分层均匀旋转椭球体对偏振电磁波的散射理论及数值计算

本文在旋转椭球坐标系中求解麦克斯韦方程,得到了二层旋转椭球体对偏振电磁波的散射解,并利用所得公式,给出了扁旋转椭球状表面附水冰粒对雷达波散射的数值计算结果。     

球锥扁椭球冰粒后向散射实验与DDA计算研究

采用实验室观测和DDA法理论计算，分别获得了球锥扁椭球形冰粒对3.2、5.6和10.7cm三种波长极化波的后向散射特性数据。结果表明，测量资料和计算数据具有很好的一致性。球锥扁椭球形冰粒的后向散射截面大小不仅依赖于其尺寸（等容半径）而且受其形状影响，“差反射率雷因子ZDR”与粒子形状参数“水平-垂直尺度比”呈很好的线性正相关。这是利用双偏振雷达探测识别球锥扁椭球形冰雹的依据。     

扁椭球雨滴后向散射的Gans理论和T矩阵差异对雷达探测释义的影响

非球形粒子的散射特性研究是双偏振雷达探测数据处理和释义的基础,非球形状同样会影响常规雷达探测数据的处理和释义。在利用雷达进行降水观测的过程中,需要考虑旋转扁椭球雨滴的散射特性。Gans理论和T矩阵法是常用于计算椭球粒子散射特性的算法,但其算法差异会对雷达探测反演带来不同的结果。利用Gans理论和T矩阵法的数值计算,分析旋转扁椭球雨滴的后向散射截面,同时对比常用雷达波段（S、C、X和Ku）内两种算法的后向散射截面的相对差别,以相对差别的阈值得到Gans理论可适用于计算旋转扁椭球雨滴后向散射截面的最大等效半径和尺度参数。在常用雷达波长处对该差异造成的雷达反射率因子Zh和差反射率因子ZDR的影响进行分析。结果表明,在MP雨滴谱下,X波段处Zh的算法差异可达1.66 dBZ,在C波段处ZDR的算法差异可达0.75 dBZ,其他各波长处也有差异。      

利用实验资料检验扁椭球形雨滴和冰粒后向散射DDA算法

简要介绍了DDA法理论，并根据后向散射截面测量实验所选用的扁椭球形粒子，运用DDA法计算了它们在微波段，电磁波垂直于粒子旋转轴入射情况下的后向散射截面。经过对比，DDA法计算结果与实验测量资料一致性较好。同时评价了DDA算法计算的特点，分析了扁椭球雨滴和冰粒的后向散射特性并描述了实验测量技术。     

双基地偏振雷达探测时小旋转椭球雨滴的侧向散射特性

从旋转椭球粒子散射理论出发,给出单个小旋转椭球雨滴在入射不同偏振波时的散射函数,并对其在不同仰角情况的数学图形和物理意义做了讨论,为推导基于椭球雨滴群的双基地偏振雷达方程、研究椭球雨滴群对双基地线偏振雷达探测能力的影响、处理和分析双基地偏振雷达资料,提供了理论依据.     

求解非球形大粒子光散射问题的一种简明数值计算方法

对于实际大气中传输的非偏振自然光的散射问题,所关心的散射参量通常为散射强度和线偏振度。本文通过对光子沿随机抽样人射路径的散射几率进行统计,建立了计算多粒径大粒子系统单次散射相函数及线偏振度的一种简明数值方法。对于粒子表面具有曲率的情况,该方法可以避免处理由表面曲率引入的“发散因子”。由于大气中液滴的形状一般近似为旋转扁椭球,本文也根据所建立的数值计算方法,计算和讨论了旋转扁椭球形液滴的散射相函数和线偏振度。     

旋转椭球雨滴群的雷达气象方程及测雨订正

导出了雷达发射水平偏振波时适用于旋转椭球雨滴群在三种不同取向情况下的雷达气象方程,并且重新定义了相应的雷达反射率因子,确定了在用雷达测定非球形雨滴降水时的订正系数,为提高雷达定量测量强降水的精确度提供了一种瓣的理论方法。     

强降雨区传播效应对双基地系统辅站雷达探测能力的影响

以电磁场散射理论为基础,在已有的小椭球粒子群双基地多普勒雷达气象方程中加入了传播效应项,利用此方程探讨旋转椭球雨滴群旋转轴一致铅直向上,双基地系统在探测均匀雨区、移动雨区和不均匀分布雨区时传播效应的影响。通过与单基地雷达回波功率比较可知,传播效应的存在使得双基地系统辅站一侧回波功率比高值区的范围变大,主站雷达一侧,传播效应对回波功率的影响与入射波的偏振关系有关。      

