雷达探测大气的基础知识衰减
大气偶极辐射衰减现象初步探测
大气偶极辐射衰减现象初步探测大气偶极辐射衰减现象是指天空中的无线电波在传播过程中受到大气分子的散射和吸收而衰减的现象。
这种现象不仅对无线电通信和雷达探测等技术有一定影响，同时也对太空探测等领域具有一定的重要性。
本文将对大气偶极辐射衰减现象进行初步探测。
在理解大气偶极辐射衰减现象之前，我们首先需要了解天空中的大气分子对无线电波的影响。
大气分子主要由氧气（O2）和氮气（N2）组成，这些分子会对电磁波产生散射和吸收效应。
当无线电波与大气分子碰撞时，会引起分子振动、转动等运动形式，从而使无线电波的能量减弱。
关于大气偶极辐射衰减现象的初步探测，主要可通过以下几个方面进行研究。
首先，通过实验测量大气中无线电波的衰减情况。
在实验室或开阔的场地中，可以设置无线电发射器和接收器，通过改变发射器与接收器之间的距离，观察接收到的无线电信号的强度变化。
通过这种实验，可以了解无线电波在大气中的衰减程度，并对大气偶极辐射衰减现象进行初步的定性研究。
其次，通过观测卫星信号的衰减情况，深入研究大气偶极辐射衰减现象。
卫星作为远距离无线电通信和导航的重要工具，其信号在穿过大气层时也会发生衰减。
通过观测卫星信号在地面接收站的强度变化，可以进一步了解大气偶极辐射衰减现象的特点和规律。
这种观测可以通过专业的设备和卫星接收站进行，进一步验证实验结果的准确性，并获得更加精确的数据。
同时，利用数值模拟方法对大气偶极辐射衰减现象进行研究也是十分有效的手段。
通过建立数值模型，模拟无线电波在大气中传播的过程，并考虑大气分子对无线电波的散射和吸收效应，可以得到无线电波传播路径上的衰减情况。
利用数值模拟方法，可以更准确地预测无线电波在不同大气条件下的衰减程度，并通过对模拟结果的分析，进一步深入研究大气偶极辐射衰减现象的机理。
此外，对大气偶极辐射衰减现象的研究还可以结合其他相关领域的知识，如大气物理学、光学等，以综合的方式进行探索。
通过比较不同波长的无线电波在大气中的衰减情况，可以研究不同波长对大气分子的影响差异，从而更全面地理解大气偶极辐射衰减现象。
毫米雷达波衰减要求
毫米雷达波衰减要求
毫米波雷达是一种高精度、高分辨率的雷达技术，可以广泛应用于汽车安全、智能交通、工业检测、安防监控等领域。
毫米波雷达可发射在毫米波频段的电磁波，能够穿透不同材料并接收反射信号，从而实现对物体的测距、探测和识别等功能。
但是，在毫米波雷达的应用过程中，会受到一些干扰和衰减，这会对雷达的检测性能产生影响，因此需要了解毫米雷达波衰减要求。
毫米波雷达的能量在传输过程中会遇到不同的障碍物而引起信号衰减，抑制了雷达的探测距离和灵敏度，影响雷达的应用效果。
毫米波雷达波束在大气中容易受到气体分子、水汽、积雪等影响，也会引起信号的衰减和分散。
因此，毫米波雷达需要在信号传输的过程中进行正确的衰减处理，以提供高质量的信号以用于后续的数据处理。
毫米波雷达的衰减会降低其探测范围和检测灵敏度，从而降低雷达的可靠性和应用效果。
在毫米波雷达系统中，衰减会引起信噪比的降低，从而使雷达信号的可靠性降低，也会引起误报的发生，降低雷达的准确度。
对于毫米波雷达来说，衰减要求是非常严格的。
一般来讲，衰减的值越小，雷达的信号噪比和探测精度就越高。
因此，对于毫米波雷达的应用来说，需要严格要求衰减控制，以确保雷达系统的精度和可靠性。
在实际应用中，通常采用多种方法来控制衰减效果，例如使用高质量天线、调整雷达的天线位置、控制送信功率等方法来提高雷达的信噪比和探测范围。
在毫米波雷达的应用中，需要对衰减进行严格的控制。
通过合理的系统设计和优化，可以有效地控制衰减，保证雷达系统的性能和精度，从而为实际应用提供更好的效果。
雷达衰减和波长的关系
雷达衰减和波长的关系
