雷达气象方程优秀PPT.ppt
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1、雷达气象方程第一页,本课件共有58页1 单个目标的雷达方程2 云及降水的雷达气象方程3 考虑充塞及衰减的雷达气象方程4 雷达气象方程讨论第二页,本课件共有58页0 基本概念 一.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,而且和被观测的云、降水粒子的性质有关,还与雷达和被测目标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。雷达气象方程是定量地表示云和降水的回波强度与有关因子之间关系的方程。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。第三页,本课件共有58页二二.天线辐射强度分布情况
2、一、天线辐射强度在两半功率点间均匀分布 情况二、天线辐射强度不均匀分布第四页,本课件共有58页1.雷达波束能量完全集中在狭窄波束照射体积中2.波束内增益为常数情况一、天线辐射强度在两半功率点间均匀分布第五页,本课件共有58页1 单个目标的雷达方程一一.普遍雷达方程的推导普遍雷达方程的推导 1 1.距离距离R R处的雷达波能流密度处的雷达波能流密度:2.2.天线增益天线增益:最大辐射方向的能流密度与各项均匀最大辐射方向的能流密度与各项均匀辐射天线的能流密度之比辐射天线的能流密度之比天线作各项同性天线作各项同性天线作各项同性天线作各项同性均匀发射均匀发射均匀发射均匀发射距离距离距离距离R R处的入
3、处的入处的入处的入射能流密度射能流密度射能流密度射能流密度第六页,本课件共有58页1 单个目标的雷达方程 3 3.R R处目标的雷达截面处目标的雷达截面 4.4.目标散射回天线处的后项散射能流密度目标散射回天线处的后项散射能流密度第七页,本课件共有58页1 单个目标的雷达方程 5 5.天线有效截面天线有效截面 能接收后项散射波的天线面积要比天线外口径能接收后项散射波的天线面积要比天线外口径截面积小截面积小,从天线理论可得从天线理论可得:第八页,本课件共有58页1 单个目标的雷达方程 6 6.天线接收到来自散射体的总功率天线接收到来自散射体的总功率PrPr为为:7.7.雷达回波功率强弱取决于雷达
4、参数雷达回波功率强弱取决于雷达参数(发射功率发射功率,增益增益,波长波长)、雷达截面、距离等、雷达截面、距离等.上式为一个普遍的上式为一个普遍的雷达方程雷达方程,适用于飞机、船舶、单个雨滴等任何一适用于飞机、船舶、单个雨滴等任何一种单个目标物。种单个目标物。第九页,本课件共有58页u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Pt、G、,即可计算出其回波功率。u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。方程中参量的典型值:Pt 105 WR 100 kmG 40 dB 1 m2 Pt/Pr1019 10 cm第十页,本课件共有58页1 单个目标的雷达方程
5、二二.天线辐射强度不均匀分布时的雷达方程天线辐射强度不均匀分布时的雷达方程 1 1.天线方向图函数(图天线方向图函数(图3.33.3实际天线波瓣图)实际天线波瓣图)2.2.天线发射点上与波束轴线成一定角度方向上的天线发射点上与波束轴线成一定角度方向上的能流密度能流密度第十一页,本课件共有58页1 单个目标的雷达方程 3.天线辐射强度不均匀分布时的雷达方程 4.上式是单目标时普遍适用的雷达方程,Pr为天线接收到来自散射(或反射)体的总功率.与雷达参数(Pr,G,)、雷达截面和距离。第十二页,本课件共有58页2 2 云及降水的雷达方程 一一.天线辐射强度在两半点功率均匀时的雷达方程天线辐射强度在两
6、半点功率均匀时的雷达方程 1.1.推导雷达气象方程的五点假设:推导雷达气象方程的五点假设:(1)(1)在波束内在波束内GG为常数为常数 (2)(2)云及降水粒子的散射波是非相干波。即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时间平均值,等于各个云、降水粒子的回波功率的总和。的总和。(3)(3)在波束有效照射体内在波束有效照射体内,粒子的尺度谱处处粒子的尺度谱处处相同。相同。(4)(4)不考虑衰减。不考虑衰减。(5)(5)全充满。全充满。第十三页,本课件共有58页2 2
7、云及降水的雷达方程 2.2.辐射均匀分布时云及降水粒子的雷达气象方程辐射均匀分布时云及降水粒子的雷达气象方程 N N是波束有效照射体中所有产生的散射能量同时是波束有效照射体中所有产生的散射能量同时返回天线处的云及降水粒子的总数返回天线处的云及降水粒子的总数.而不是单位体积而不是单位体积内的粒子数。内的粒子数。第十四页,本课件共有58页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。波束有效照射深度: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为有效照射深度。u离雷达等距离的那些粒子u存在脉
8、冲长度,距离不等的粒子也可能同时到达天线?关于云和降水的雷达气象方程的N第十五页,本课件共有58页2 2 云及降水的雷达方程 3.波束有效照射深度 波束中散射能量能同时回到天线的有效照射深度为脉冲长度波束中散射能量能同时回到天线的有效照射深度为脉冲长度的一半的一半 脉冲宽度:711:1s713:2s第十六页,本课件共有58页天线开始发射脉冲的时间为时间起点t0天线开始收到A处粒子散射能量的时间t1天线开始收到B处粒子散射能量的时间t2天线最后收到A处粒子散射能量的时间t3若AB范围内粒子散射的能量能同时到达天线,则t2=t3波束有效照射深度第十七页,本课件共有58页2 2 云及降水的雷达方程
