一、電磁波的散射

1. 電磁波的特征

• 電磁波是在空間傳播的電磁（）和磁場(chǎng)（），它在時(shí)空上呈現(xiàn)正弦和余弦的變化。

具有振幅、極化面、波長(zhǎng)（或頻率）、傳播方向四個(gè)基本物理量。

因?yàn)閮烧呖偸谴笥?，所以電磁波的介質(zhì)中傳播速度小于1（光速）。

介電常數(shù)

X波段雷達(dá)，在溫度等于0攝氏度情況下，水和冰的介電常數(shù)。

可以看出水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于冰，而且冰水兩者的介電常數(shù)的差異是我們?cè)诶走_(dá)探測(cè)中，用于區(qū)分相態(tài)的理論基礎(chǔ)。

折射指數(shù)

介電常數(shù)越大，折射指數(shù)越大。

一般來(lái)說，折射指數(shù)也可以表達(dá)為復(fù)數(shù)的形式：

實(shí)部：電磁波在真空傳播速度在介質(zhì)中傳播速度的比值。

虛部：吸收系數(shù)

2. 電磁波的散射

散射原理

散射類型

• 目前常用的天氣雷達(dá)，波長(zhǎng)通常采用 3-10CM厘米
• 雨滴直徑，很少超過6MM毫米，可以用瑞利散射方法處理
• 因此，X波段雷達(dá)廣泛用于業(yè)務(wù)雷達(dá)預(yù)警和監(jiān)測(cè)。

粒子散射能力

• 與粒子的大小、形狀、電學(xué)特性有關(guān)。
• 氣象上的云滴、雨滴等粒子近似地認(rèn)為圓球形或橢球形。

散射能流密度

這就是將云滴或雨滴假設(shè)成球形后，電磁波散射一般表達(dá)式。

3. 球形粒子和粒子群的散射特性

分成兩類：

瑞利散射

米散射

瑞利散射

這是瑞利散射的能量分布圖，可以看出它的前向散射和后向散射幾乎是對(duì)稱的，瑞利散射的發(fā)生條件要求粒子很小。如圖所示，這個(gè)波形表示電磁波的波長(zhǎng)，而粒子在遠(yuǎn)小手波長(zhǎng)的條件下，可以認(rèn)為作用在粒子里的電場(chǎng)是均勻的，所以在不同部分的感應(yīng)電場(chǎng)也是均勻的，在這種情況下，粒子的散射可以用瑞利散射公式計(jì)算，而當(dāng)粒子的尺寸和波長(zhǎng)接近或者大于波長(zhǎng)的時(shí)候，就不能采用瑞利散射的方法。

這時(shí)候需要用普遍的米散射理論，來(lái)對(duì)粒子的散射進(jìn)行描述。

這是球形粒子的米散射能量分布圖，它的前向散射北后向散射大。

同樣可以看到，由于粒子比電磁波的入射波長(zhǎng)更長(zhǎng)，所以作用在粒子里不同部位的電場(chǎng)強(qiáng)度是不同的，它感應(yīng)出來(lái)的電場(chǎng)也是不同的，這些不同所導(dǎo)致的后向散射存在的差異，就不能用均勻的表達(dá)來(lái)進(jìn)行描述。

米散射

4. 球形水滴和冰粒子后向散射的差異

橫軸：為粒子尺寸和入射波長(zhǎng)的比值

縱軸：表示標(biāo)準(zhǔn)化的后向散射截面，即粒子的局向散射截面除以它的幾何面積

• 瑞利散射區(qū)內(nèi),冰球的散射能力是同體積水球的1/5（因?yàn)楸慕殡姵?shù)比水小）
• 米散射區(qū)內(nèi),冰粒直徑增大,散射能力也增強(qiáng),最大可達(dá)水滴10倍

5. 單一粒子散射

是振幅

振幅是兩項(xiàng)構(gòu)成

單一粒子的振幅

與粒子和粒子之間的相對(duì)距離有光

6. 后向散射截面

后向散射截面σ：

????????設(shè)有一個(gè)理想的散射體,其截面能全部接收到其上的電磁波能量,并全部均勻地向四周散射;若該理想散射體散射回雷達(dá)天線處的電磁波能流密度,恰好等于同距離上實(shí)際散射體返回雷達(dá)天線的電磁波能流密度,則該理想散射體的截面就稱為實(shí)際散射體的后向散射截面。

σ的意義:

當(dāng)入射能流密度大小一定時(shí),散射粒子雷達(dá)截面的大小就反映了其產(chǎn)生后向散射能力的大小;因此后向散射截面越大,后向散射能量越大,產(chǎn)生的回波功率越大。

瑞利散射中：

后向散射截面和波長(zhǎng)，介電常數(shù)有關(guān)，但不再與距離有關(guān)。

所以在不同的距離和位置，同樣目標(biāo)的后向散射截面是相同的，盡管它們后向散射的能流密度是不同的。

雷達(dá)反射率：

定義：在單位體積里，所有的粒子后向散射截面之和。

• 與云雨滴譜的分布有關(guān),也與雷達(dá)自身參數(shù)(如波長(zhǎng))有關(guān)。
• 不能用該量直接比較云雨粒子群的差異

雷達(dá)反射率因子

• Z值的大小只取決于云雨滴譜的情況
• Z值正比于D6，表明少數(shù)大粒子將提供回波功率的絕大部分

Z的分貝表示形式

二、電磁波的折射

1. 電磁波折射原理

電磁波在真空中沿直線傳播。當(dāng)電磁波入射到折射指數(shù)不同的介質(zhì)的交界面上時(shí),就會(huì)發(fā)生折射現(xiàn)象,使電磁波的傳播路徑發(fā)生彎曲。