旋转扁椭球水滴散射特性的快速算式研究

利用DDA(Discrete Dipole Approximation)算法产生的旋转扁椭球水滴散射特征数据进行了多项式拟合,以3.2mm波长为例,给出了两种偏振状态下后向散射和衰减效率的快速算式。对比分析了快速算式结果和DDA数据的独立样本,结果表明,快算结果的绝对相对误差在5%以内,而耗时仅用DDA算法产生这些数据所用时间的10-6量级。所得结果可直接用于云降水区含扁椭球形水滴情况下的雷达回波模拟、雷达资料定量处理和毫米波雷达的衰减订正等,此方法还可用于其他波长、形状的水滴和冰晶。     

椭球雨滴群旋转轴呈正态分布情况时雷达反射率因子的修正

推导出了在云降水粒子群为小旋转椭球水滴群、椭球旋转轴呈正态分布、云降水粒子谱为M-P分布情况下的雷达气象方程,并且重新定义了相应的雷达反射率因子,确定了在用雷达测定非球形雨滴降水时的订正系数。为新一代多普勒天气雷达观测资料的雨滴形状和分布特征订正、提高降水测量精度提供了理论依据和方法。     

随机取向沙尘气溶胶激光雷达线退偏比特性研究

利用离散偶极子近似法,数值计算分析了随机取向旋转椭球体沙尘气溶胶粒子在尺度参数为0.1~23时（波长0.55 μm对应有效半径为0.01~2 μm）的激光雷达线退偏比特性,通过比较其不同旋转椭球体轴半径比下的差别,研究了粒子非球形性程度对单分散和多分散沙尘气溶胶激光雷达线退偏比特性的影响.单分散旋转椭球体沙尘气溶胶的激光雷达线退偏比对粒子的轴半径比和尺度参数有很强的依赖性;对于长旋转椭球体,沙尘激光雷达线退偏比较小值出现在瑞利散射区,而较大的值出现在米散射区;对于扁旋转椭球体,在米散射区较大沙尘粒子也可以产生较小的激光雷达线退偏比,例如,轴半径比为1/16,尺度参数为3时的沙尘激光雷达线退偏比仅为0.1%.就随机取向旋转椭球体沙尘粒子而言,对于单分散系,仅当尺度参数小于0.5时,非球形特征越明显,其激光雷达线退偏比越大;而对多分散系,非球形特征越明显,其激光雷达线退偏比越大.     

双基地雷达系统探测椭球雨滴群时主站仰角对探测性能的影响

为了提高双基地偏振雷达的探测精度,从旋转椭球粒子散射和衰减的理论出发,推导出基于椭球雨滴群的双基地偏振雷达方程,并利用此方程探讨了旋转椭球雨滴群一致垂直取向情况下,主站雷达发射仰角、目标粒子群位置等因素对双基地偏振雷达探测能力的影响程度.结果表明,随着仰角的抬高,几何因子值和两种偏振状态下的回波功率比均出现了高值区和低值区面积减少的变化特征;散射截面因子值也随着仰角的抬高在水平偏振时增加,垂直偏振时减少.     

偏振雷达探测小椭球粒子群LDR的雷达气象方程

双线偏振雷达探测小椭球粒子群时,雷达单发双收或交替发射。在粒子旋转轴呈某一取向时,要获得定义为RLD_(vh)或RLD_(hv)这个物理量,必须先建立Z_(vh)及Z_(hv)的雷达气象方程,并需重新定义相应的雷达反射率因子。本文推导出了能反演Z_(vh)及Z_(hv)的雷达气象方程,并模拟了具有Gamma谱分布的扁椭球粒子群在空间均匀取向时的LDR的变化情况。     

用T—矩阵法分析降水粒子在微波段下的ZDR特性

本文采用Ｔ－矩阵方法从理论计算的角度分析了在Ｘ、Ｃ和Ｓ波段下不同轴此,大小和相态的扁椭球降水粒子的差反射率因子ＺＤＲ,对为三种波长的双偏振雷达实际动用提出了更合理的解释,得到若干有用的结论,文中还对Ｔ－矩阵方法的准确性进行地评价。     

用T-矩阵法分析降水粒子在微波段下的Z_(DR)特性

本文采用Ｔ－矩阵方法从理论计算的角度分析了在Ｘ、Ｃ和Ｓ波段下不同轴比、大小和相态的扁椭球降水粒子的差反射率因子ＺＤＲ,对为三种波长的双线偏振雷达实际运用提出了更合理的解释,得到若干有用的结论。文中还对Ｔ－矩阵方法的准确性进行地评价。     

