降雨粒子的无线紫外光散射特性

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赵太飞, 赵思婷, 段钰桢, 张颖. 降雨粒子的无线紫外光散射特性[J]. 光谱学与光谱分析, 2019,39(8): 2431-2436.
ZHAO Tai-fei, ZHAO Si-ting, DUAN Yu-zhen, ZHANG Ying. Research on Wireless Ultraviolet Scattering Characteristics of Rainfall Particles[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2019,39(8): 2431-2436.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2019)08-2431-06 复制到剪切板

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降雨粒子的无线紫外光散射特性

赵太飞, 赵思婷, 段钰桢, 张颖

西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西西安 710048

作者简介: 赵太飞, 1978年生, 西安理工大学自动化与信息工程学院教授 e-mail: zhaotaifei@163.com

收稿日期: 2018-05-28 接受日期: 2018-09-20

基金: 国家自然科学基金-中国民航局民航联合研究基金项目(U1433110); 陕西省重点产业链创新计划项目(2017ZDCXL-GY-06-01); 陕西省教育厅服务地方专项计划项目(17JF024)资助

摘要

紫外光与降雨粒子相互作用发生散射, 散射光特性改变能够反映降雨粒子的相关物理特性(如粒子尺寸参数、浓度、形态), 因此研究粒子的物理参数对散射光特性的影响对有效提高光谱法定量探测降水的精度有很大意义。由于雨滴在非球形降水粒子中具有代表性, 以群雨滴粒子为例, 采用T矩阵理论, 利用紫外光直视和非直视单次散射模型, 分析了入射光波长、群雨滴粒子形态、降雨强度、粒径大小与散射光强之间的关系。并用蒙特卡洛方法仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度和粒径下散射角与散射光强之间的关系, 以及降雨环境中的风切变对紫外光散射特性的影响。通过理论及仿真分析, 得到了不同群雨滴粒子形态下的路径损耗, 不同降雨强度、风切变率和粒径下的散射光强分布。仿真结果表明: 在紫外光直视与非直视通信方式下, 降雨环境中的通信质量比晴天条件下的通信质量差, 即路径损耗增大。当粒径分布已知时, 随着降雨强度的增大, 衰减系数增大, 路径损耗增加, 且直视通信方式的路径损耗比非直视降低7 dB左右。随着降雨强度、风切变率和粒子粒径的增大, 散射光强曲线整体呈下降趋势, 其中, 降雨强度的变化对散射光强分布影响程度最大。相同通信距离时, 不同降雨强度下的紫外光散射光强分布均随着散射角的增大而减小, 当散射角继续增大到90°时, 有效散射体体积逐渐减小, 接收到的光子能量减小, 暴雨中的散射光强衰减程度最大。相同降雨强度下考虑风切变时, 相比较无风时的路径损耗增大5 dB左右。除此之外, 还研究了椭球形和切比雪夫形粒子对紫外光散射光强的影响, 结果表明当粒子粒径分布相同时, 椭球形粒子的散射光强衰减较广义切比雪夫形粒子大。根据散射粒子的散射光强分布以及路径损耗能够区分雨滴粒子是否由相同粒径及形态组成, 为粒子测量提供理论基础。分析降水中群雨滴粒子的光散射特性, 为提高光谱法评估降水衰减的数值模拟方面提供理论依据, 为光学技术在探测识别降水现象等气象领域的广泛应用提供了设计参考。

关键词: 紫外光; 降雨粒子; 散射光强; T矩阵

中图分类号:TN926 文献标志码:A

Research on Wireless Ultraviolet Scattering Characteristics of Rainfall Particles