雷达衰减和波长之间存在一定的关系，这是因为雷达信号在传播过程中会遇到各种衰减现象。
常见的衰减包括自由空间损耗、天线增益损耗、大气传播损耗等。
波长为λ的电磁波在自由空间中传播时，会受到自由空间损耗的影响。
自由空间损耗与波长的平方成反比，即Lfs ∝1/λ^2。
这意味着波长越短，自由空间损耗越大。
此外，天线的增益也会随着波长的变化而改变。
通常情况下，天线的增益随着波长的增加而减小。
这是因为天线的尺寸相对于波长来说很小的时候，辐射效率较低，随着波长的增加，辐射效率会逐渐提高，从而导致天线增益的减小。
大气传播损耗也与波长相关。
波长越短，大气对电磁波的吸收和散射作用越强，导致传播损耗增加。
总的来说，雷达衰减随着波长的变化而变化，波长越短，衰减越大。
但需要注意的是，衰减不仅仅与波长有关，还与其他因素（如传播距离、介质特性等）有关。
第三章 大气、云、降水粒子对雷达波的衰减 (2)
Pr0
衰减的基本概念
假设
pr0 ：没有大气衰减时的回波功率；
pr ：存在大气衰减时的回波功率。
pr pr0 K
P r K P r0
K是衰减因子，K<1，且与距离有关，使用不方便
衰减的基本概念
为了表征气体或粒子的衰减特性，引入衰减系 数kL。实验表明，接收功率随距离的衰减与接 收功率本身的大小以及距离成正比，
a
粒子群的衰减描述
散射系数
Si ks 10lg 0.4343 Ni Qsi S0 i
衰减系数
kt ka ks 0.4343 Ni (Qai Qsi ) 0.4343 NiQti
i i
雷达电磁波经过云、降水粒子的吸收和散射而造成衰减后的 回波功率
Pr Pr0 10
Pt 2 Qt Re (2n 1)(an bn ) Si 2 n 1
Ps 2 Qs Si 2
(2n 1)( a
n 1
2
n
bn )
2
Pa Qa Qt Qs Si
粒子群的衰减描述
吸收系数
假设单位体积的大气中含有N个粒子，在A×dR体积中有 A×dR×N个粒子，每个粒子吸收功率为Pa，总吸收功率dPa=Pa×A×dR×N。则由于粒子群吸收损失的能流密度：
用分贝/距离表示的衰减系数
R R 2 k L dR Pr 0 10lg 10lg e 2 4.343k L dR 2 kdR 0 0 Pr 0
Pr Pr 0 10
0.2
0 kdR
R
k=4.343kL，量纲为分贝/距离 k=kg+kc+kp，大气，云，降水造成的衰减系数
雷达气象：第三章 大气、云、降水粒子对雷达波的衰减
FinePrint Software, LLC16 Napier LaneSan Francisco, CA 94133Tel: 415-989-2722Fax: 209-821-7869 大气、云和降水粒子对雷达波的衰减Ø衰减的基本概念Ø大气气体对雷达波的衰减Ø云、降水粒子衰减的一般论述Ø云对雷达波的衰减Ø雨对雷达波的衰减Ø雪对雷达波的衰减Ø冰雹对雷达波的衰减Ø衰减对观测的影响衰减的基本概念l雷达接收到的回波强度不仅与被测目标物的物理特性有关，还与雷达与目标物之间的大气状况有关。
衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象介质：气体分子或液态、固态粒子原因：散射和吸收衰减的基本概念l 分贝(decibels)nS 波段雷达，平均峰值功率750,000W n接收机的最小可测功率1*10-14W n 以1mW 为衡量标准，则：•发射功率：10lg(7.5*105/10-3)=88.75dBm•接收功率：10lg(1*10-14/10-3)=-110dBm1221()10lg(/)P P dB P P =l K 是衰减因子，K<1，且与距离有关，使用不方便假设：没有大气衰减时的回波功率；：存在大气衰减时的回波功率。
