机载雷达探测数据仿真平台设计与实现

的后 向散射能量 ，该能量 的大小与雷达的波长、
水成物粒子在大气 中的相态、大小 、空间取向、
报业务 中广泛使用 的常规地基天气雷达 ，对含有
大水滴的浓密云区有一定的探测能力 ，主要是用 于雨 区观测 ， 不能对水成物粒子较小的薄云或非 降水 云进行有效探测［，毫米波气象 雷达则可以 ４ 】 弥补这一缺陷，可 以有效地探测薄云 以及非降水 云内粒子群 的雷达 回波和速度的空间分布特征［ ５ 一
：
． ２ ｅ ｘ
（
（） １
式 中 Ｐ是雷达发射功率 ， 是雷达波长，Ｇ 、 ｔ 、０ 妒 ｈ 、 分别是雷达天线增益、水平波束宽度 、垂直 波束宽度 以及脉冲宽度 ， 是距离 处的衰减系 数 ， ） Ⅳ 为单位体积 内直径在 ［ Ｄ ｄ ］ 围内 Ｄ， ＋ Ｄ 范 的水成物粒子个数 ，盯Ｄ 为直径为 Ｄ的粒子雷达 （）
结构 框 图 、运行 环境 、编 程语 言及 程序 结 构 ，并
与国外 Ｑ ｉ ｂ ａ ｔ１ ｕｃ ｅｍ 软件进行简要的功能对 比。 ｋ
分析中考虑可能发生的影响因素 ，并有助于在多
源探测 资料融合中利用其他来源的大气环境资料
２ 云降水雷达观测和衰减订正理论
２１ 雷达气 象 方程 ．
来进一步提高从雷达资料反演未知信息的精度。
Ⅳ（ ＝ａ Ｄ） Ｄ （７ １）
那么水成物含量与空气的混合比为：
Ｄ
， 且用来计算水成物粒子的米散射特
ｒｔｏ＝ ａｉ
Ｄ ｄ
＝
叫 ｍ
：
Ｄ ｌ＋） ｄ ＋ ｆ ｂ １
竺！ ！ ：
２４ 水 成物 滴谱 ．
Ｐ （＋ ＋ ａ１ ｂ ）
Ｓ Ｒ Ｄ可 以选用修正伽马分布、 ｉ Ａ ｍ 指数分布、 幂 函数分布 、均匀分布等四种分布 函数中的一种
令Ⅳ ： ｎ —
Ｆ １・ （ ）
， ： ， 若已知 。 、 ０ ［ Ⅳ 或 、
对含有空气 的非纯冰晶和外包水膜冰球这两 种混合相态的水成物 ， 其混合物的复折射指数 ｓ
采 用 Ｂ ｕｇｍａ ［］ 法解 出 ： ｒｇ ｅ ｎ１方 ７
ｒ ｉ，由公式（ ） １） ａｏ ｔ １ 、（６即可得到单位体积内直径 ５
米散射条件下雷达截面表示为： （ ： Ｑ 。 ． Ｄ： Ｄ） ｂ ７ 。 ｃ
尼） （ （： ） ‰（＋ ）
式中 。 以 Ｌｅｅ 是 ｉ 模式 ｂ 系数 ，水成物衰减 数 ｙ可以表示为： ｄ
（ ８ ）
（ ９ ）
为参考的大气衰减
式 Ｏ 标 化 向 射 面那 等 雷 中ｂ 准 后 散 截 ，么 效 达 。 为
件平 台，可在计算机上进行计算试验 ，研究多种
“ 假定” 条件下的雷达探测 回波特征和衰减订正方 案 ，有助于详细理解机载雷达 回波强度如何受复 杂的大气环境影响 ，以及促进在实际的雷达资料
垂直廓线 ，并可以对雷达 回波进行衰减订正 。下
面介绍 Ｓ Ｒ Ｄ软件平台的计算原理 、 ｉ Ａ ｍ 基本功能
本文按照云降水雷达观测和衰减订正理论［ １ ０
，
设计开发一种机载雷达探测数据处理仿真软
在不考虑粒子多次散射 ，假设云雨粒子为球
形 ，考虑云雨粒子对雷达回波衰减的情况下 ，来 自距离 处的回波功率 可以用雷达气象方程