ZHAO Tai-fei, ZHAO Si-ting, DUAN Yu-zhen, ZHANG Ying

School of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China

Abstract

As ultraviolet light will be scattered by rainfall particles, the changes of scattered light characteristics can reflect the physical properties (such as particle size parameters, density and shape ) of rainfall particles. Therefore, it is of great significance to study the influence of the physical parameters of the particles on the characteristics of the scattered light that can effectively improve the accuracy of the detection of precipitation by spectroscopy. Due to the representation of raindrops in non-spherical precipitation particles, in this paper, the raindrop particles are taken as an example. Using the UV line-of-sight and non-line-of-sight scattering models, we analyzed the relationship between the scattered light intensity and a series of object parameters, including wavelength of incident light, the morphology of raindrop particles, rainfall intensity and particle size. For non-spherical raindrop particles, we also simulated and analyzed the relationship between scattering angle and scattered light intensity at different particle size, rainfall intensity and the influence of wind shear in rainfall on ultraviolet light scattering properties using Monte Carlo method. Through theoretical and simulation analysis, the path loss under different groups of raindrop particle shapes, the scattered light intensity distribution under different rainfall intensity, wind shear rate and particle size were obtained. The simulation results show that the communication quality in the rainfall environment is worse than that in the sunny day, which means greater path loss under UV LOS and NLOS communication. When the particle size distribution is known with the increase of rainfall intensity, attenuation coefficient increase and the path loss increase, the attenuation of LOS communication can be less than about 7 dB for NLOS communication. With the increase of rainfall intensity, wind shear rate and particle size, scattered light intensity curve shows a downward trend, among which, the change in rainfall intensity has the greatest effect on the scattered light intensity. When the communication distance is the same, the intensity distribution of UV light scattering under different rainfall intensity decreases with the increase of scattering angle, when the scattering angle increases by more than 90 degrees, the effective scattering volume decreases, the received photon energy decreases, so the scattering intensity in rainstorm attenuation is larger. Under the same rainfall intensity, when the wind shear is taken into account, the scattering intensity decreases, and the path loss increases about 5 dB when compared with that without wind. In addition, the effects of ellipsoid and Chebyshev particles on the intensity of UV light scattering have also been studied in this paper, which show that when the particle size is the same, the attenuation of ellipsoid particles is larger than that of Chebyshev particles. The scattered light intensity distribution and path loss of the scattering particles can be used to distinguish whether the raindrop particles are composed of the same particle size and morphology, providing a theoretical basis for particle measurement. And we analyzed the characteristics of light scattering of raindrop particles in rainfall, which provides a theoretical basis for improving the numerical simulation of rainfall attenuation assessment by spectroscopy and also provides a design reference for the wide application of optical technology in the detection and identification of rainfall phenomena and other meteorological fields.

Keyword: Ultraviolet; Rainfall particles; Scattering intensity; T matrix

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引言

降水是指云中液态水或固态水向地面降落的一种天气现象, 是全球热循环和气候变化的重要研究对象。降雨粒子的相关物理特性参数在人工影响天气研究和测雨雷达定标等领域有重要应用。随着光学技术的发展, 光谱探测技术逐渐成为测量降雨粒子物理特性的主流方向^[1]。光在大气传输中, 散射粒子的光强分布能够反映粒子的尺寸大小和形态, 从而对降水现象进行准确识别^[2]。 “ 日盲” 紫外光是波长在200280 nm的紫外线, 大气中的臭氧分子对该波段的太阳光有极强的吸收作用, 在此波段紫外光可近似认为无背景干扰噪声, 其他干扰源也很难实施远距离干扰, 具有全天候、宽视场接收等优点^[3]。

目前, 将光学散射探测、雷达探测等技术应用于降水现象的测量, 其中光散射技术主要是利用降水粒子在可见光或近红外光波段的散射效应, 根据散射光信号强度、频率等特性来确定降水量和降水类型。对粒子光散射特性研究已经有一定基础, Saverio Mori^[4]等研究了雾滴、水滴、雪花以及小冰雹粒子对自由空间光散射特性的影响。 Vo Quang Sang^[5]等研究了紫外-可见光波段水体中悬浮颗粒物的散射光强特性, 结果表明散射光强分布与粒子形状和粒子旋转角有关, 随着粒子旋转角的增大, 散射光强有所减小。 Gong^[6]等研究了雾滴粒子的紫外光散射特性, 结果表明适当增加雾滴粒子浓度更利于减小散射光强衰减。 Sun^[7]等采用蒙特卡洛法研究了气溶胶在光谱宽度为0.21.6 μ m的信道脉冲响应。