9、4.4.有效照射体积有效照射体积V V (1)(1)圆锥形波束的有效照射体积圆锥形波束的有效照射体积 (2)(2)椭圆椎体波束的有效照射体积椭圆椎体波束的有效照射体积第十八页,本课件共有58页2 2 云及降水的雷达方程 5.5.雷达气象方程雷达气象方程 (1)(1)雷达反射率雷达反射率:(2)(2)波束呈圆锥体时波束呈圆锥体时:(3)(3)波束呈椭圆椎体时波束呈椭圆椎体时:第十九页,本课件共有58页2 云及降水的雷达方程 二二.天线辐射强度不均匀时的雷达气象方程天线辐射强度不均匀时的雷达气象方程 第二十页,本课件共有58页2 2 云及降水的雷达方程 二二.天线辐射强度不均匀时的雷达气象方程天线
10、辐射强度不均匀时的雷达气象方程 1.1.上式为考虑有大量云雨和降水粒子及天线辐射上式为考虑有大量云雨和降水粒子及天线辐射强度不均匀时的雷达气象方程强度不均匀时的雷达气象方程 2.2.雷达接收功率与雷达参数与目标物特性有关雷达接收功率与雷达参数与目标物特性有关 3.3.对对Rayleigh and Mie scatteringRayleigh and Mie scattering均适用均适用 第二十一页,本课件共有58页2 2 云及降水的雷达方程 三.雷达气象方程的准确性 1.天线辐射强度的不均匀性:2.增益G的讨论 我国新一代天气雷达(S波段)的G44dB(约2.5万)第二十二页,本课件共有5
11、8页2 2 云及降水的雷达方程 四四.Rayleigh scattering.Rayleigh scattering的雷达气象方程的雷达气象方程 1.Probert-Jones19611.Probert-Jones1961年推导的方程年推导的方程 2.2.园口径抛物面天线的方程园口径抛物面天线的方程 第二十三页,本课件共有58页2 2 云及降水的雷达方程 四四.Rayleigh scattering.Rayleigh scattering的雷达气象方程的雷达气象方程 3.Probert-Jones3.Probert-Jones方程的简洁形式方程的简洁形式 K:the complex diele
12、ctric factor.For water is 0.93,and for ice is 0.197第二十四页,本课件共有58页where Z in normally expressed in logarithmic units雷达反射率因子的计算constantsRadarcharacteristicsTargetcharacteristics第二十五页,本课件共有58页Validity of the Rayleigh Approximation for weather targetsValid=10 cm=5 cm=3 cm=0.8 cmRaindrops:0.01 0.5 cm(all
13、 rain)Snowflakes:0.01 3 cm(most snowflakes)Hailstones:0.5 2.0 cm(small to moderate hail)Raindrops:0.01 0.5 cm(all rain)Snowflakes:0.01 1 cm(small snowflakes)Hailstones:0.5 0.75 cm(small hail)Raindrops:0.01 0.5 cm(all rain)Ice crystals:0.01 0.5 cm(single crystals)Graupel:0.1-0.5 cm(graupel)Raindrops:
14、0.01 0.15 cm(cloud and drizzle drops)Ice crystals:0.01 0.15 cm(single crystals)第二十六页,本课件共有58页Validity of the Rayleigh Approximation for weather targetsInvalid=10 cm=5 cm=3 cm=0.8 cmHailstones:2.0 cm(large hail)Snowflakes 1 cm(large snowflakes)Hailstones:0.75 cm(moderate to large hail)Raindrops:0.01
15、0.5 cm(all rain)Snowflakes 0.5 cm Hail and large graupelDrops 100 micronsAll ice particles except small crystals第二十七页,本课件共有58页The Equivalent Radar Reflectivity Factor,Ze 当瑞利散射不满足时,反射率因子变为等效反射率因子:等效反射率因子第二十八页,本课件共有58页Range of radar reflectivity factor in weather echoesWSR-88DPrecipitationModeWSR-88DC
16、lear AirMode75 dbZ=giant hail-28 dbZ=haze droplets45-50 dbZ=heavy rain25 dbZ=snow第二十九页,本课件共有58页Nebraska record hailstorm 2003 75 dBZ第三十页,本课件共有58页Heavy rain in Hurricane Andrews Eyewall=45 dBZ第三十一页,本课件共有58页Clear air echoes(few small insects)-12 dBZ第三十二页,本课件共有58页3 考虑充塞程度和衰减因子的雷达方程 一一.充塞程度充塞程度 1.1.波束充塞
17、程度波束充塞程度 如果没有完全充塞时如果没有完全充塞时,雷达观测到的回波功率雷达观测到的回波功率必定比完全充塞小必定比完全充塞小,因此要乘上一个小于因此要乘上一个小于1 1的系数的系数 ABh/2第三十三页,本课件共有58页3 考虑充塞程度和衰减因子的雷达方程 2.2.垂直充塞系数垂直充塞系数 物理意义物理意义:垂直方向上波束被降水或云滴充垂直方向上波束被降水或云滴充塞部分和波束在垂直方向上线宽度之比塞部分和波束在垂直方向上线宽度之比第三十四页,本课件共有58页3 考虑充塞程度和衰减因子的雷达方程 3.3.水平充塞系数水平充塞系数 物理意义物理意义:水平方向上波束被降水或云滴充水平方向上波束被
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