P r 0r p r p 0 r r p p K=⋅衰减的基本概念0r r P KP =衰减的基本概念l 为了表征气体或粒子的衰减特性，引入衰减系数k L 。
实验表明，接收功率随距离的衰减与接收功率本身的大小以及距离成正比，l 衰减系数k Ln物理意义:单位回波功率在大气中往返单位距离（2dR ＝1）所衰减的功率值n 量纲和单位:1/距离，m -12r L r d P k P dR=−衰减的基本概念对前式从0到R 积分可得l 用分贝/距离表示的衰减系数nk=4.343k L ，量纲为分贝/距离n k=k g +k c +k p ，大气，云，降水造成的衰减系数rP P lg 0200R L k dR r r r P P e KP −∫==0200010lg 10lg 2 4.3432R L R R k dR r L r P e k dR kdR P −∫==−=−∫∫02R L k dR K e −∫=00.2010R kdR r r P P −∫=⋅衰减的基本概念l大气、云、降水粒子对雷达波的衰减作用n大气对雷达波的衰减主要是吸收作用（散射可忽略）。
雷达探测大气的基础知识衰减
8 2 r 3
瑞利近似下云的衰减系数
ktc 0.4343 Ni Qti 0.4343 Ni Qai
i i
m2 1 3 0.4343 Im 2 N r i i m 2 i
8 2
引入云中含水量
M 3 N i ri 0 4 i
3
云滴谱
Qt (cm2 )
10.0cm
NQt (cm2m3 )
3.21cm
10.0cm
二、冰雹的衰减系数kth
如果知道冰球的组成情况、折射指数、 粒子大小分布，则可以应用：
kt 0.4343 Ni Qti
i
dB
km
会有误差，原因是冰雹形状与球形相差 较大．以及冰雹的组成情况和复折射指数容 易发生变化。
Pr Pr 0 K
P r P r 0 10
0. 2
0 kdR
k k g kc k p
R
K 10 0
2
R
kdR
R Pr 10 lg 2 (k g kc k p )dR 0 Pr 0
雷达波的衰减概述
气体对雷达波的衰减主要是吸收作
用，散射可以忽略不计
ktr K I
K 的确定
•关键是雨滴谱
Pt 2 Qt Re 2n 1 an bn Si 2 n 1
kt
kt 0.4343 Ni Qti
i
dB
km
K
4 I N r r 3v(r )dr 0 3
I
雨滴衰减的观测与计算
0.4343 N i (Qai Qsi ) 0.4343 N i Qti
雷达气象学课件：第四章衰减和折射
0
i
N Qi ai dR
（2.4）式
10lg Si Si0
R
4.343 0
i
N Qi ai dR
(2.25)式
当雷达波经过单位距离( R = 1 m )时，则：
上式表1示0l的g是SS由ii0 于 云4和.3降4水3粒i 子N吸iQ收a造i 成的(单2.2位6距) 离上的
电磁波能流密度损失的分贝数，量纲为 dB 。
Pt hG 2
1
m2 1 2
0.2 kdR
Z 10 0
1024 ln 2 2 R2 m2 2
(3.25)式
其中：k：衰减系数。表示在介质中往返单 位距离时所衰减掉的电磁波能量。
单位：(3d.B2/5k)m
衰减系数 kL
假设：
Pr0 ：没有大气衰减时的回波功率；
：存在大气衰减时的回波功率。
Pr
则，根据衰减的一般规律，有
对（2.3）式，采用分离变量法求 解，则：
kL
dPr 2Pr dR
K e } 衰减因子：
Pr Pr 0 K （2.1）式
R
2
0
kL dR
（2.5）式
接收功率以分贝(dB)形式表示时
的衰减系数k
分贝：两个量比值的常用对数。RLeabharlann 由PrPr0
2
e
0
k L dR
（2.4）式