以上研究主要针对粒子浓度对光散射衰减特性的影响。对粒子粒径、形态等粒子物理特性对散射光强的影响研究相对较为薄弱, 特别是对紫外光在降水环境下的散射角和散射光强的分析研究更少。因此研究降水环境中紫外光散射特性、散射光强分布对利用紫外光测量降水强度、粒子形态以及粒径分布具有重要意义。

从非球形群雨滴粒子散射和衰减理论出发, 依据T矩阵理论和蒙特卡洛方法, 利用紫外光直视(line-of-sight, LOS)和非直视(non-line-of-sight, NLOS)单次散射模型, 仿真分析了非球形群雨滴粒子在不同降雨强度、风切变率、粒子形态以及粒径分布下对紫外光散射特性的影响。

1 理论基础

1.1 T矩阵散射理论

粒子在入射场照射下, 表面产生电流并形成散射场, 入射场E^inc和散射场E^sca可展开为矢量球面波函数形式^[8]

$\begin{array}{l} E^{inc} (r) = \overset{\infty}{\sum_{n = 1}} \overset{n}{\sum_{m = - n}} [a_{mn} Rg M_{mn} (k_{1} r) + b_{mn} Rg N_{mn} (k_{1} r)] (1) \\ E^{sca} (r) = \overset{\infty}{\sum_{n = 1}} \overset{n}{\sum_{m = - n}} [p_{mn} M_{mn} (k_{1} r) + q_{mn} N_{mn} (k_{1} r)], | r | > r_{0} (2) \end{array}$

式中, k₁=2π /λ 是环境介质中的波数, r₀为以坐标原点为中心的散射体最小外接球半径, M_mn(kr)和N_mn(kr)是基于第一类Hankel函数 $h_{n}^{(1)}$ (kr)的矢量波函数, RgM_mn(kr)和RgN_mn(kr)是Bessel函数矢量波函数。平面入射波展开系数表示为

$\begin{array}{l} a_{mn} = 4 π {(- 1)}^{m} i^{n} d_{n} E_{0}^{inc} C_{mn}^{*} (ϑ^{inc}) \exp (- im φ^{inc}) (3) \\ b_{mn} = 4 π {(- 1)}^{m} i^{n - 1} d_{n} E_{0}^{inc} B_{mn}^{*} (ϑ^{inc}) \exp (- im φ^{inc}) (4) \end{array}$

由Maxwell方程和边界条件线性特征, 散射波系数与入射波系数具有线性相关性, 具体可表示为^[8]

$\{\begin{array}{l} p_{mn} = \overset{\infty}{\sum_{n' = 1}} \overset{n'}{\sum_{m' = - n'}} (T_{mnm' n'}^{11} a_{m' n'} + T_{mnm' n'}^{12} b_{m' n'}) \\ q_{mn} = \overset{\infty}{\sum_{n' = 1}} \overset{n'}{\sum_{m' = - n'}} (T_{mnm' n'}^{21} a_{m' n'} + T_{mnm' n'}^{22} b_{m' n'}) \end{array} (5)$

入射场与散射场之间可用以下矩阵表示

$[\begin{array}{l} p \\ q \end{array}] = T [\begin{array}{l} a \\ b \end{array}] = [\begin{array}{l} T^{11} & T^{12} \\ T^{21} & T^{22} \end{array}] [\begin{array}{l} a \\ b \end{array}] (6)$

当T矩阵已知时, 散射波系数可由式(6)得到, 进而可以计算得到非球形粒子的消光截面、散射截面、吸收截面, 具体的计算公式如式(7)^[9]

$\{\begin{array}{l} C_{ext} = - \frac{2 π}{k^{2}} Re \overset{n_{\max}}{\sum_{n = 1}} \overset{n}{\sum_{m = - n}} [T_{mnmn}^{11} + T_{mnmn}^{12}] \\ C_{sca} = - \frac{2 π}{k^{2}} \overset{n_{\max}}{\sum_{n = 1}} \overset{n_{\max}}{\sum_{n' = 1}} \overset{n}{\sum_{m = - n}} \overset{n'}{\sum_{m' = - n}} \overset{2}{\sum_{i = 1}} \overset{2}{\sum_{j = 1}} | T_{mnm' n'}^{ij} | \end{array} (7)$

