第五章 雷达电磁波在大气中的折射 (2)
电磁波的传播和折射现象
电磁波的传播和折射现象电磁波是由电场和磁场相互作用而产生的一种波动现象，它在自然界中广泛存在并具有重要的应用价值。
本文将介绍电磁波的传播方式以及与介质交互作用时的折射现象。
一、电磁波的传播方式电磁波的传播方式主要有三种：直线传播、散射传播和反射传播。
（一）直线传播在真空中，电磁波可以直线传播，速度为光速，即约为3×10^8米/秒。
直线传播时，电场和磁场垂直于传播方向，且两者振动方向互相垂直。
（二）散射传播当电磁波遇到较小的障碍物时，会发生散射现象。
散射传播的特点是波的传播方向改变，波的传播速度减慢，且电磁波会在障碍物周围形成波前。
（三）反射传播当电磁波照射到反射面上时，会发生反射现象。
反射传播的特点是波会沿着入射角等于反射角的方向反射，并保持相同的传播速度。
二、电磁波在介质中的折射现象当电磁波从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。
这是因为介质的光密度不同导致电磁波传播速度的改变。
折射现象的经典定律是斯涅尔定律，即折射角与入射角之间满足的关系：n1 ×sinθ1 = n2 ×sinθ2其中，n1和n2分别为介质1和介质2的光密度，θ1和θ2分别为入射角和折射角。
当电磁波从光密度较小的介质传播到光密度较大的介质时，折射角小于入射角，波向法线方向偏折；反之，当电磁波从光密度较大的介质传播到光密度较小的介质时，折射角大于入射角，波远离法线方向偏折。
折射现象广泛应用于光学领域，在折射透镜、棱镜以及光纤通信中发挥重要作用。
折射现象的深入研究也为光学仪器和光学材料的设计提供了理论依据。
三、电磁波折射现象的应用电磁波的折射现象在生活和科学研究中有多种应用。
（一）折射透镜折射透镜是一种利用光的折射特性，将光线汇聚或散射的光学装置。
它常被用于相机镜头、显微镜和望远镜等光学设备中，可调节焦距和放大光线。
（二）棱镜棱镜利用光的折射特性，可以将光线分解为不同波长的光谱。
它常被用于光谱分析、光学仪器的校正以及激光器的设计中。
5第五章雷达回波的识别技术
风向随高度先顺转后逆转
(三)风速风向都随高度变化的各种图象
当风速和风向都随高度变化时，可以得到许多不同的多普勒速度 图象。由于地面上风速为零，因此只有零值带穿过图象的中心。 图象边缘的多普勒速度出现了混淆，这是因为在那些高度上的风 速超出了50海里/小时的奈科斯特间隔（这是下一代天气雷达采用 的一种间隔）。从速度间隔一端到另一端色彩上的突变很清楚得 显示了速度混淆效应。
一、回波强度分析技术
由雷达反射率因子Z值大小即可判别回波强弱．
瑞利散射
另外，回波形态特征、回波特殊结构和形态、 回波移动特点可知回波强度
二、脉冲多普勒天气雷达径向速度场分析技术与方法
对多普勒径向速度场基本特征的研究，可按
•零径向速度线； •朝向雷达分量(负)、离开雷达分量(正)范围、分布及中心； •强多普勒径向速度梯度带
Single Doppler Interpretation
• Things to remember:
The Zero Isodop “Problem”
当径向垂直于风速时, 雷达
显示零速 - This “zero
zone” is called the
0%
“Zero Isodop”.
