雷达探测大气的基础知识(散射)

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1、第二章雷达探测大气的基础知识2.1散射2.2衰减2.3雷达气象方程2.4折射2.5雷达的探测能力11、雷达探测大气的基础：气象目标的散射作用大气介质云降水粒子滴大气气体分子指数分布不均大气介质折射随粒子的相态、几何形状、大小、电学特性而异22、散射现象当电磁波传播遇到空气介质和云、雨质点时，入射的电磁波会从这些质点向四面八方传播相同频率电磁波，称散射现象。3光波的散射现象（1）夜间，日光灯照射到物体上，我们能够看到物体，是物体散射日光灯的光线。（2）天空乌云密布，仍然有部分光线，我们能够观察到，是光线在大气中散射作用形成的。（3）夜间我们能够看到事物，靠的是月光，月亮本身不发光，反射太阳光，

2、是散射作用的结果。4电磁波的散射目标物越多，散射也就越强.大雨滴将比小雨滴产生更强的信号。53、散射特性散射：只改变传播方向，不改变传播能量的形式。吸收：改变传播能量的形式（能量转化）。7电磁波的传播过程光速直线传播。碰到障碍物——漫反射－－没有方向性粒子对电磁波的散射：只改变电磁波的传播方向,不改变电磁波能量大小。粒子对电磁波的吸收：在粒子介质内部传播时，电磁波能量转换为热量，能量受到衰减。（雷达探测距离）8散射波的形成散射波：入射波照射到降水粒子上时，电磁波使降水粒子极化，感应出复杂的电荷分布和电流分布，它们也以同样的频率发生变化，这种高频率变化的电荷分布和电流分布向外辐射

3、电磁波，就是散射波。因此粒子在入射电磁波极化下做强迫的多极振荡，从而发出散射波。散射波是全方位，是不均匀的，各向异性。9散射的分类粒子散射电磁波的能力，除和电磁波的波长等因素有关外，和粒子的大小、形状、以及粒子的电学特性有关。当雷达波长确定后，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的相对大小。瑞利散射：d<<λ米（Mie）散射：d≈λ104.瑞利散射和米散射瑞利散射1871年Rayligh推出散射公式，粒子直径和入射波长d＜＜λ的小球形粒子散射。一般云滴、小雨滴对厘米波长的雷达波的散射可看作瑞利散射米散射1908年G.Mie推出均匀介质圆粒子对平行波散射的函数表达式。粒子直径和

4、入射波长d≈λ的大球形粒子散射。11几个重要的概念Z1、X坐标与极坐标系HφOθYEx2、能流密度S：单位面积单位时间内接收或发射的能量。能量/（时间×面积）3、散射总功率P：单位时间散射波的总能量。能量/时间4、折射指数：m=sin(入射角)/sin(折射角)125.散射函数或方向函数散射函数（方向函数）：为了研究散射能量的分布引入的量。假定粒子是各向均匀散射的：SiSs=β2R假定粒子是各向非均匀散射的：SiSs=β(θ,ϕ)2R意义：当入射波能量为单位能流密度，离粒子中心单位距离处的散射波能流密度在数值上就是但是量纲不同，是面积单位。135.散射函数或方向函数假设：1.产生

5、散射作用的粒子半径r比入射波长λ小得多；2.散射粒子的电学特性是各向同性的；3.散射粒子不带自由电荷；4.入射波是周期变化的平面偏振波；5.散射粒子不是导电体，复折射指数m不太大。瑞利散射时方向函数的函数形式：246216πrm−1222β(θ,ϕ)=(cosθcosϕ+sinϕ)42λm+2r：粒子半径m:折射指数λ:波长φ:任意散射方向与x-y平面之间的夹角θ:任意散射方向在x-y平面上的投影与入射波流密度方向之间的夹角145.散射函数或方向函数波长及粒子大小的相态一定时，λ，r，m都是常数246216πrm−1222β(θ,ϕ)=(cosθcosϕ+sinϕ)42λm+2β

6、(θ)=Ccos2θ（在x-y平面上，φ=0°）在θ＝0或180°时，β有最大值，粒子的前向散射和后向散射为最大在θ＝90或270°时，有最小值，并且等于0，粒子无侧向散射155.散射函数或方向函数瑞利散射方向性图165.散射函数或方向函数瑞利散射时的总散射功率SiS=β(θ,ϕ)S2R2462Si16πrm−1222=(cosθcosϕ+sinϕ)242Rλm+2瑞利散射的特征4粒子散射能力与λ成反比。波长越短，散射越强6粒子散射能力与D成正比。粒子半径越大，散射越强粒子前向散射和后向散射为最大，粒子无侧向散射。散射截面为纺锤形。176.散射截面用来表示粒子的总散射能力的一

7、个量。表示：凡射到这个截面上的入射波能量都被散射掉了，入射波在原前进方向上的能量将因粒子散射而减少，单位时间内减少的能量是：Q•SSi瑞利散射时，散射截面的大小与粒子的物理性质、半径、入射波波长有关。SiP=SdA=β(θ,ϕ)dAS∫∫S∫∫2RP=Sβ(θ,ϕ)dΩSi∫4πQ=β(θ,ϕ)dΩS∫4πP=Q•S量纲是面积SSi187.米散射2πrα=>0.13瑞利公式不适用λ假设：粒子是球形的，