非球形粒子消光和散射系数可表示为

$Q_{ext, sca} = C_{ext, sca} / G (8)$

1.2 非球形降雨粒子模型

根据不同尺寸自由下落的雨滴形状, 选取近似椭球形和广义切比雪夫模型来模拟雨滴粒子。图1(a)是椭球形粒子形状示意图, 其中: a和b分别为水平半轴和旋转半轴; α 是旋转轴与z轴的夹角。

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	图1 (a) 椭球形粒子形状示意图; (b) 切比雪夫粒子形状示意图Fig.1 (a) Diagram of ellipsoid particles shape; (b) Diagram of chebyshev particle shape

Beard和Chuang提出的雨滴形状模型(B-C模型)如图1(b)所示, 可近似看作是通用的切比雪夫粒子, 具体表达式为^[10]

$r (θ) = r_{0} [1 + \overset{N}{\sum_{n = 0}} c_{n} T_{n} (\cos θ)] (9)$

其中, r(θ )表示不同角度对应的粒子半径, r₀为不失真球半径, 式中的粒子尺寸被定义为等效表面积球体半径r_s或等效体积球体半径r_v。

1.3 降雨环境中的紫外光散射信道模型

雨滴谱是对应于单位空间体积内直径在DD+d内的雨滴大小分布。一般选取负指数分布即M-P分布, 具体的谱分布表示形式为^[11]

$N (D) = N_{0} \exp (- ΛD) (10)$

式中, N(D)为单位体积内直径为D的雨滴数目, N₀=8 000 m^-3· mm^-1, Λ =4.1R^-0.21 (mm^-1), R表示的是降雨率(mm· h^-1)。根据文献[11]选取不同的降雨类型, 结合负指数M-P雨滴谱分布, 可得到单位体积内降雨衰减系数, 如表1所示。

表1 266 nm紫外光在不同降雨强度下的衰减系数 Table 1 Attenuation coefficient of 266 nm UV light under different rainfall intensities

紫外光LOS通信单次散射链路模型如图2(a)所示, 发射端光源T_x以发散角ϕ ₁发射光信号, 接收器R_x接收视场角ϕ ₂, T_x与R_x之间距离为r, V为有效散射体积。根据紫外光LOS散射链路模型, 接收光功率表达式可表示为^[12]

$P_{r, los} = P_{t} {(\frac{λ}{4 π r})}^{2} e^{- K_{e} r} \frac{4 π A_{r}}{λ^{2}} (11)$

其中, P_t为发射功率, r为通信距离, λ 为波长, A_r为接收孔径面积。 K_e为大气信道的消光系数, 雨滴粒子对光束能量的衰减由散射系数K_s和吸收系数K_a表示, 波长为λ 的紫外光在降雨环境中的消光系数可表示为^[13]

$K_{e} = K_{s} + K_{a} (12)$

紫外光NLOS单次散射几何模型如图2(b)所示。 θ ₁为发送仰角, θ ₂为接收仰角, θ _s是散射角, NLOS通信链路中接收光功率表达式^[13]

$\begin{array}{l} P_{r} = \frac{P_{t} A_{r} K_{s} P_{s} ϕ_{2} ϕ_{1}^{2} \sin (θ_{1} + θ_{2})}{32 π^{3} r \sin θ_{1} (1 - \cos \frac{ϕ_{1}}{2})} \cdot \\ \exp [- \frac{K_{e} r (\sin θ_{1} + \sin θ_{2})}{\sin (θ_{1} + θ_{2})}] (13) \end{array}$

其中, P_t是发送功率, A_r是接收孔径面积, K_s是散射系数, ϕ ₁和ϕ ₂分别为发送端发散角和接收视场角, P_s为散射角θ _s的相函数, 且θ _s=θ ₁+θ ₂, r为通信距离。

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	图2 紫外光信道模型 (a): LOS链路模型; (b): NLOS链路模型Fig.2 The channel model of UV (a): LOS communication system; (b): NLOS communication system

