6种粒子形状---基于HFSS的卷云冰晶粒子后向散射特性分析_王金虎

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1、基于HFSS的卷云冰晶粒子后向散射特性分析121211王金虎葛俊祥魏鸣毛宝婷王军（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，江苏南京210044；2、中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室，江苏南京210044）摘要利用HFSS软件对卷云6种形状冰晶粒子建模仿真得到后向散射截面，为了验证HFSS软件设置冰晶粒子材料属性的正确性，利用DDA软件计算球形冰晶粒子的后向散射截面，结果表明，94GHz频率下HFSS计算球形冰晶粒子的后向散射截面与DDA计算的后向散射截面结果相比最大相对误差不超过1.38%，故利用HFSS软件计算卷云中六角棱柱、六角平板、中空六棱柱、子

2、弹花环、聚合物以及过冷水滴的后向散射截面的结果是可信的，其仿真计算的流程和方法为气象粒子散射计算的工程应用提供便利。关键词：HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）；有限元；卷云冰晶粒子；RCS（雷达后向散射截面）；DDA（离散偶极子近似）1引言大气高层卷云的分布具有全球性，水平范围从几公里到上千公里，平均覆盖地球上空的20%-30%，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，对地球大气系统的辐射收支有着重要的调节和控制作用。卷云的辐射特性在国际[1]上是一个热门的课题，它的辐射特性对大气探测、气候遥感等领域

3、有着重要的研究意义。目前对云的探测手段主要有卫星遥感、天气雷达、激光雷达、云幂测量仪以及高空气球等。卫星遥感探测间隔时间长，空间分辨率低；天气雷达对浅薄云不敏感；激光测云雷达、云幂测量仪以及气球只能探测空间某一点的云信息。因此，常规的探测云手段虽然可以获取云信息，但是时间分辨率和空间分辨率都较低，不能探测云内部结构，难以准确反映时刻变[2]化的云参数信息。作为新型的云探测工具，毫米波测云雷达具有很高的灵敏度和分辨率，可以探测云的内部结构，弥补了常规云探测的不足。为了利用毫米波测云雷达的回波特性评估冰云，必须对毫米波波段云中冰粒子的散射特性进行理论计算，由于卷云中的粒子并非为简单的

4、球形，因此不能使用Mie公式，而需要利[3][4][5]用数值计算的方法来计算粒子的散射特性，如FDTD、DDA、T矩阵等。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，因此利用一些商业软件如[6][7][8]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。[9]综观国内文献，李振等人利用FEKO软件的EditFEKO对金属导体球以及介质涂敷金属资助项目：2011年国家科技部公益性（气象）行业专项毫米波云雷达关键技术研究（GYHY201206038）

5、江苏省2012年度普通高校研究生科研创新计划（CXLX12_0500）江苏省传感网与现代气象装备优势学科作者简介：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，邮箱地址：jxge@nuist.edu.cn[10]导体球的RCS（后向散射截面）,贾云峰等人利用FEKO软件研究了金属球以及黄铜带的RCS，[11]其计算的结果与精确解完全一致。陈德喜等人利用FEKO软件对平板、二面角等目标物进

6、[12]行了RCS计算，认为该软件能够方便快捷的解决目标RCS的计算问题。张可儿等人利用美国REMCOM公式开发的商用全波三维电磁仿真软件XFDTD软件对超宽带恒阻抗TEM喇叭天线进行建模并计算了天线指定点处的电磁场信息。然而目前还没有相关的中文文献资料介绍HFSS软件对气象粒子如卷云冰晶粒子的散射特性计算与分析，因此本文讨论HFSS在粒子散射计算中的可行性，并将其应用于卷云中复杂粒子的散射计算。2HFSS软件简介及其在散射计算中的应用HFSS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。HFSS以其无与伦比的仿真精度和可靠性、快捷的仿真速度、方便易用的操作界面

7、、稳定成熟的自适应网[7]格剖分技术，已经被广泛应用于航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等领域。利用HFSS计算粒子的散射问题的流程一般如图1所示：图1HFSS软件仿真粒子的流程3卷云冰晶粒子的分类冰晶粒子的形状和大小是多种多样的，随高度变化，它取决于温度、相对湿度以及在云[13]中是否经历了碰撞与合并过程,中纬度卷云冰晶粒子的典型尺度变化范围为10um~4000um[14]，Honggang在研究94GHz频率下非球形冰晶粒子的散射特性时将冰晶云的粒子分成了6种形状，包括六