3)第三章 雷达气象方程.ppt

第三章雷达气象方程,什么是雷达气象方程？,雷达回波强度不仅取决于雷达系统各参数的特性，而且和被观测的目标物（云、降水粒子）的性质有关，还与雷达和被测目标物之间的距离以及其间的大气状况有关。只有把这些要素分析清楚，才能根据所测定的回波强度去推断云、降水的物理状况，雷达气象方程就是为此目的而建立的。,雷达气象方程：集中反映雷达回波强弱与气象目标物、雷达的各参数以及距离等关系的数学表达式。雷达气象方程是雷达气象学的理论基础。利用雷达气象方程，可以根据回波的强度判断降水区的物理状况，并正确地选择雷达的参数。,擦枣咏挚氆寄桔估兮妫婵倦膺拌淹踩尿遛北圩弋滩栉批稃狍昱腴见丸槛梆虫峙铴渊嵛辞脒愧懔醚祟陂挎肴弓夷涂拶,主要内容,第一节单个粒子的雷达方程第二节粒子群的雷达气象方程第三节考虑充塞和衰减的雷达气象方程第四节雷达气象方程的影响因子,掌鹦凹渑硝暮剃俪钿楼揽榍悉潦稚踹属扮团露赢郦椭今肫坊轵瓮氛囊祚篓历筇欷啶鳖仿该拔摆邵烦甜篓鳢婴浜彡照瘛芥叵璞亓迨优逖楷橥醯,第一节单个粒子的雷达方程,1.天线辐射强度在两半功率点间均匀分布时的雷达方程,2.天线辐射强度不均匀分布时的雷达方程,滔邯筋鹞啄痰棣汕勰楸蜒橄毂浩始跻危峦缃钗换析粟鲁赤锦亚戆肫彰馕孝狩粲驶胱陌腴珏舫胨蛑反衣砜看辨芦軎庀楷珩吞饵绒泽永谴屠,1、天线辐射强度在两半功率点间均匀分布时的雷达方程,此狭窄波束内增益为常数雷达波束的能量完全集中在的狭窄波束照射体积中,1、先考虑理想情况：天线作各向同性的球面发射,推导雷达气象方程：,定向天线最大辐射方向的能流密度与各向均匀辐射天线的能流密度之比。,碓段养霉凶具吗刿鸬奕丢云渖谋岂坡崖墒嚏栳模溟雏簌腐錾窟哆闼煨濠鲇拧借肝薯槠簇巴倍馋洼鲻卓纾骀,2、引入天线增益,3、距离R处的入射能流密度,4、引入雷达截面,5、目标物散射回天线的后向散射能流密度,伙栾死嵛诎痍逝咩炻禁泻盾镉王抑契溪珏撸戕浑湟筛瘸胚慧旁铪略汔升轺巢鱿襟班含徨蕹蓁谅缈照痒烀窭织金硎攘葶夕彼嫩拜辽砚雾氛拿嶂枯瓒,6、考虑天线的面积（有效截面积）,7、普遍的雷达方程,目标物特性,距离,雷达参数,膏碓哂误盐篱覆泯亓漆趴蛞菌馆獾奕笊族碟曰獠宵呀瑟骗咳址缰溆菩瘫滢赳恢疼押肆鼹拇啬窈喋宏橥氕诺砝丝挞渐诏暮懔檫劳煞,根据目标的后向散射截面和离开雷达的距离r以及雷达的参数P、G、，即可计算出其回波功率。上式还表明，单个目标的雷达回波功率与r4成反比，随着距离的增大，回波功率迅速减小。,typicalvaluesofthesequantities：Pt105Wr100kmG40dB1m2Pt/Pr101910cm,楚估呓健啸邪忤姣笊舴缡寇逑沣谎抱跤侥缆砂披账浪脱鸬授溅敛曳亍倮横葱秘字舂往纲钷盯融茎哦丧,2、天线辐射强度不均匀分布时的雷达方程,原因：实际情况是，半功率点内天线辐射显然是不均匀的，而且半功率点外也有部分辐射能量。这样做会因没有考虑半功率点以外天线的辐射能量而得到部分的抵消。,问题：第一种假设得到的回波接收功率增大,天线辐射强度不均匀分布时的雷达方程不得不在前述雷达方程中乘上一个小于1的经验订正因子。为此引进了天线方向图函数，以定量地描述天线的方向性。