2 仿真结果与分析

2.1 不同波长下路径损耗随降雨强度的变化

采用T矩阵理论和蒙特卡洛方法仿真了不同波段内路径损耗随降雨强度的变化, 以近似椭球形群雨滴粒子为例, 选取等体积球半径为0.5 mm的雨滴粒子作为散射粒子进行仿真, 并与文献[9]中给出的衰减值进行对比, 通信距离r=1 km。

由图3可看出, 路径损耗随降雨强度的增大而增大, 不同波段内的路径损耗变化程度不同。文献[9]是对球形粒子不同入射波长下路径损耗随降雨强度的衰减仿真, 本工作采用T矩阵和蒙特卡洛方法将不同波段球形与非球形雨滴粒子仿真结果与文献中数据进行对比, 仿真条件相同时, 路径损耗变化趋势基本相同。当紫外光波长为266 nm时随着降雨强度的增大, 路径损耗增加约为10 dB左右。

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	图3 不同波长下路径损耗随降雨强度的变化Fig.3 Changes of path loss with rainfall intensity at different wavelengths

2.2 非球形群雨滴粒子路径损耗分析

形变量为2的近似椭球形粒子在不同降雨强度下紫外光LOS和NLOS单次散射模型路径损耗仿真结果如图4所示, 其中NLOS通信的收发仰角θ ₁=θ ₂=20° , 发散角ϕ ₁=6° , 接收视场角ϕ ₂=80° , 晴朗天散射系数和消光系数分别取0.75× 10^-3和1.25× 10^-3 m^-1。入射波长λ =266 nm, 发射功率0.8 mW, 接收孔径A_r为1.66 cm²。

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	图4 近似椭球形粒子通信距离对路径损耗的影响Fig.4 Influence of communication distance on path loss for ellipsoid-like particles

由图4(a)可看出, 紫外光LOS通信时, 相同通信距离下, 暴雨中的衰减大于小雨和中雨情况, 路径损耗大。主要原因在于LOS通信时, 信道的散射特性由衰减系数决定, 小雨衰减系数较小, 暴雨中的衰减较大, 故其路径损耗随着降雨强度的增大而增大。由图4(b)可看出, 紫外光NLOS通信方式下, 路径损耗的变化趋势与图4(a)一致, 且LOS通信方式下的衰减比NLOS大约小7 dB。主要原因在于紫外光NLOS通信主要依靠大气散射和吸收作用实现, 小雨中单位体积内雨滴数目较多, 散射作用大于吸收作用, 随着降雨强度的增大, 暴雨中的吸收作用增强, 紫外透过率降低。

图5分别针对紫外光LOS和NLOS单次散射几何模型对形变ξ =0.1的切比雪夫形群雨滴粒子的仿真。由图可看出, 切比雪夫形雨滴粒子的散射特性与椭球形粒子相类似, 路径损耗随着降雨强度的增加而增大。通信距离相同时, 切比雪夫形粒子的路径损耗略小于椭球形粒子, 原因在于椭球形粒子散射截面较切比雪夫形粒子大, 能够较大提高入射光衰减效率, 因此椭球形粒子路径损耗较大。

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	图5 切比雪夫形粒子通信距离对路径损耗的影响Fig.5 Influence of communication distance on the path loss for Chebyshev particles

2.3 不同降雨强度和不同粒径下非球形群雨滴的散射光强分析

以形变量为2的椭球形群雨滴粒子为例, 采用蒙特卡洛方法仿真了紫外光NLOS通信方式在不同降雨强度和粒径下散射角对散射光强的影响。其中发射光子数目M=10⁵, 通信距离r=100 m, 并用接收到光子能量表征粒子散射光强分布。

图6为不同降雨强度下椭球形群雨滴粒子散射光强分布曲线, 随着散射角增大, 散射光强曲线整体呈下降趋势。原因在于当散射角较小时, 有效散射体较大, 随着散射角增大, 有效散射体变小, 接收到总光子能量减小, 因此散射光强减小。图7为假设降雨强度R=25 mm· h^-1, 不同粒径下散射角对散射光强影响。由图可看出, 当散射角较小时, 不同粒径下雨滴散射光强差别不大。原因在于相对于降雨强度引起的衰减, 粒径变化引起散射系数相差不大, 因此其散射光强相差较小。通过研究散射角与散射光强的关系, 可以反推出降雨强度和粒子粒径分布。