表 示 为：
件 平 台 Ｓｍ Ａ （ｉ ｕａｎ ａ ｂｒｅ ａａ ｉＲ Ｄ Ｓ ｌ ｉ ｍ ｔ ｇ ｉ ｏ Ｒ ｄｒ ｒｎ ｄｔ ｔ ｎ ｎ ａ ｏｅｓ ｇ， ｅ ｃｏ ｄ ｔｐ ｃｓ ｎ ） 通过输入雷达发射 ｅｉ ａ Ｄ ａｒ ｉ 频率 ， 大气状态参数和大气中水成物粒子的相态、 分布、含量等特征 ， 即能够模拟任意波长（ 前主 目
文章编号 ：１０ －９ ５２ １）４０ ５ —７ ０ ４４ ６ （０２０ —５ ７０
机 载雷达探测数据仿真 平 台设计与 实现
纪 雷 １ ，王振会 １ ，黄 兴友 ２ ， ２ ， ２ ，滕 煦 ２ ， 赵凤环 ２ ，吴彬 ２ ，张培 昌 ２
（． １ 南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室 ，江苏 南京 ２ ０４ ； １０４ ２ 南京信息工程大学大气物理学院，江苏 南京 ２ ０４ ） ． １０ ４
展这项研究 ，建立雷达探测数据仿真平 台，对于 探讨机 载云雷达 的各种性能与大气环境（ 尤其是
收 稿 日期 ：０００ ９ 修 订 日期 ：２ １－０２ ２ １．８０ ； ０ １１—８ 资 助项 目：国家高 技术 研究 发 展计 ￣（６ 、２ ０ Ａ ６ ９ １；国家 自然 科学 基金 （０ ７ Ｏ６；教 育部 高等 学校 博士 学科 点专 项科 研基 金 Ｊ １８３ ０ ７ Ａ０ １０） ４ ８ ５ １）
（） ６
ｙ＝ Ｉ （孚ｌ Ｄ ）
式 ｍ
．
篓
（ ３ ）
（） ４
媚 粹盱 透 舨 欺
（ ） ＝ｅｐ一 （） ｘ ［２ ｄ ］
（） ７
复折射指数 ， 那么雷达反射率因子 ｚ即
田 ．
式 中衰减 系数 ｋ 表示 为 ：
ｚ』ＤＤ Ⅳ ）。 （’们
（８ １）
式中 Ｊ Ｄｄ ｎ ［ ） … ｏ 分别为水成物粒子的最大、最小 ｗ
直径 。若 已知 。 、ｂ ａ ｏ ｃ 、 、ｒｔ ，由公式（７、（８ ｉ １） １） 即可得到单位体积 内直径在 ，Ｄ ｄ ］ 围内的 ＋Ｄ范
粒子 个 数 Ｊ ） Ｖ 。
来描述水成物滴谱 。
２４１ 修 正伽 马 分布 ．． Ⅳ（ ＝ ， Ｄ） （ １
雷达 回波衰减主要由水成物的吸收和散射衰 减与大气 的吸收衰减构成 。当波长较长时 ，大气 衰减可 以忽略 ，但在毫米波波段则需要考虑大气 中的水汽和氧气的吸收衰减［］ ＂。雷达实际探测 回 波值（ 雷达 回波测量值） 可以表示为 ］ ¨：
截面，瑞利散射条件下雷达截面表示为：
（） ｒｒ ・（） ＝Ｚ （）
（０ ６ ３００ ） 同资 助 ２ ０ ００ ０２共 通 讯作 者 ： 雷 ，男 ，安徽 省 人 ，硕士 ，研 究方 向为大 气遥感 科 学 与技术 。Ｅｍａｌｃ ｂ ｉ＠１６ｔｍ 纪 — ｉ ｌ ｂｎ ２ ． ：ｕ ｏ
热
带 气
象
学
报
云的类型和特征） 的关 系是有帮助的。 利用仿真软
要 为 毫米 波 段 ） 载 或 地 基雷 达 的 回波 及其 衰减 机
空 密 过 气 数 算 到 Ｐ ｌ 气 度 通 大 参 计 得 ：ａ ＿