100%
当径向平行于风速时, 雷达显示最大风速
一、几种典型流场的PPI多普勒径向速度模式
雷达作低仰角探测：
取径向速度Vr(r)为常数c:
天线
风向
方位
(一)风向不变,风速随高度变化的各种图象
风向若在所有高度上保持一致，那么其多普勒速度图象中就总有一条直
的零值带，图象的其他部分就反映了风速的垂直廓线。 风速若不随高度变化，是个非零常数，那么多普勒速度的极值便由
电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究
电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究引言：电磁波的传播特性及应用研究一直是物理学、通信工程和电磁学等领域的研究热点。
在大气波导环境中，电磁波的传播受到大气层的影响，具有一些独特的特性，因此在雷达、无线通信、天气预报等方面的应用都具有重要意义。
本文将系统地介绍电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究。
一、电磁波在大气波导环境中的传播特性1. 大气介质特性对电磁波的传播影响大气介质对电磁波的传播起着重要作用。
大气中的水分子和氧分子对电磁波的吸收、散射和折射产生影响。
此外，大气介质的湿度、温度和密度对电磁波的传播特性也有影响。
2. 大气波导条件下的电磁波传播大气波导是指在大气中存在的具有传播特性的电磁波。
在大气波导条件下，电磁波的传播路径不仅限于直线传播，还涉及地球表面的反射和散射。
这种传播特性使得电磁波在雷达、通信系统等应用中有更优异的性能。
3. 引频雷达的工作原理引频雷达是一种利用大气波导进行远距离目标探测的工具。
它利用了由电离层和地球表面反射后的信号，实现对目标的探测和跟踪。
它的工作原理基于电磁波在大气波导环境中的传播特性。
二、电磁波在大气波导环境中的应用研究1. 引频雷达在大气科学中的应用引频雷达可以测量大气中的电离层、对流层和平流层等层结的高度、密度和变化情况。
通过对大气参数的研究，可以更好地理解天气现象和气候变化。
2. 电磁波在无线通信中的应用在大气波导环境中，电磁波的传播路径更加稳定，因此在无线通信中具有更远的传输距离和更好的可靠性。
这对于无线电视、移动通信和卫星通信等应用具有重要意义。
3. 电磁波在地球物理勘探中的应用通过电磁波在大气波导环境中的传播特性，可以实现地球内部结构的勘探，如矿产资源、油气田的探测。
利用电磁波在大气波导中的传播特性，地球物理勘探的效率和精度都得到了提高。
结论：电磁波在大气波导环境中的传播特性独特而重要。
大气介质的特性对电磁波的传播起到重要影响，而大气波导条件下的电磁波传播使得雷达、通信和地球物理勘探等领域的应用得到了进一步发展。
电磁波的反射和折射现象如何解释？
电磁波的反射和折射现象如何解释？在我们的日常生活中，电磁波无处不在。
从手机通信到广播电视，从微波炉加热食物到卫星导航，电磁波都发挥着至关重要的作用。
而电磁波的反射和折射现象，更是我们经常会遇到却又容易忽视的奇妙现象。
那什么是电磁波的反射和折射呢？当电磁波在传播过程中遇到不同介质的分界面时，一部分电磁波会被“弹回”原来的介质，这就是电磁波的反射；而另一部分电磁波则会“拐个弯”进入新的介质，并且改变传播方向，这便是电磁波的折射。
为了更好地理解这两种现象，我们先来了解一下电磁波的本质。
电磁波是由电场和磁场相互垂直，并以光速在空间中传播的一种波动现象。
它具有波动性和粒子性双重特性，这使得电磁波的行为既像波又像粒子。
当电磁波遇到介质的分界面时，反射现象的发生可以从电磁波与介质的相互作用来解释。
电磁波在介质中传播时，会引起介质中的带电粒子产生振动。
当电磁波到达分界面时，分界面另一侧的介质性质发生了变化，导致带电粒子的振动情况也发生改变。
而这些带电粒子的振动又会产生新的电磁波，其中一部分就是反射波。
比如说，当一束光（也是一种电磁波）照射到镜子上时，镜子表面的电子会在光的电场作用下产生振动，从而产生反射光。
反射光的强度和方向取决于入射光的强度、方向以及介质的性质。
如果介质对电磁波的吸收较小，反射波的强度就会比较大；而入射角度也会影响反射角度，根据反射定律，入射角等于反射角。
接下来，我们再看看电磁波的折射现象。
折射现象的产生是因为电磁波在不同介质中的传播速度不同。
当电磁波从一种介质进入另一种介质时，由于速度的改变，电磁波的传播方向就会发生变化。
就像光从空气进入水中时，光在空气中的传播速度比在水中快。