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	图6 不同降雨强度下散射角对散射光强的影响Fig.6 Changes of scattering angle on scattering intensity under different rainfall intensities

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	图7 不同粒径下散射角对散射光强的影响Fig.7 Changes of scattering angle on scattering intensity under different particles sizes

2.4 降雨环境中风切变对椭球形群雨滴粒子散射特性的影响

雨滴在下落过程中, 以对称轴沿铅直方向的单个椭球模型为例描述, 如图8所示, 当水平环境风场存在垂直切变时, 降落中的雨滴粒子与水平风场之间存在相应的速度差, 水平方向会存在风力F_v, 雨滴粒子倾斜角α 取决于粒子末速度V_∞与环境风场垂直切变率 ${w_{s}}^{[14]}$ : tanα =w_sV_∞/g。倾斜角α 的取值范围如图9所示。

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	图8 风对雨滴的作用Fig.8 The effect of wind on raindrops

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	图9 雨滴粒子倾斜角与风切变率的关系Fig.9 The inclination angle of raindrop partical and vertical wind shear rate

针对降雨环境中风切变对粒子散射光强分布的影响, 选取等效球半径0.5 mm, 不考虑风切变对粒子形态的影响。当风切变率w_s=0.001 m· s^-1和风切变率w_s=0.1 m· s^-1时, 分析了椭球形群雨滴粒子在不同降雨强度下对路径损耗的影响, 结果分别用图10(a)和(b)表示。由图10(a)可看出, 通信距离相同时路径损耗随着降雨强度的增大而增大。相同降雨强度下考虑风切变时, 图10(b)的路径损耗相比图10(a)时增大了约5 dB。原因在于当考虑风切变时, 雨滴粒子散射截面较垂直方向有所减小, 散射光强减小, 路径损耗呈现增大趋势。降雨环境中的风切变使得紫外光衰减程度更大, 为动态复杂环境中的粒子测量提供理论依据。

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	图10 椭球形群雨滴粒子在不同风切变率下对路径损耗的影响Fig.10 Changes of path loss with different wind shear rate for ellipsoidal particles

图11当通信距离r=100 m, 降雨强度R=50 mm· h^-1时, 给出不同风切变率下散射角对散射光强的影响。风切变对散射光强分布的影响程度不同, 随着风切变率的增大, 群雨滴粒子下落倾斜角增大, 散射光强不断减小。与文献[5]中所给结论一致, 随着单个粒子倾斜角的增大, 散射光强曲线整体呈下降趋势, 对于群雨滴粒子而言散射光强随倾斜角的增大不断减小。

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	图11 不同风切变率下散射角对散射光强的影响Fig.11 Changes of scattering angle with scattering intensity under different wind shear rates

3 结论

针对无线紫外光在降雨环境传输时, 散射光会与降雨粒子发生散射, 造成不同程度的衰减。依据T矩阵理论和蒙特卡洛方法, 研究了紫外光LOS和NLOS两种通信方式中不同降雨强度下群雨滴粒子散射特性。仿真结果表明, 降雨强度、风切变率、非球形粒子形状、以及粒径大小等参数都会影响散射光强分布, 其中, 降雨强度的影响程度最大。采用NLOS通信方式时, 与LOS情况类似, 当通信距离较短时, 小雨时的路径损耗较小, 暴雨中的路径损耗最大, 其通信效果较晴天差; 切比雪夫形粒子的散射光强较椭球形的大; 相同降雨强度下考虑风切变时, 相比较无风时路径损耗增大5 dB左右。这对模拟复杂动态环境中粒子散射特性, 利用紫外光谱探测降雨粒子形状、尺寸和相态具有重要实用价值。

参考文献

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0.0

... 1 T矩阵散射理论粒子在入射场照射下, 表面产生电流并形成散射场, 入射场E^inc和散射场E^sca可展开为矢量球面波函数形式^[8] ...

... 由Maxwell方程和边界条件线性特征, 散射波系数与入射波系数具有线性相关性, 具体可表示为^[8] ...