雷达探测 回波强度的影响 ，以便于在回波强度分 析处理中对各因素有正确的估计 。目前 ，我国正 在进行机载多普勒天气雷达研究 ，为了更好地开
常规地基天气雷达主要探测进入其观测区的天
气系统 ，而机载和星载天气雷达 由于灵活机动 ， 可 以弥补地基雷达 的这一缺陷。由于机载多普勒 天气 雷达可 以对 天气系统进行 灵活和精细 的探
在 ，Ｄ＋ Ｄ］ 围内 的粒 子个 数 Ⅳ ） ｄ 范 。
２４３ 幂 函数 分 布 ．＿
￣ ａ（ 箍 １ ＇ｖ１ １＋ －Ｉ ￣－ ０（ １ ）
式中 ｓ和 ｓ为两种成分的介电常数 ， 为第一种 － ： 成分在混合物中占有的比例 。混合物的复折射指 数 ＝
性。
幂 函数分布表达式为：
‘
ｅｐ一 ）（２ ｘ（ １） ２４４ 单 一分 布 ．．
水成物粒子大小单一：
Ｄ＝Ｄｏ （９ １）
式 中 厂 （ 是伽马函数 ，ｙ为参数 ，粒子特征直径 ）
Ｄ
． ， 为平均直径 ，Ｍ 为粒子总的
“ ’ Ｉ ＋１ （ ）
那么水成物含量与空气的混合比为：
ｒ ｔｏ： ａｉ
。
分布以及含量有关 。在实际雷达探测 中水成物的 性质和滴谱及其空间分布都是未知的，测 出的回
波强度与水成物的特征也不是一一对应 ， 不同谱 、
不 同特性 的水 成 物 的 回波 强 度可 以是 一样 的 ，正
是 由于 这各 种“ 知和 变化” 未 都会 影 响“ 回波 强
度” 所 以， ， 有必要研究诸多因素中各因素对机载
过输入 雷达发射频率 ，大气状 态参 数（ 高度 、气 压、气温 、相 对湿 度） 以及水 成物相态 、滴谱分 布、含量等信
息 ，使用云 降水雷达 观测 和衰减订正理论进行计算 ，可 以模拟 出水成 物的雷达 回波强度以及水成物和大气衰
减 的垂直廓线 ，并且 可以对雷达 回波进行衰减订正 。 关 键 词 ：ＳｍＲ ｉ ＡＤ；机载毫米波雷达；衰减订正 ；云探测 ； 拟仿真 模
文献标识码 ：Ａ Ｄｏ：１．９ ９ ．ｓ． ０ －９ ５２ １ ． ．１ ｉ ０３ ６ ￣ｉ ｎ１ ４４ ６ ．０ ２０ ０ ５ ｓ ０ ４ 中图分类号 ：Ｐ １ ．５ ４ ２２
测 ，以及探测数据具有很高的时空分辨率 ，国外
１ 引
言
从 １７ 年代就开始研 制机载多普勒雷达 系统 ［ ９０ ８ 一
数浓度。水成物含量与空气的混合 比为：
．
盟
ｐｎ
（） ２ ０
ｒ ｉ ａｔ ｏ
Ｎ ）（ ＝Ｉ Ｄ．Ｄ） Ｄ ＝ — — — — — （ ｍ ｄ ： — — ± ｒ １ 若 已知 ０ 、Ｄｏ ａｉ，由公式（９、（０即可得 — — ．！— Ｌ Ｊ ＿ １ ｌ ｊ ３ ｃ 、 、ｒ ｏ ｔ １） ２）
ｌ］ ２
。
云和降水在大气 系统中有着重要 的作用 ，对
大气辐射平衡有重要影响［ 卜 。云 的形成和发展 是产生降水的前提条件 ，是影响降水系统动力学 和微物理特性 的重要方面［。雷达探测是获取云 ３ ］ 降水宏观和微观结构的重要手段。 目前在气象预
机载云降水测量雷达通过 向气象 目 标物发射 电磁波能量脉冲 ，接收并计算大气 中水成物粒子
： —，