有
因有：
}
10 lg Pr Pr0
k kg kc k p (2.10）式
2、大气气体对雷达波的衰减
在第一章中，已有 Ps = Q s ·S i (1.7)式
散射截面Qs:量纲:面积
Qs
Ps Si
衰减系数定义
衰减的一般规律
考虑一小段距离dR上的衰减：
衰减系数
d Pr 2kL P r dR
接收功率 的减少值 实际接收 功率
衰减系数定义：
d Pr kL 2 Pr dR
物理意义：由于衰减作用，单位接收功率在 大气中往返单位距离时所衰减掉的能量。
衰减因子K和衰减系数kL之间的关系
总衰减系数
Pr Pr 0 K
k L dR 0 P r P r 0e 2
R
K 分贝：
接收功率的衰减
10 lg
R Pr 2 4.343k L dR 0 Pr 0
1 长度
衰减系数
k 4.343kL
R Pr 10 lg 2 kdR 0 Pr 0
分贝 距离
衰减的一般规律有
总衰 减系 数
从电磁场理论 吸收截面 散射截面 衰减截面 可表示为：
2 P Qt t Re (2n 1)(an bn ) Si 2 n 1
Ps 2 Qs Si 2
(2n 1)( a
n 1
2
n
bn )
2
Pa Qa Qt Qs Si
云、降水粒子的衰减系数
8 2 r 3
瑞利近似下云的衰减系数
ktc 0.4343 Ni Qti 0.4343 Ni Qai
i i
m2 1 3 0.4343 Im 2 N r i i m 2 i
8 2
引入云中含水量
M 3 N i ri 0 4 i
3
云滴谱
（3）考虑衰减的意义：由于衰减，使回波图像、定量
测量情况与实际情况之间出现偏差，造成回波的失真。 了解衰减对雷达探测的影响，对于正确使用回波资料是 十分重要的。
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Pr Pr0
2
R
0 4.343kLdR
k 4.343kL
10 lg Pr
2
R
kdR
Pr0
0
1 长度
分贝 距离
衰减的一般规律有
Pr Pr0 K
Pr
Pr0
0.2
10
R
0
kdR
总衰 减系 数
R
K 1020 kdR
k kg kc kp
10 lg
Pr Pr0
n 1
2
bn 2 )
Qa
Pa Si
Qt
Qs
云、降水粒子的衰减系数
电磁波传播一个距离元dR，具有相同吸收功率的粒子
dSi Ni Pai dR
dSi Si
NiQai dR
电磁波传播一个距离元dR，具有不同吸收功率的粒子
dSi
Si
i
NiQai dR
电磁波传播一段距离R，具有不同吸收功率的粒子
kL
d Pr 2 Pr dR
物理意义：由于衰减作用，单位接收功率在 大气中往返单位距离时所衰减掉的能量。
衰减因子K和衰减系数kL之间的关系 总衰减系数
Pr Pr0 K
R
Pr P e r 0 2 0 kLdR
分贝： 接收功率的衰减
R
K e20 kLdR
衰减系数
10 lg
i
i
0.4343
8
2
Im
m2 m2
1 2
i
Ni ri 3
引入云中含水量
i
N i ri 3
M
0
3
4
ktc
0.4343
6
Im
m2 m2
1 2
M
dB km
云滴谱
云中 含水量
ktc K1*M
云的衰减系数ktc与波长、温度以及粒子相态的关系
吸收雷达波的 大气气体主要是水 汽和氧气。
7.75 g m3
水汽和氧气的衰减系数与波长的关系
3 云对雷达波的衰减
云滴：半径小于100μm的水滴或水晶粒子
计算云滴的吸收截面、散射截面和衰减截面：
Qs
128 5r6 3 4
m2 1 2 2 2 6 m2 2 3
m2 1 2 m2 2
水球的 Qt (米()GuQntn(等瑞，利1)954与) 值的关系
雨的衰减系数ktr与雨强I之间的关系
