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。
雷达探测大气的基础知识衰减

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
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
雷达探测大气的基础知识折射3

的水平变化不能忽视,折射指数梯度可相差达到30N单位以上,水 平均一的假设对高精度探测就不适用了。由大气水平分布不均匀, N单位梯度的存在会导致雷达水平探测定位存在误差。 由于大气水平分布非均一,使雷达波产生折射,会导致雷达 水平探测定位误差和出现探测“盲区”。
为什么呢?
大气某些区域,如海陆交界处、海陆锋、锋面两 侧气象要素的水平变化不能忽视,折射指数梯度可相 差达到 30N单位以上,水平均一的假设对高精度探测 就不适用了。由于大气水平分布不均匀, N单位梯度 的存在会导致雷达水平探测定位存在误差。
H h
R 4.15
H h
三、地球球面和大气折射对探测目标物的影响
(1)球形地面和大气折射使雷达波束偏离地面的情况
对近距离降水云,探测别的是降水云的底部,而对远距离的降 水占.探测到的是降水云的中部或顶部。若远处降水云发展高度较 低,雷达可能探测不到,实际工作小对此予以注意。
(2)球形地面造成回波分布的变形 雷达探测锋面降水
观测。
正折射
以上三种折射,标准大气折射、临界折射、超折
射这三种情况,共同特点是:满足
dn 0 dh
,这样一
个公共条件。N值随高度的增加而减小,射线向地面 方向弯曲,但弯曲程度不同。
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
第三章大气、云、降水对电磁波的衰减-南京大学

如果将具有不同吸收截面的粒子都考虑进去,则
当雷达波经过单位距离( R = 1 )时,则
上式表示的是由于云和降水粒子吸收造成的单位距离上 的电磁波能流密度损失的分贝数,量纲为 。
实际计算时,取N 为 1 m3 中的总数,将量纲改成 以 表示,称为云和降水群的吸收系数,则
,并
类似的,有云和降水粒子群的散射系数
衰减导致功率 的减少,故用 负号“-”表示!
即
接收功率以分贝形式表示时的衰减系数
令
(分贝/距离)
K
实际大气中,雷达波的衰减是由于吸收和散射引起的; 一般地,气体对雷达波的衰减作用主要是吸收,散射可以忽 略(尤其是2 cm以上的雷达, 一般可以忽略大气吸收所造成的衰 减);大气对雷达波的衰减除了与波长有关以外,还与湿度、温 度、气压有关。
南京大学C波段雷达(NJU_CPOL)观测梅雨
订正前dBZ
订正后dBZ
昆虫回波
订正前ZDR
订正后ZDR
质量控制前后对比 南京大学 C波段雷达(NJU_CPOL)观测梅雨
订正前dBZ 订正后dBZ
订正前ZDR
订正后ZDR
衰减订正结果 NJU_CPOL梅雨RHI观测
dBZ订正前 dBZ订正后
ZDR订正前
C波段雷达和S波段雷达冰雹观测对比
2009年3月27日美国奥克拉荷马州一次冰雹过程
小结-衰减对探测结果的影响
(1)回波的区域面积比实际降水面积小 (2)回波形状畸变(冰雹:V型缺口) (3)回波强中心比实际降水强中心靠近测站,且 强度减弱,次强中心变为强中心 (4)衰减严重时,强雷暴后的弱回波区不可见.
表示的是由于云和降水粒子散射造成的单位距离上的电 磁波能流密度损失的分贝数,量纲为 。
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k L dR 0 P r P r 0e 2
R
K e 0
2
R
k L dR
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
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 r m 1 2 6 m 1 4 2 3 m 2 3 m2 2
5 6 2 2 2
2
2
瑞利近似
m2 1 2 3 m2 1 Qa Im 2 Im 2 m 2 m 2 8 2 r 3 m 2 1 2 3 m2 1 Qt Qa Im 2 Im 2 m 2 m 2
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 N i Qai dR Si
电磁波传播一个距离元dR,具有不同吸收功率的粒子
dSi Ni Qai dR Si i
电磁波传播一段距离R,具有不同吸收功率的粒子
R Si ln Ni Qai dR 0 Si0 i
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 Si
P Qs s Si Pa Ps Pt Qt Qa Qs Si Si
意义?
标准化截面: 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
m2 1 6 ktc 0.4343 Im 2 M m 2
dB
km 云中 含水量kt Nhomakorabea K1* M
云的衰减系数ktc与波长、温度以及粒子相态的关系
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。
R Si 10lg 4.343 Ni Qai dR 0 Si0 i
衰减系数
吸收系数 ka 10 lg
Si 0.4343 Ni Qai Si0 i Si 0.4343 Ni Qsi Si0 i
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
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
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
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。
0.4343 N i (Qai Qsi ) 0.4343 N i Qti
i i
kdR 0 K 10 2
R
衰减后的 回波功率
Pr Pr 0 K
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。 吸收雷达波的 大气气体主要是水 汽和氧气。
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 k a k s
0.4343 N i (Qai Qsi ) 0.4343 N i Qti
i 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
kt k a k s
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
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
(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。
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。