当光进入水中时，它的传播速度突然变慢，导致光的传播方向发生了弯曲，这就是光的折射现象。
电磁波的折射规律可以用斯涅尔定律来描述，即入射角的正弦与折射角的正弦之比等于两种介质中电磁波的速度之比。
电磁波的折射现象在许多实际应用中都有着重要的作用。
电磁波在大气中的传播
电磁波在大气中的传播电磁波是一种在空间中传播的能量。
它的传播速度非常快，甚至可以达到光速。
我们常见的电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线以及伽马射线都属于电磁波的范畴。
在自然界中，电磁波的传播主要是通过大气介质进行的。
本文将揭示电磁波在大气中传播的过程以及其在不同频谱范围内的特性。
首先，我们先来了解一下大气是如何影响电磁波的传播的。
大气是由各种气体、水蒸汽、悬浮颗粒等组成的。
这些物质会对电磁波的传播产生散射、吸收和折射等作用。
其中，散射是指当电磁波遇到大气中的微小颗粒时，会因为颗粒的尺寸与电磁波的波长相当而改变传播方向。
这就是为什么我们在白天看到的天空是蓝色的原因，因为大气中的气溶胶颗粒会使蓝光的散射比其他颜色的光更强。
而吸收作用则是指当电磁波与大气中的分子或原子发生相互作用时，一部分能量被大气吸收，使得电磁波减弱或完全消失。
不同频谱范围内的电磁波与大气的相互作用程度也不尽相同，下面将分别探讨。
对于无线电波，它们具有较长的波长，通常几厘米到数十米不等。
由于它们的波长相对较长，它们的传播受到大气散射和吸收的影响较小。
事实上，无线电波可以沿着地球曲率进行直线传播，这就是为什么我们能够利用无线电进行远距离通信的原因。
除此之外，无线电波还具有穿透建筑物和云层的特点，因此在通信和雷达等领域中得到广泛应用。
而对于微波，它们的波长要比无线电波短得多，通常在数毫米到数厘米之间。
这使得微波与大气的相互作用更加明显。
大气中水蒸汽的存在对微波的传播起着重要的作用。
我们熟知的微波炉就是利用微波能够被水分子吸收的特性来加热食物的。
此外，微波还被广泛应用于卫星通信和雷达系统中，因为它们具有高密度传播和可穿透云层的特点。
当我们进一步减小波长，进入红外线、可见光和紫外线的频谱范围时，电磁波的传播受到大气的吸收和折射的影响更加明显。
红外线的波长比可见光长，它们主要被大气中的水蒸汽和二氧化碳吸收。
而可见光则可以穿过大气层被我们所感知到，但它们也会受到大气散射的影响。
第五章 雷达作用距离-修改
§5.3.1 积累效果
►相干积累
1
2 原因：信号功率增大M 倍，噪声功率增大M 倍
► 非相干积累
,
1
积累效率
►积累对作用距离的改善
结论：由于积累降低了达到规定检测能力时对单个输入脉冲信噪比的要求， 因此客观上提高了雷达的作用距离
习题
►某雷达波长 小可检测信号 有效反射面积
，最 ，已知探测目标的 ；
第七节 雷达方程的几种形式
§5.7.1 二次雷达方程
合作目标 二次雷达目标上装有应答机（或信标），当应答机收到雷达信号后，发射一个应答信 号，雷达接收机根据所收到的应答信号对目标进行检测和识别。
距离R 处任一点的雷达发射信号功率密度：
考虑到定向天线增益Gt：
t
’ 目标上应答机天线的有效面积为Ar ，则其接收的功率为：
►总结：
雷达方程虽然给出了作用距离和各参数间的定量关系，但由于未考虑设备的实际损
耗和环境因素，且目标有效反射面积σ和最小可检测信号Simin不能准确预定，因此仅
用 来雷作达估在算噪的声公和式其，他考干察扰各背参景数下对检作测用目距标离，的同影时响，。复杂目标的回波信号本身存在起伏，
因此，接收机输出的是一个随机量。雷达作-6用距离也不是一个确定值而是统计量，通 常只在概率意义上讲，当虚警概率（如10 ）和发现概率（如90%）给定时的作用距 离是多大。
►D0表示的雷达方程
带宽校正因子
雷达各部分损耗引入的损 失系数
§5.2.2 门限检测
►信号是否超出门限判断目标有无的四种情况
发现：存在目标，判为目标－－－－－－－Pd 漏报：存在目标，判为无目标－－－－－－Pla 正确不发现：不存在目标，判为无目标－－Pan 虚警：不存在目标，判为目标－－－－－－Pfa
雷达试题-(1-4章)
第一章引论一、填空1、我国新一代天气雷达业务组网的建设目标是：在我国东部和中部地区，装备（）和（）多普勒天气雷达系统。
2、根据我国雷达布局原则，在我国第二地形阶梯地域和黑龙江、吉林省布设（）频段新一代天气雷达。
3、根据我国雷达布局原则，在天气、气候相近的地区，组网的新一代天气雷达在（）和（）上要尽可能统一。
