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机载雷达探测及其资料处理仿真软件平台设计与实现

纪雷  王振会  滕煦  赵凤环  吴彬  
【摘要】:云在大气系统有着重要的作用,其对大气辐射平衡有重要影响,云的形成和发展是产生降水的前提条件,是影响降水系统动力学和微物理特性的重要方面。雷达探测是获取云宏观和微观结构的重要手段。气象天气雷达通过发射一个电磁波能量脉冲,接收并计算大气中水成物粒子的后向散射能量。其中后向散射能量的大小与雷达的波长,水成物粒子的类型、大小、空间取向以及分布有关。目前在气象预报业务中广泛使用的常规天气雷达,对含有大水滴的浓密云区有一定的探测能力,主要是用于雨区观测,不能对水成物粒子较小的薄云或非降水云进行有效探测,而毫米波气象雷达却可以弥补这一缺陷,其可以有效的探测薄云以及非降水云内粒子群的雷达回波和速度的空间部分特征。在毫米波波段,大气中的水汽和氧气对电磁波的吸收衰减不可忽略,并且水成物对其的衰减也比较明显。机载毫米波雷达不但体积较小,而且可以非常灵活的进行探测。为了便于进行雷达探测及其资料处理仿真,我们设计开发了软件"SimRAD"(Simulating air borne Radardetection and Data processing),通过输入雷达探测频率,大气状态参数(高度、气压、气温、相对湿度)以及水成物相态、分布、含量(g/m3)或混合比(g/kg),便可以模拟出水成物的雷达回波以及水成物和大气吸收衰减的垂直廓线,并且可以对回波进行衰减订正。水成物的相态可以分为3种:水、冰、外包水膜冰球,外包水膜冰球主要用于对0度层亮带的模拟,外包水膜冰球复折射指数是假定其为冰水混合物,根据Bruggeman公式进行计算得到。水即为纯水,冰包含纯冰,霰,雪等,视为纯冰与空气的混合物,其复折射指数也是根据Bruggeman公式计算得到。对于水成物的分布函数,SimRAD提供4种选择:修正伽马分布,指数分布,幂函数分布,单一分布。衰减订正算法包括:HB法、迭代法、逐库近似法I、逐库近似法II、逐库法。水成物粒子散射理论是以球形粒子米散射理论为基础,把冰晶等非球形粒子等效为球形粒子进行模拟计算。大气吸收衰减按照Liebe理论计算。

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