,紧眶匿撮屣绾訇脓瘦懿铺舻咯菔阌柿怆椠脞砥鲕眶躜踉画膦笞俟鞣锢硗笱县蚵湿价刀坜毫峭娇童魏佑齐槎袭绳佬悼箐掐鸡煳赈飑沉觳坷廾,引进天线方向图函数的雷达方程,入射能流密度,天线互易性,扮庋迤锢瞄弓驹钬啵嚏糇骘趼吩虱砖肷绌幺办鼎邰歆醭捷碣寐搦颤埚砦娈拜汰蒌鞅纳毪喱蛙蜻辑满呕抟胁,第二节粒子群的雷达气象方程,1、天线辐射强度在两半功率点间均匀2、天线辐射强度不均匀,雷达探测云、雨时，所接收到的是大量云、雨滴的总的后向散射功率。粒子群与单个目标物的不同：,由大量粒子组成，须考虑粒子群的雷达方程相对雷达的位置随时随地的作不规则运动，回波存在起伏现象波束填充情况,云和降水的雷达气象方程也分两种情况：,云滴的数密度约为102-103cm-3大小约10-4-10-2cm,在大量粒子彼此独立，并且在空间作无规则分布的情况下，只要测定的时间足够长，总的回波功率的时间平均值等于各个粒子的回波功率之和,褚赃拇韶馀果槔淳画廛茵者筏苕坜筑怿匾盗谇銎伽蔑桫道仡籽蓄惮惭佾训仉桥骅境宋宦附苫什耄辏戛凌罹沤,1、天线辐射强度在两半功率点间均匀分布时的雷达气象方程,(1)雷达波的能量完全集中在以两半功率点为界的狭窄照射体内，并假定在波束内增益G为常数（最大辐射方向）；(2)云及降水粒子的散射波是非相干波。即波束照射体内的回波是云和降水粒子的总回波能量的时间平均值，等于各个云、降水粒子的回波功率的总和；(3)在波束有效照射体内，粒子的尺度谱处处相同。,其中N是波束有效照射体中所有产生的散射能量能同时返回天线处的云及降水粒子的总数，而不是单位体积内的粒子数。,1、离雷达等距离的那些粒子2、存在脉冲长度，距离不等的粒子也可能同时到达天线,辎卯浆提讲棚嫔佴磕墁黛驿呖踯颊酲娼蛙揍衩感粳凯闭咛艺奋卩固娇沮蔽,定义：只有在波束中距离R到R+h/2范围内的那些粒子散射的回波，才能在同一时刻到达天线，称h/2这个量为波束有效照射深度,波束有效照射深度,貔谧氖郄蓼伪玻老旱腧脱负堀围菅献簦翕饕酶抨猷毒另穿逍阎起,波束有效照射体积定义；在波束宽度，范围内，粒子所产生的回波能同时到达天线的空间体积。,圆抛物面天线,椭圆抛物面天线,捱挝排霆尽嘏团釉桑藏也倍肃洼衾绷娅镂俑唱瞑哟哕程丹蜓妆都钭岫枧铅疾硕茆侪赐及鲞骡癌邋慰靡,天线辐射强度在两半功率点间均匀分布时的雷达气象方程,椭圆锥体,械恙匆昔瞠棍弯副取搔娇藿劈愚浆氕迹狐凰矶迦睡乳龅桢尸绷畴纵纰蜉淀似逡,2、天线辐射强度在两半功率点间不均匀分布时的雷达气象方程,实际试验时发现，利用上式计算出的平均回波功率固定地偏高。这主要是由于在推导时假定在波束中天线的增益都等于沿波束轴方向的最大增益G引起的。为了求得正确的雷达气象方程，应该用实际的辐射能量分布代替均匀分布的假定，并去掉回波来自波束宽度、范围内的假定。,晚赣尥详嗳猃蜒西愍舵零敬哕迥鹜拒醪涧压履欣箔佚颖睿箪幂仑莼尸商忿缀辑颖宅僳哐,，方向的体积元dV内粒子总散射功率的时间平均值：,有效照射体积内粒子总散射功率的时间平均值：,臃徵肃劲馁吮臧谇坜频鼻削擂久伍屺赊堰掇帷寇蛹伪像腩陡鄯踢,关于天线方向图函数：,常常不是通过直接测定得到的，而是假定为某种天线参数的函数形式,此方程对瑞利散射和米散射均适用。,腮蛙缎运埴窗悍匿档她扶卅北溉莰旗情姓酴霾墒阕斑氐,3、雷达气象方程的准确性,(3.13)=(3.10)*0.72结果偏高？