4、我国《新一代天气雷达系统功能规格需求书》要求：对大范围降水天气的监测距离应不小于（）km；对小尺度强对流天气现象的有效监测和识别距离应大于（）km。
5、我国《新一代天气雷达系统功能规格需求书》要求：雷达探测能力在50km处可探测到的最小回波强度S波段应不大于（）dBZ、C波段应不大于（）dBZ。
6、我国《新一代天气雷达系统功能规格需求书》要求新一代天气雷达应有一定的晴空回波探测能力，在湿润季节应能观测到（）km左右距离范围内的晴空大气中的径向风场分布。
7、新一代天气雷达系统的应用主要在于对灾害性天气，特别是风害和冰雹相伴随的灾害性天气的（）和（）。
它还可以进行较大范围降水的定量估测，获取降水和降水云体的（）。
8、从径向速度图像上可以看出气流的（）、（）和（）的特征，并可给出定性和（）的估算。
9、辐合（或辐散）在径向风场图像中表现为一个最大和最小的（），两个极值中心的连线和雷达的射线（）。
10、气流中的小尺度气旋（或反气旋）在径向风场图像中表现为一个最大和最小的（），中心连线走向于雷达射线（）。
11、具有辐合（或辐散）的气旋（或反气旋）表现出最大、最小值的连线与雷达射线走向（）。
根据中心连线的长度、径向速度最大值、最小值及连线与射线的夹角，可以半定量地估算气旋（或反气旋）的（）和（）。
12、新一代天气雷达采用（）体制，共有7种型号，其中S波段有3种型号，分别为（）。
C波段有4种型号，分别为CINRAD-（）。
13、SA和SB雷达的正式名称分别为CINRAD-SA和CINRAD-SB，在国际上称为（）。
第五章 雷达电磁波在大气中的折射
是略微向地球表面弯曲的。
射线曲率、等效地球半径
射线曲率K
描述射线弯曲程度的物理量。
曲线的曲率： K d
ds
单位弧长倾角 的变化
曲率半径：通过某点的曲率圆的半径。
Rn
1 K
射线曲率、等效地球半径
射线曲率与折射指数垂直分布之间的关系
假设：大气由很多个厚度为dh的薄层构成。
K di ds
ds
超折射回波
超折射回波
超折射
区分超折射回波、普通地物回波、降水回 波
与晴空日常地物回波分布对照，区分超折射时 的地物回波；
地物回波是静止不动的，气象回波都是运动的， 所以可以参看速度图；
抬高仰角，使电磁波穿过波导层。
超折射
形成超折射的气象条件
对
N
n
1 106
A T
P
Be T
求导 得：
Rm
Rm
dn 0，知n随高度的升高而升高，根据折射定律，射线是向上 弯dh曲的，导致雷达探测的极限距离减小。
超折射
射线的绝对曲率大于地球表面的绝对曲率时产 生的折射
} 射线的绝对曲率： K dn 1 dh 地球表面的绝对曲率： Rm
dn dh
1 Rm
dn 15.7 108 m1 dh
此时，射线弯向地面，经反射后又继续向前传播，反复或多次 重复，使射线在地球表面和某一层大气之间辗转地向前传播,类 似于微波在波导管中的传播,所以又称大气波导传播。
1 Rm
1 6371103
15.7 108 m1
零折射
射线的绝对曲率等于0的折射。
K dn 0 dh
Rm' Rm
即大气的折射指数随高度没有任何变化，无大气或大气是 均质的，通常在实际大气中不会出现这种现象。
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讨论：
dn dh =0
R 'm = R m 射 线 直 线 传 播 零 折 射
dn dh
dn dh
> 0 R 'm R m 负 折 射
dn dh
<0
小 0 <1 R m d n
dh
< 1 R 'm R m
一般大气折射
dn dh
<0
dn dh
较 大 1 Rm dn
dh
= 0 R 'm 临 界 折 射
可以事先制作好图表进行查算。
大气折射指数与气象要素的关系
实际大气中折射指数的分布 N值随 P，e 的增大而增大，随T的减小而增 大；
在实际大气中，一般 P、T、e 都随高度的增 大而减小，但P、e下降速度较快。所以N的垂 直变化中P、e起主导作用。也就是说N随高度 升高而减小。即：
dN dh
折射定律
电磁波速度的大小与介电常数及导磁系数有关。
折射指数：
n c v
v是介质中的传播速度，小于光速c，所以n>1。
光学折射定律：
s in i s in r v1 v2 n2 n1
折射定律
注：
普通折射 指数 取决于电磁波在介 质中的衰减情况
折射指数最普遍形式是复数形式： m = n–i k 本章的研究主要考虑电磁波在大气中的传播路 径问题，不考虑衰减作用，所以只采用普通折射指 数n。
射线曲率、等效地球半径
等效地球半径R’m