扁椭球形雨滴和冰粒后向散射实验与理论研究

本文介绍了对扁椭球形雨滴和冰（雹）粒散射能力的实验模拟和测量技术，报告了一个系列扁水(冰)椭球后向散射截面的实验测量结果；并用扩张边界条件法(EBCM)计算出相应的理论值，用Mie公式计算出等容积球形后向散射截面。将实验结果与理论计算作了综合对比分析，得到了若干有用的结论。     

小椭球雨滴后向散射STOKES矩阵的计算

云和降水粒子的非球形性质是引起雷达散射信号产生退偏振的主要因素。下落雨滴的形状可以近似地用旋转椭球体来处理。本文系统地推导出了小旋转椭球体的STOKES散射矩阵的表达式,并分析了矩阵各元素的物理含意,说明可以用统一的方式来描述各种偏振波的散射过程。     

双/多基地天气雷达探测小椭球降水粒子的侧向散射能力

首先给出小椭球粒子侧向和后向散射截面的表达式,将其中相关参数用双基地雷达坐标系中的量表示,在定义小椭球粒子侧向散射能力后,分别推导出发射水平与垂直偏振波条件下估算侧向散射能力的算式,并通过仿真计算,获得各高度上的侧向散射能力和分布情况.得出的主要结果为:(1)发射水平偏振波时,在低高度的等高面上,当离开基线垂直向上或向下距离增加时,侧向散射能力先逐渐变小到最小值后,再逐渐增大.在基线左、右的延线上也基本呈这种分布,仅在主站与子站的垂直方向上存在侧向散射能力的最低区域.随着等高面高度升高,侧向散射能力分布情况基本相似,仅子站上下的弱侧向散射值有所提高.(2)发射垂直偏振波时,在低高度水平面上无论被探测的扁旋转椭球粒子处在该平面上(除主站与子站张培昌等:双/多基地天气雷达探测小椭球降水粒子的侧向散射能力.     

双/多基地天气雷达探测小椭球粒子群的雷达气象方程

首先导出小椭球散射的方向函数及侧向散射截面的表达式。然后,考虑发射水平偏振波与垂直偏振波这两种情况下,当小椭球粒子群旋转轴作一致铅直取向和在空间作均匀随机取向时,分别建立适用于双/多基地雷达接收子站的雷达气象方程。主要结果为:(1)当入射波以不同的仰角及方位角射到旋转轴任意取向的椭球上时,会在椭球的3个轴上产生不同的极化电偶极矩分量,使小椭球散射方向函数不仅与散射方向有关,还与天线和粒子两个直角坐标之间的配置情况有关。(2)无论入射波偏振方式是水平还是垂直,小椭球粒子的总侧向散射截面恒是散射波在该方向上造成的侧向散射截面之和。(3)双基地雷达气象方程与单基地雷达气象方程比较,其差别在于侧向散射截面与后向散射截面的不同,另外,有效照射体积不同,子站与单基地站天线方向性函数不同,使双基地雷达气象方程中多出与双基地角有关的一个因子。(4)主站天线辐射在半功率点内不论均匀与否,双基地雷达气象方程中的侧向散射截面均代表总的侧向散射截面且依赖入射波偏振方式。(5)给出了小椭球群旋转轴一致铅直取向情况下的双基地雷达气象方程,这些方程与入射波偏振方式、主站发射天线辐射在半功率点内均匀与否有关。入射波为垂直偏振时一致铅直取向的椭球群的侧向散射截面可能由包含铅直分量在内的3个正交分量组成。这具体依赖于主站天线仰角。但入射波为水平偏振时到达子站天线处的回波功率与主站天线仰角无关。(6)给出了小椭球群旋转轴在空间无规则取向时的双基地雷达气象方程,这些方程与主站天线仰角、入射波偏振方式等无关,但与主站发射天线辐射在半功率点内均匀与否有关。     

雨区衰减和雷达取样误差对713型双线偏振雷达测量精度的影响

为了确定713型双线偏振雷达的探测精度,本文利用电磁波的矩阵传播法计算了考虑椭球形雨滴在不同空间取向下,雨区衰减对713型双线偏振雷达的可测量反射率因子Z_H、差反射率因子Z_(DR)的影响。并利用已有的统计理论讨论了该雷达的取样误差,为实际雷达改装工作提供了依据。