计算雨的衰减系数kt：
kt 0.4343 NiQti
i
雨滴谱
(dB km)
利用普遍关系或利用瑞 利近似，但不能像云滴那样 用含水量
实际观测发现，雨的衰减系数ktr与雨强I之间：
kt ka ks
0.4343 Ni (Qai Qsi )
i
0.4343 N Qi ti
i
R
K
2
10
0
kdR
Pr Pr0 K
衰减后的 回波功率
2 大气气体对雷达波的衰减
对2cm以上的 雷达波所造成的衰 减，一般可忽略
对波长在1cm 附近或当探测距离 较远时，这种衰减 仍必须考虑。
Pa Ps Si
Pt Si
标准化截面：
意义？
将以上截面被粒子的几何截面去除所 得的值。例如标准化衰减截面： Qt
r2
从电磁场理论 吸收截面 散射截面 衰减截面 可表示为：
Qt
Pt Si
2
2
Re (2n 1)(an
n 1
bn )
Qs
Ps Si
2 2
(2n 1)( an
衰减的物 理原因： 一是散射 二是吸收
1 概述
衰减的一般规律和衰减系数
衰减因 子
考虑大气、云、 降水等衰减时的平 均回波功率。
没有考虑大气、 云、降水等衰减时的 平均回波功率。
衰减的一般规律
考虑一小段距离dR上的衰减： 衰减系数
d Pr 2kL PrdR
接收功率 的减少值
实际接收 功率
衰减系数定义：
瑞利近似
Qa
8 2r3
Im
m2 m2
1 2
2
3
Im
m2 m2
1 2
Qt
Qa
8 2r3
Im
m2 1
m2
2
2
3
Im
m2 1
m2
2
瑞利近似下云的衰减系数
ktc 0.4343 NiQti 0.4343 NiQai
ln Si R
Si0
0
i
NiQai dR
10lg Si Si0
R
4.343 0
i
NiQai dR
衰减系数
吸收系数
ka
10 lg Si Si0
0.4343
i
NiQai
云或降水粒子吸收造成的单位距离上电磁波能流密度损失的分贝数
散射系数
ks
10 lg Si Si0
0.4343
i
NiQsi
云或降水粒子散射造成的单位距离上电磁波能流密度损失的分贝数
衰减系数
kt ka ks
0.4343 Ni (Qai Qsi )
i
0.4343 NiQti
i
云或降水粒子散射和吸收造成的单位距离上电磁波能流密度损失的 分贝数
吸收截面、散射截面和衰减截面计算公式
2
R
0 (kg
kc
k p )dR
雷达波的衰减概述
气体对雷达波的衰减主要是吸收作 用，散射可以忽略不计 云、雨滴的衰减，则既有散射， 也有吸收，大小与雷达波的波长有关
云、降水粒子造成衰减的一般论述
吸收截面、散射截面和衰减截面
Qa
Pa SiQsPs SiQt
Qa Qs
电子版（第二版）
第二章 雷达探测大气的 基础知识
2.1 散射 2.2 衰减 2.3 折射 2.4 雷达的探测能力
2.2 衰减
衰减：就是吸收和散射两种作用的总和 衰减物：大气、云、降水粒子
关于衰减
（1）衰减：电磁波能量沿传播路径减弱的现象。 （2）造成衰减的物理原因：是因为当电磁波投射到气 体分子或云、降水粒子时，一部分能量被散射，另一部 分能量被吸收而转变为热能或其它形式的能量，从而使 电磁波波能量沿传播路径减弱。 （3）考虑衰减的意义：由于衰减，使回波图像、定量 测量情况与实际情况之间出现偏差，造成回波的失真。 了解衰减对雷达探测的影响，对于正确使用回波资料是 十分重要的。
不同温度、波长、粒子相态情况下的 K1* 值
4 雨对雷达波的衰减
雨滴是指半径大于100μm的水滴。
雨滴的衰减截面Qt的计算： 用普遍关系式计算
用瑞利近似式与普遍的米式公式的关系
雨滴直径为0.1cm， 雷达波长为10cm， α＝0.03
Qt (米) Qt (雷)
雨滴直径为0.1cm， 雷达波长为3cm， α＝0.1