在保持射线和地面间相对曲率不变的前提下，通过调 整地球曲率，使射线沿直线传播时对应的地球半径。
真实射线曲率和真实地球曲率之差＝直线传播的射 线和等效地球曲率之差
射线曲率、等效地球半径
K 1 Rm 0 1 R 'm R 'm Rm 1 Rm dn dh
8
地球曲率 K0
1 Rm
6 3 7 1k m
4 3
m
1
等效地球半径
Rm
Rm dn 1 Rm dh
Rm 8500 km
临界折射
当射线与地球表面的相对曲率等于0（即射线的绝对 曲率与地球表面的绝对曲率相同）时发生的折射。 即射线沿地球表面平行传播。
K 1 Rm dn dh 1 Rm 0
折射指数与气象要素的关系
折射指数N单位
根据理论与实践结合得超短波在大气中传播时， 其折射指数和气象要素之间的关系：
N
n
1 10
6
A Be P T T
大气折射指数的实际应用单位，简称折射指数N单位。
利用探空仪实测P、T、e，即可得N值；
实际应用中，可以用微波折射计直接测得折射指数N值；也
Rm
}
8
dn dh
1 Rm
dn dh
1 5 .7 1 0
m
1
此时，射线弯向地面，经反射后又继续向前传播，反复或多次 重复，使射线在地球表面和某一层大气之间辗转地向前传播,类 似于微波在波导管中的传播,所以又称大气波导传播。
超折射回波
超折射回波
超折射
区分超折射回波、普通地物回波、降水回 波
假设：大气由很多个厚度为dh的薄层构成。
K
ds dh cos i di
di ds
dh cos i
s in i s in i d i
n dn n
di
s in id n n cos i
s in i d n dn K n dh dh
0
or
dn dh
0
可见，以一定仰角发射的电磁波的传播路径一般 是略微向地球表面弯曲的。
射线曲率、等效地球半径
射线曲率K
描述射线弯曲程度的物理量。
K d ds
曲线的曲率：
单位弧长倾角 的变化
曲率半径：通过某点的曲率圆的半径。
Rn 1 K
射线曲率、等效地球半径
射线曲率与折射指数垂直分布之间的关系
dn dh
1 Rm
1 6371 10
3
1 5 .7 1 0
8
m
1
零折射
射线的绝对曲率等于0的折射。
K
'
dn dh
0
Rm Rm
即大气的折射指数随高度没有任何变化，无大气或大气是 均质的，通常在实际大气中不会出现这种现象。
负折射
射线的绝对曲率小于0的折射
与晴空日常地物回波分布对照，区分超折射时 的地物回波； 地物回波是静止不动的，气象回波都是运动的， 所以可以参看速度图；
射线曲率、等效地球半径
讨论：
dn dh dn dh dn dh <0 K>0 曲 线 向 下 弯 曲 ， 一 般 大 气
>0
K<0 曲 线 向 上 弯 曲 ， 反 常 大 气
=0
K=0 直 线 传 播 ， 均 质 大 气
射线曲率、等效地球半径
射线曲率、等效地球半径
等效地球半径R’m
由于大气折射的影响，雷达波在传播路径上会发生弯 曲（多数向下弯曲），可以使得高度h的目标物的最大 探测距离增大，但同时也不利于实际工作中的计算和 分析。为此，可以把雷达波的传播路径画成直线，然 后对地球半径进行订正。 设想地球半径变化到某数值R’m，使得R’m为半径的球面 上沿直线传播的电磁波的最大探测距离和真实地球表 面上沿折射曲线传播的电磁波的最大探测距离相同， 称这时假想的地球半径R’m为等效地球半径。
dn dh
<0
dn dh
大
1 Rm dn
dh
<0
R 'm 0 超 折 射
折射指数随高度变化的几种形式
五种折射的射线传播路径
标准大气折射
标准大气
从表中可知：
dN dh
4 10 dn dh
2
m
1
m
1
dn dh
4 10
8
m
1
K
4 10
8
0 向下传播 1 B 1 5 .7 1 0
超短波在大气中的折射
概 述 折射指数与气象要素的关系 射线曲率、等效地球半径 大气折射指数随高度变化的五种形式 大气折射对雷达探测距离的影响
折射现象
折射现象：水杯中的筷子；海市蜃楼
光波或电磁波在大气中曲ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ传播的现象。
折射现象
折射现象的物理原因：
光波或者电磁波在不均匀介质中传播速度不均匀 而引起的。
K
R 'm
dn dh
0
Rm
1 Rm
dn
Rm Rm
dh
dn dh
0 ，知n随高度的升高而升高，根据折射定律，射线是向上
弯曲的，导致雷达探测的极限距离减小。
超折射
射线的绝对曲率大于地球表面的绝对曲率时产 生的折射
射线的绝对曲率： K
1
dn dh
地球表面的绝对曲率：