由于電磁波在介質(zhì)中傳播的速度總是比在真空中小，所以折射指數(shù)大于1。

大氣折射曲率 K

為描述電磁波在大氣中出的傳播路徑，定義了大氣折射曲率。

• 它與折射指數(shù)隨高度的變化呈負(fù)相關(guān)。

簡(jiǎn)單推導(dǎo)一下大氣折射曲率，以地球?yàn)橹行?#xff0c;將大氣在垂直方向上分成不同的薄層，每層的折射指數(shù)不同，當(dāng)電磁波通過不同的薄層時(shí)，其傳播路徑會(huì)發(fā)生偏折。

大氣折射指數(shù)N單位

• 一般情況下,隨高度增加，氣壓P和水氣壓e減小得快，氣溫T減小得慢，總體效果是n隨著高度的增加而減少。這使得電磁波向地面彎曲。

從圖可以看出：

在水汽壓等于1時(shí)，溫度從260K變到了310K，折射指數(shù)僅從300變化到250，變化約為60

而當(dāng)溫度為260K時(shí)，水汽壓e從1增加到40，折射指數(shù)N從300變化到530，變化的范圍約為220

這說明水汽壓的影響比溫度的影響更大。

• P為快變量，T為慢變量，所以n~P。

因此折射指數(shù)也更氣壓更相關(guān)。

• N的水平變化可忽略。

大氣要素在垂直上的變化遠(yuǎn)大于在水平方向，所以折射指數(shù)的水平變化，可以忽略不計(jì)。

等效地球半徑 R'm

2. 大氣折射的幾種情況

（1）標(biāo)準(zhǔn)大氣折射

（2）超折射

電磁波射線的絕對(duì)曲率大于地球表面的絕對(duì)曲率時(shí)，射線彎向地面,經(jīng)反射后繼續(xù)向前傳播，反復(fù)多次，使射線在地球表面和某一層大氣之間輾轉(zhuǎn)向前傳播，又稱大氣波導(dǎo)傳播。

在軍事上常用來(lái)測(cè)量遠(yuǎn)距離的軍事目標(biāo)。

氣象條件：n隨高度迅速減小，即氣溫隨高度增加，同時(shí)水汽壓隨高度迅速減小，呈現(xiàn)“暖干蓋”的大氣層結(jié)。

超折射類型：

a. 輻射超折射

b. 平流超折射

c. 雷暴超折射

超折射特點(diǎn)

雷達(dá)波遇到的地物所產(chǎn)生的后向反射波也沿同樣的路徑返回天線,因此雷達(dá)熒光屏上地物回波顯著增多、增強(qiáng)。

雷達(dá)平面掃描圖呈輻輳狀排列的短線或片狀

一般發(fā)生在近地面100-1000米很薄的一層氣層中。

圖中西南和東部區(qū)域有大范圍的回波，根據(jù)超折射回波的特點(diǎn)，在西南區(qū)域有明顯的輻射條狀和地物回波增多，而東部區(qū)域的回波更為連續(xù)，符合降水回波的特征。但是對(duì)于沒有經(jīng)驗(yàn)的預(yù)報(bào)人員來(lái)說，很難區(qū)分超折射回波和降水回波區(qū)，為了準(zhǔn)確判斷超折射回波。

一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法就是對(duì)比高仰角的雷達(dá)數(shù)據(jù)，當(dāng)雷達(dá)抬角掃描時(shí)，邁過了超折射層后，圖上依然存在的回波就是降水。因?yàn)榻邓到y(tǒng)往往在空間上，有一定程度的延伸。反之對(duì)超折射回波來(lái)說，它只發(fā)生在近地很薄的一層中，

1.5度仰角圖來(lái)看，西南部的大部分輻射狀條狀的回波已經(jīng)消失，而東部區(qū)域的回波還存在，說明底層西南側(cè)的回波是超折射引起。

（3）臨界折射

（4）零折射

實(shí)際情況不會(huì)發(fā)生

（5）負(fù)折射

3. 大氣折射對(duì)雷達(dá)探測(cè)的影響

地基雷達(dá)0仰角對(duì)高度H目標(biāo)的最大探測(cè)距離

高架雷達(dá)0仰角最大探測(cè)距離

雷達(dá)架高可以避免障礙物，但也會(huì)減少最大探測(cè)距離

高架雷達(dá)俯視最大探測(cè)距離

• 傳統(tǒng)觀測(cè)模式：僅有0.5°仰角的觀測(cè)
• 新型觀測(cè)模式：在0.5°仰角基礎(chǔ)上，增加了0.2° 、0.0°、-0.2° 底層探測(cè)

• 優(yōu)勢(shì)：

• • 1. 大氣低層的探測(cè)能力有所提高

• 缺點(diǎn)：

• • 1. 旁瓣的影響導(dǎo)致地物回波增多
  • 2. 同時(shí)沿海地區(qū)的海雜波信息增加

雷達(dá)波束的偏離

• 即使雷達(dá)作水平探測(cè)，當(dāng)探測(cè)距離較遠(yuǎn)時(shí)波束軸線的高度也會(huì)偏離地面數(shù)公里。
• 近距離探測(cè)降水掃描到降水云的底部，遠(yuǎn)距離探測(cè)降水掃描到降水云的中部或頂部。
• 降水云在距離較遠(yuǎn)處發(fā)展高度較低時(shí)將探測(cè)不到

雷達(dá)回波變形

測(cè)高公式

補(bǔ)充小雷達(dá)的應(yīng)用

在1000m很難分析出龍卷渦旋的特征，但是根據(jù)S波段和X波段組網(wǎng)信息，可以很清楚分析出龍卷渦旋的結(jié)構(gòu)。

說明補(bǔ)充小雷達(dá)可提升對(duì)低層大氣的探測(cè)能力。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的雷达电磁波的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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