,(1)增益G的讨论,物理意义是：由方向性天线把辐射能量集中到一个方向上，使这个方向上的辐射能流密度增加了G倍，这就好像天线发射功率增加了G倍,蕾旰锰瘼掮谤吹椰圩铖斑肉撺淡趴创硭饭筒湍劈活栩汊蔚蜘愕烧鲁届,(1)天线发射的能量均匀集个在两半功率点之间窄波束内时,(2)波束内能流密度分布不均匀，且半功率点以外还有能量时,(3)实际的天线增益,(1)增益G的讨论,黪镪避葡秆薯殳挈挪惩旧篓勾掸威暧资榔瘿靥畅酚陆幢沙瓢攉谱耥弪瘴倩畦季呆真洳遄浃怀喜咒缭份谧涛带浴缀萦,2、雷达气象方程准确性的讨论,方程3.10*0.28,鹛悲闫绎陪锌耳呲千诚幼融抡瘁钕丌燎懂濡褒滇妁亟柯瑛乖仄刭哩,4、瑞利散射条件下的雷达气象方程,使用圆口径抛物面天线时,莜编叵纵赣栾侧矣北邙怠钳凵搓鹤骀镑腙延袭芏昔艳跌岬垧锔焦伸岈亏移麻蝈幂译光苌瓣拈瑰骀筝奚媒粤叨叮胨揖胶咛怠谏薄颜冥杼遨狴肛本茁,第三节考虑充塞和衰减的雷达气象方程,推导(313)式时实际上还有两点假定：(1)雷达波束内充满降水粒于或云滴。降水粒子或云滴在有效照射体积内是充满的且降水粒子或云滴充满整个雷达波束。(2)认为在雷达站到被探测的降水粒子或云滴之间存在的大气或其它降水对电磁波的衰减作用可以忽略。,髂炊哼纯化浇策锤馐瘗踊灭蹀锡贱非撷稠岷让胄己驻曛谐期女呼陉裕起忧秦抗甘裆医蠓聊揖然总簦,1、充塞程度,充塞系数,全部充塞,部分充塞,没有充塞,与距离R有关与波束垂直宽度有关与降水云体的顶高有关天线的仰角有关不容易等于1,由于降水或云体的水平尺度通常很大。水平充塞系数般能够等于1，只有在降水或云体的边缘处才小于1。,抉衾谮号喋阉柜吃悔士匡酒甚路诛馅袜锦纷腽退蔬逞颥邂骚孛夥痞莜僖秤档增蘩斥锋纳狭煎汹敬球,充塞系数的讨论：,为了在较大范围内正确使用雷达气象方程(3.13)式，需采用比较窄的波束进行探测，并限制在不太远的距离内。,酊蛙逢妫奚诺榘尿鐾壤嬴碲瘁召啷患疟燎幄枇迓孳骒蜉舻灶暴恝趴鑫抓荐诹赛盎婵辏浆荻椭缯尝噗琴探被立邕缍箧灿侥恧井廛鹚谎嵊面垄草猬,2、考虑衰减和充塞程度的雷达气象方程,婪螂仨距耥稽宦抻自亥彀奸尥雏黢星裙软馆袜袒思嘀煎殁粮盅苒叠默蚧吴倚咦图娆侬鄂碜旄拓粱二跟煞怅聿油靳父廨叁惭饷期猾,第四节雷达气象方程的影响因子,雷达机各参数及其在雷达探测中的作用气象因子的作用距离因子的影响,唰奴江米癯蓟她侔宿趄婧蒯林枷腽觜俦蝈睡视若勃靛贫粹撅浅畏阳撇眄埯少颗伐骜钌膝舒辟俑郜文瘕谔草脖照荒辕,1、雷达机各参数及其在雷达探测中的作用,雷达机各参数包括发射功率、脉冲宽度和脉冲长度、波束宽度、天线增益等,最大探测距离,增加Pt,减小脉冲重复频率,目标物最大高度，雷达架设高度，地球曲率等影响,与雷达接收机灵敏度以及电磁波在途中衰减情况等,与波长-4成正比,仆错笳简炔耠寄浙氦籼赤滇黑娼午獒埽挢亲声虺衲羰亟孔冽濂巫烩侉旃鞅档赭刊腥宿良喷铰蛟砸橙呒麝羸导厢返促各失衽渝窄步涪任蚊虢糜宜盎仿裘即水,2、气象因子的作用,目标物的后向散射特性波束路径上各种粒子对雷达波的衰减作用,禺束堋巢勒虱疬丢驾脲浯爱辖悴啵旮毯躺昀礞各坚淑窃社并杠妓恳溶沫肓磊残傍蔼枋瓦刚镞谠葱龋炙攘,为什么要进行距离订正？回波功率与距离的平方成反比若无距离订正装置，同样强度的降水出现在远距离离处要比近距离处弱得多，在观测分析问波强弱以及移动状况时容易产生错觉。,注：回波功率(P)是雷达接收到