
10 lg
R Si S 4.343ln i 4.343 Ni Qai dR 0 S0 S0 i
Pr0
衰减的基本概念
假设
pr0 ：没有大气衰减时的回波功率；
pr ：存在大气衰减时的回波功率。
pr pr0 K
P r K P r0
K是衰减因子，K<1，且与距离有关，使用不方便
衰减的基本概念
为了表征气体或粒子的衰减特性，引入衰减系 数kL。实验表明，接收功率随距离的衰减与接 收功率本身的大小以及距离成正比，
粒子群的衰减描述
吸收系数
当雷达波经过单位距离时
Si 4.343 Ni Qai S0 i Si ka 10 lg 0.4343 Ni Qai S0 i 10 lg
k 称为云和降水群的吸收系数。表示由于云和降水粒子吸收 造成的单位距离上的电磁波能流密度损失的分贝数。 分贝数表示的吸收系数的物理意义：单位体积内所有质 点吸收截面总和的0.4343倍。
大气气体对电磁波的衰减
• 水汽的主要吸收带： 1.35cm(22.235GHz)和 0.164cm(183.3GHz)
• 氧气的主要吸收带： 0.5cm(60GHz)， 0.253cm(118.8GHz)
一个标准大气压，20°C温度环境下
大气气体对电磁波的衰减
水汽的衰减特征：
当水汽含量保持不变时，衰减随温度降低是缓慢增加的 除了1.35cm波长附近，其他波长处水汽吸收和气压成正比 水汽吸收与水汽含量成正比
大气气体对电磁波的衰减
气体对雷达波的散射可以忽略。对2cm以上的雷达波，
吸收也可以忽略。天气雷达主要测量降水，基本不考 虑气体对天气雷达的衰减。但用mm波长探测时，气体 的衰减要考虑。
大气对雷达波的衰减还与湿度e、温度T、气压P有
关。P，e越大，气体衰减系数越大；T越高，气体衰 减系数越小。
吸收雷达波的大气气体主要是水汽和氧气。
d Pr 2kL PdR r
衰减系数kL
物理意义: 单位回波功率在大气中往返单位距离（2dR ＝1）所衰减的功率值 量纲和单位: 1/距离，m-1
衰减的基本概念
对前式从0到R积分可得
Pr Pr 0e
2 0R k L dR
K Pr 0
R
k L dR 0 K e 2
R
a
粒子群的衰减描述
散射系数
Si ks 10lg 0.4343 Ni Qsi S0 i
衰减系数
kt ka ks 0.4343 Ni (Qai Qsi ) 0.4343 NiQti
i i
雷达电磁波经过云、降水粒子的吸收和散射而造成衰减后的 回波功率
Pr Pr0 10
Pt 2 Qt Re (2n 1)(an bn ) Si 2 n 1
Ps 2 Qs Si 2
(2n 1)( a
n 1
2
n
bn )
2
Pa Qa Qt Qs Si
粒子群的衰减描述
吸收系数
假设单位体积的大气中含有N个粒子，在A×dR体积中有 A×dR×N个粒子，每个粒子吸收功率为Pa，总吸收功率dPa=Pa×A×dR×N。则由于粒子群吸收损失的能流密度：
0.2
0 kt dR
R
云对雷达波的衰减
云滴的衰减截面 云的衰减系数
2018/4/8
19
云对雷达波的衰减
云滴
衰减的基本概念
分贝(decibels)
P2 (dBP1 ) 10lg(P2 / P 1)
S波段雷达，平均峰值功率750,000W 接收机的最小可测功率1*10-14W 以1mW为衡量标准，则：
• 发射功率：10lg(7.5*105/10-3)=88.75dBm • 接收功率：10lg(1*10-14/10-3)=-110dBm