第六章 雷达信号处理(1)-目标传输特征

气象雷达原理与系统

电子工程学院

大气探测学院

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第六章气象雷达信号处理基础（一）

——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

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一、气象目标散射现象及散射特性

气象目标对电磁波的散射

粒子产生散射的原因

•散射波：粒子在入射电磁波极化下作强迫的多极振荡，从而发出次波

•粒子对入射电磁波的散射，只改变电磁波的传播方向，没有使电磁形式的能量转化为别的形式的能量•粒子散射电磁波的能力，和粒子的大小、形状、以及它的电学特性有关

散射波

入射波

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散射求解

•由于数学处理上比较困难，目前只能对圆球形、圆柱形、椭球形等少数几种几何形状比较简单的粒子的散射能做出精确的解析解•气象上云滴、雨滴等粒子一般可以近似地看作是圆球形或椭球形

•

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⏹设有一理想的散射体，其截面为：

⏹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。

二、后向散射截面-衡量散射能量

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22)

4()(r G P S t s πσπ=

9

22()()44:.

:.

:i S S i

i S S S S r r S S S r σππσππ=⇒=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后向散射截面，用表示b σ1

b σ≤

•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：

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。

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'

σσ

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

•当雷达波长λ确定后，球形粒子的散射情况

主要取决于粒子直径d和入射波长λ之比。

•对于d<<λ的小球形粒子的散射，称为瑞利

散射。

•d≈λ的大球形质点的散射，称为米散射

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•是复折射指数；n是普通的折射指数，K是吸收系数

λπr

a 2=iK n m -=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。

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5622264221281213232i r m m a m m πλσλπ--==++瑞利散射是对于d<<λ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：

对于瑞利散射而言，a<0.13

三、瑞利散射

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以3mm（直径）雨滴为例，不同波段的散射特性判断2,0.13r

a πλ=作为判据

0.3 3.140.314030.3 3.140.188450.3 3.140.094210c m c m c m c m c m c m

ααα⨯==⨯==⨯==X 波段

C 波段

S 波段

四、米散射

•当a>0.13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。

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•（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。

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（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，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λ、散射粒子

半径r、粒子及环境的物理特性等有关。

a a=1（）

（）

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b a=3

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小球形粒子的散射方向性图10cm 雷达测小于4mm 的雨滴；3cm 雷达测小于1.2mm 的雨滴

Mie散射理论参阅：

•大气辐射导论(第2版)丛书：

•作者：(美)廖国男郭彩丽周诗健

•出版时间：2004-10-1

•ISBN：7502938648

•气象出版社

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五、粒子群的散射

粒子群散射造成的回波功率的脉动

•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：

•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。

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