毫米波频率下冰晶粒子散射特性的研究

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1、毫米波频率下冰晶粒子散射特性的研究1212112王金虎葛俊祥杨泽鑫魏鸣1南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏南京2100442南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室，江苏南京210044摘要：基于有限元、矩量法以及离散偶极子近似理论对球形冰晶粒子的散射特性进行了研究，考虑到卷云中常见的粒子为六角棱柱以及六角平板，故利用基于有限元的HFSS软件以及基于矩量法的FEKO软件对其散射特性进行了计算，给出了具体尺寸下非球形冰晶粒子的后向散射值以及散射的方向图，得到的单个粒子的散射数据可作为气象工作者验证散射算法的参照。关键词：FEKO，HFSS，离

2、散偶极子近似，卷云，94GHz1引言大气高层的卷云（冰晶云）的分布具有全球性。一方面卷云反射或散射太阳的短波辐射，另一方面卷云吸收地表和大气发射的长波辐射，因此它在调节大气的能量收支平衡方面起到了关键的作用，但是在理解和预测全球气候系统变化的研究中，卷云的辐射仍然是一个尚不[1][2]能精确确定的因子。对云的探测方式有多种，常见的如卫星、天气雷达、激光雷达、云高仪、微波辐射计以及全天空成像仪。相比于这些仪器，毫米波雷达具有较高的灵敏度和分辨率，能够探测云的内部物理结构，连续地检测云的垂直剖面变化，因此更适合对卷云、海洋性边界层云以及中[3]纬度气旋进行监测。为了利用毫米波云雷达的回

3、波特性评估冰云，必须对毫米波波段云中冰粒子的散射特性进行理论计算。云中冰晶粒子并非为标准的球形粒子，形状大致分成六棱柱、中空六棱柱、[4]板状、子弹花瓣状、聚合体、过冷水滴。在冰云辐射特性的数值研究中，这些方法的计算量大、计算时间长，所以在冰云辐射特性及参数化的研究中多采用等效球理论，但是利用等[5]效球理论计算卷云中的非球形冰晶粒子必然存在着误差。目前对于非球形的粒子多采用数[6][7][8][9][10]值的方法，如FDTD、DDA、T矩阵等，这些方法的优缺点可以参考相关的文献。但是这些数值方法的理论比较复杂，需要较强的数值计算能力和电磁场理论，因此利用一些[11][12][1

4、3]商业软件如XFDTD（基于时域有限差分）、HFSS（基于有限元）以及FEKO(基于矩量法)对卷云冰晶粒子的散射特性进行研究不但简单方便，数据可靠，而且便于工程实践。FEKO是目前国内外比较流行的电磁场高频计算软件，其核心算法是矩量法（MOM）。对于金属的目标物，首先计算导体表面的面电流分布；对于介质体，首先计算其表面的等效面电流和等效的面磁流。求得这些参数之后就可以计算近场、远场、RCS、方向图等一些散射[13][12]特性参量。HFSS则是基于电磁场有限元（FEM）分析微波工程问题的三维电磁仿真软件。目前国内的陈德喜等人利用FEKO软件对正方形导体平板、理想导体二面角、带翼立

5、方体、[14]飞机模型进行了RCS的仿真研究；李振等人利用FEKO对金属导体球以及介质涂覆金属导[15]体球的RCS进行了仿真。但目前还没有相关的中文文献介绍如何利用FEKO软件以及HFSS软件对卷云冰晶粒子进行散射特性的计算。因此本文将在94GHz频率下利用这两类软件对卷作者简介：王金虎（1987-），男，博士研究生，主要从事电磁散射、雷达系统研究，邮箱地址：goldtigerwang@nuist.edu.cn；葛俊祥（1960-），男，教授，博士生导师，主要从事雷达系统、微波毫米波与天线技术、电磁散射与绕射理论的研究资助项目：2011年国家科技部公益性（气象）行业专项毫米波

6、云雷达关键技术研究（GYHY201206038）；2013年国家自然科学基金毫米波MIMO雷达云闪烁抑制及云内参数反演研究（61372066）；江苏省2012年度普通高校研究生科研创新计划（CXLX12_0500）江苏省信息与通信工程优势学科云中常见的六角棱柱以及六角平板粒子进行散射特性的研究，为气象工作者提出的粒子散射算法验证提供数据支持。2FEKO以及HFSS的基本原理及其在散射中的应用[13][16]FEKO的核心算法为矩量法，其基本的原理可参考经典的著作。利用FEKO完成卷云冰晶粒子散射的计算流程如图1所示：图1FEKO软件计算冰晶粒子散射的流程框图[12]利用HFSS计算

7、粒子的散射问题的流程一般如图2所示：图2HFSS软件仿真粒子的流程为了验证流程的可靠性，我们首先利用FEKO，HFSS以及DDA（离散偶极子近似）计算了球形冰晶粒子（94GHz频率下粒子的复介电常数为3.1755+j0.0096）的后向散射特性，结果如表1所示：2表1HFSS与DDA以及FEKO计算球形冰晶粒子后向散射截面结果的对比（单位：dBm）球的直径1um10um30um50um75umHFSS-241.2244-180.4788-154.4270-140.80