2014

0.0

... 当T矩阵已知时, 散射波系数可由式(6)得到, 进而可以计算得到非球形粒子的消光截面、散射截面、吸收截面, 具体的计算公式如式(7)^[9] ...

... 5 mm的雨滴粒子作为散射粒子进行仿真, 并与文献[9]中给出的衰减值进行对比, 通信距离r=1 km ...

... 文献[9]是对球形粒子不同入射波长下路径损耗随降雨强度的衰减仿真, 本工作采用T矩阵和蒙特卡洛方法将不同波段球形与非球形雨滴粒子仿真结果与文献中数据进行对比, 仿真条件相同时, 路径损耗变化趋势基本相同 ...

2010

0.0

LIU

Xi-chuan

, GAO

Tai-chang

, QIN

Jian

(刘西川, 高太长, 秦健). Acta Physica Sinica(物理学报), 2010, 59(3): 2156.

Based on the normalized raindrops size distribution，dielectric model of raindrop and Mie scattering theory，the scattering characteristic of raindrop cluster in the microwave and millimeter domain are calculated，the effect of raindrop size distribution，rain-rate，incidence wave frequency and temperature on the microwave transmission are discussed. The results show that the scattering capabilities of raindrop clusters decrease in the order of JD，MP，Gamma and JD. The effect of rain-rate on microwave transmission is the strongest，the incidence wave frequency takes second place，and the temperature is the weakest. These results will be helpful to the evaluation of the effect of precipitation on microwave transmission and the improvement of the precipitation detection precision of millimeter radar and precipitation-measuring radar，etc.

解放军理工大学气象学院，南京 211101

在归一化雨滴谱分布、雨滴的介电模型和Mie散射理论的基础上计算群雨滴在微波波段的散射和衰减特性，讨论分析雨滴谱分布、降雨强度、入射波频率和温度等因素对微波传输特性的影响.数值模拟结果表明，不同谱分布的群雨滴散射能力从大到小依次为JD，MP，Gamma和JT分布，降雨强度对微波传输特性的影响最大，入射波频率次之，温度的影响最小.所得出的结论有助于准确评估降雨对微波传输的影响以及提高利用测雨雷达和毫米波雷达等定量探测降水的精度.

... Beard和Chuang提出的雨滴形状模型(B-C模型)如图1(b)所示, 可近似看作是通用的切比雪夫粒子, 具体表达式为^[10] ...

2003

0.0

... 一般选取负指数分布即M-P分布, 具体的谱分布表示形式为^[11] ...

... 根据文献[11]选取不同的降雨类型, 结合负指数M-P雨滴谱分布, 可得到单位体积内降雨衰减系数, 如表1所示 ...

2011

0.0

... 根据紫外光LOS散射链路模型, 接收光功率表达式可表示为^[12] ...

2015

0.0

... 的紫外光在降雨环境中的消光系数可表示为^[13] ...

... _s是散射角, NLOS通信链路中接收光功率表达式^[13] ...

2009

0.0

YANG

Tong-xiao

, WANG

Zhen-hui

, ZHANG

Pei-chang

(杨通晓, 王振会, 张培昌). Plateau Weather(高原气象), 2009, 28(5): 997.

Based on the theory of electromagnetic scattering by small rotating spheroid particles, studies are made of axial orientation features of small rotating spheroid raindrop groupsso as to establish the relationship between axial orientations of the raindrop groupsand wind direction, elevation of the radar antenna. Considering the propagation effects in rainfall, here has analyzed the effectof axial orientation ondual\|polarization radar measurements, such as ZDRandLDR. The results providea theoretical base for improvingthe data accuracy of dual\|polarization Doppler weather radar.

以椭球粒子的电磁波散射理论为基础，主要研究椭球雨滴群旋转轴在空间的取向特征，建立粒子旋转轴空间取向与风场、雷达天线仰角间的关系。在考虑粒子传输效应的情况下，分析了旋转轴取向对双线偏振雷达探测参数ZDR和LDR的影响，为提高双线偏振多普勒天气雷达观测资料的精度提供了理论依据。