非球形气象目标多次散射特性的理论与实验研究
发布时间：2020-08-02 21:51
【摘要】：大气中包含各种形状和成分的粒子,例如雨滴、冰雹、雪花、冰晶和沙尘等粒子。粒子散射特性的分析在气象领域有着广泛的应用,其中气象粒子的电磁和光散射特性研究更是一门对于国民经济和国防建设有着重大意义的研究课题。为了提高雷达系统的检测和预测能力,精确反演云和降水等天气现象的微物理性质,本文基于理论计算和实验测量研究了非球形气象目标的多次散射效应对其散射性质的影响,研究不仅包括传统气象雷达比较关注的后向散射截面,同时还分析了新型双偏振雷达参量的变化。(一)介绍球形和非球形粒子散射特性的计算理论,包括Mie散射理论、广义多粒子Mie理论、XFDTD软件、DDA和T矩阵方法,并进行了对比验证。(二)针对单个粒子散射特性的研究,利用XFDTD软件、DDA和T矩阵计算了单个非球形冰晶、雨滴、冰雹和沙尘的RCS和双偏振参量(Z_(dr)和L_(dr))的大小及变化规律。发现非球形粒子和其等效球形粒子RCS之间的差异在实际的精确探测中应该被考虑。同时发现,随着粒子直径和粒子旋转角度改变,六种冰晶粒子和扁椭球粒子的双偏振参量Z_(dr)和L_(dr)的变化趋势和粒子的直径和形状都有明显的相关性。(三)针对非球形粒子群RCS受多次散射影响的研究,利用XFDTD、GMM和简单相加法分别计算了非球形云、降水、冰雹、沙尘粒子群的RCS,发现多次散射造成的平均差异分别为1.34%、15.23%、2.39%和6.33%。(四)利用电磁缩比理论和南京信息工程大学粒子散射测量装置测量了球形粒子群和非球形粒子群的RCS,对比结果后认为电磁相似理论能够应用于实验室粒子散射特性的测量。(五)针对多次散射因子的研究,提出了多次散射因子的概念,即粒子个数、谱分布、排布、间距、形状、材料和空间取向都会一定程度上的影响多次散射,这些影响多次散射程度的因子,称之为多次散射因子。较为完整的研究了等大双球系统在随机取向时于S、C和X波段的散射性质,包括了后向散射截面RCS,衰减截面C_(ext),散射截面C_(sca),不对称因子g,以及单次散射反照率w,发现球心间距为球体半径四倍处是双球系统多次散射影响大小的一个明确的分界点。讨论了降水、冰雹和沙尘粒子群中粒子的排布对非球形粒子群多次散射的影响。发现排布的平均影响分别为9.43dB,2.49dB和5.5dB。
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P422.3;P412.25
【图文】：
输出文件:幅度散射矩阵单个以及所有粒子的散射截面散射强度图 2.1. GMM 方法计算粒子群散射特性的流程形粒子电磁散射计算方法DTD 是基于时域有限差分（FDTD）方法的全波三维电磁场仿真软倡导。近年来，该方法已广泛应用于求解各种目标物(包括冰晶互作用[10-12]。FDTD 是直接从求解时域 Maxwell 旋度方程出发著的优点在于概念简单和易于贯彻，避免了积分方程法常有的D 更适用于求解具有复杂形状和非均匀小粒子的光散射[13]。FDTD 计算冰晶粒子的散射问题的流程一般如图 2.2 所示：
第三章 气象目标散射特性理论计算⑤聚合体：L1=800，a1=232.8，L2=802，a2=259.046，L3=803，a3=288.277，L4=804，a4=306.324，L5=805，a5=296.24，L6=806，a6=283.712，L7=807，a7=268.731，L8=808，a8=252.096；⑥过冷水滴：R=400，a1=214.0359，a2=380.0106，L2=124.8676，L1=337.9181。XFDTD软件中仿真模型在坐标系中的排放位置及方向如图 3.1 所示：
(b) (d)图 3.2. 四种等效扁椭球粒子在 XFDTD 软件中的示意。(a) 等效球直径为 3000 μm, (b) 等效球直径5000 μm, (c) 等效球直径为 7000 μm, (d) 等效球直径为 9000 μm利用 XFDTD 软件计算直径为 3000 μm，5000 μm，7000 μm 以及 9000 μm 时球雨滴粒子及其等效扁椭球粒子的后向散射截面，结果如表 3.6 所示：表 3.6. 球形雨滴及其等效扁椭球雨滴粒子后向散射截面结果的对比（单位：dBm2）球的直径(μm) 雨滴形状 S C X Ku3000球形 -87.23 -76.80 -68.11 -63.08扁椭球 -86.01 -75.80 -67.06 -62.785000球形 -74.47 -66.76 -55.93 -50.80扁椭球 -72.46 -63.66 -44.34 -41.967000球形 -66.75 -45.43 -44.45 -42.20扁椭球 -62.86 -44.87 -37.68 -40.649000球形 -63.87 -42.12 -37.47 -40.73扁椭球 -55.71 -39.88 -36.84 -35.32由表 3.6 可知，XFDTD 软件计算的球形雨滴粒子的后向散射截面均小于其等效
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P422.3;P412.25
【图文】：
输出文件:幅度散射矩阵单个以及所有粒子的散射截面散射强度图 2.1. GMM 方法计算粒子群散射特性的流程形粒子电磁散射计算方法DTD 是基于时域有限差分（FDTD）方法的全波三维电磁场仿真软倡导。近年来，该方法已广泛应用于求解各种目标物(包括冰晶互作用[10-12]。FDTD 是直接从求解时域 Maxwell 旋度方程出发著的优点在于概念简单和易于贯彻，避免了积分方程法常有的D 更适用于求解具有复杂形状和非均匀小粒子的光散射[13]。FDTD 计算冰晶粒子的散射问题的流程一般如图 2.2 所示：
第三章 气象目标散射特性理论计算⑤聚合体：L1=800，a1=232.8，L2=802，a2=259.046，L3=803，a3=288.277，L4=804，a4=306.324，L5=805，a5=296.24，L6=806，a6=283.712，L7=807，a7=268.731，L8=808，a8=252.096；⑥过冷水滴：R=400，a1=214.0359，a2=380.0106，L2=124.8676，L1=337.9181。XFDTD软件中仿真模型在坐标系中的排放位置及方向如图 3.1 所示：
(b) (d)图 3.2. 四种等效扁椭球粒子在 XFDTD 软件中的示意。(a) 等效球直径为 3000 μm, (b) 等效球直径5000 μm, (c) 等效球直径为 7000 μm, (d) 等效球直径为 9000 μm利用 XFDTD 软件计算直径为 3000 μm，5000 μm，7000 μm 以及 9000 μm 时球雨滴粒子及其等效扁椭球粒子的后向散射截面，结果如表 3.6 所示：表 3.6. 球形雨滴及其等效扁椭球雨滴粒子后向散射截面结果的对比（单位：dBm2）球的直径(μm) 雨滴形状 S C X Ku3000球形 -87.23 -76.80 -68.11 -63.08扁椭球 -86.01 -75.80 -67.06 -62.785000球形 -74.47 -66.76 -55.93 -50.80扁椭球 -72.46 -63.66 -44.34 -41.967000球形 -66.75 -45.43 -44.45 -42.20扁椭球 -62.86 -44.87 -37.68 -40.649000球形 -63.87 -42.12 -37.47 -40.73扁椭球 -55.71 -39.88 -36.84 -35.32由表 3.6 可知，XFDTD 软件计算的球形雨滴粒子的后向散射截面均小于其等效
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本文编号：2779113
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