大气探测复试复习笔记——第三章：主动遥感

零、主动遥感

遥感器向大气发射电磁波或声波信号，接收与大气相互作用后的信号，从中提取气象要素信息的方法和技术

一、电磁波

1.1 电磁波的基本性质

• 波是振动在空间的传播，由振源发出的振动在弹性介质中的传播，称为机械波
• 光波、热辐射、微波、无线电波等是由振源发出的电磁振荡在空间的传播，电磁波具有波粒二象性

1.1.1 波动性

• 指电磁波的时空周期可以用波长、波速、周期、频率来表示
• 电磁波是一种伴随电场和磁场的横波，电场和磁场的振动方向是在波行进方向呈直角的平面内
  
  $$c=f\dot{l}ambda$$

1.1.2 粒子性

• 电磁辐射与物质作用时，电磁波具有粒子性，其能量与频率的关系为
  $$Q=h\dot{f}，其中h为普朗克常数$$

1.1.3 电磁波波谱

• 电磁波谱按照电磁波在真空中的波长或频率进行划分的
• 紫外线：由于原子核分子内部电子状态的改变引起，低于0.3微米的紫外线几乎全被臭氧吸收，0.3-0.4微米是紫外线的大气窗区。主要用紫外线波段探测大气臭氧和二氧化碳
• 可见光波段：0.4-0.7微米
• 微波：30cm-1mm，在主动遥感时通常由调速管或磁控管产生，与可见光和红外相比，微波在大气中衰减较小，具有全天候探测的特点
  

1.2 电磁波在大气中的折射

• 由于实际大气的物理性质不均匀，电磁波在大气中传输时，路径会发生弯曲，称为大气折射
• 发生折射时，部分电磁波能量被介质吸收，通常用复折射率m表示
  $$m=n-ik其中n为折射率，虚部的k为吸收率$$

由于大气折射率n与真空折射率$n_c=1$非常接近，故大气折射率n常用折射率指数N表示，称为大气折射率差
$$N=(n-1)\times 10^6$$
N与温、压、湿都有关，关系式为
$$N=K_1\frac{p_d}{T}-K_2\frac{e}{T}+K_3\frac{e}{T^2}，p_d为干空气气压，三个K都是实验确定的常数$$

在对流层中p,T,e在垂直方向的变化比水平方向大得多，因此折射率指数的垂直变化也远大于水平变化

1.2.1 负折射

$$\frac{dN}{dz}>0则相对于地球表面的路径曲率K>\frac{1}{r_e}$$
折射率指数随高度增加，电磁波的传播路径弯离地面向上，不利于通讯和雷达探测

1.2.2 无折射

$$\frac{dN}{dz}=0，K=\frac{1}{r_e}$$
折射率指数不随高度改变，电磁波传播路径为直线

1.2.3 正折射

$$\frac{dN}{dz}<0,K<\frac{1}{r_e}$$
折射率指数随高度递减，电磁波传播路径弯向地面
又可分为三种情况：

• 标准折射：反映了对流层内大气折射的平均情况
• 临界折射：K=0，即电磁波传播路径离地表面的高度保持不变
• 超折射：电磁波向下弯曲的曲率小于地球半径，电磁波传播的路径可能在地面反射后继续向前传播，传播到很远距离，形成大气波导

• 对于光波，折射情况主要决定于温度层结构，当存在上热下冷的剧烈逆温时，低层空气密度比高层大得多，在折射作用下，地面实物的景象向上抬升显现在空中，海市蜃楼就是由于超折射形成的
  

1.3 电磁波的散射、吸收和衰减

• 散射：被入射波照射的大气气体分子和气溶胶粒子在表面会感应出复杂的电荷和电流分布，这一交变电荷于电流分布就要向外辐射电磁波，这种现象称之为散射
• 吸收：同时电磁波在粒子内部传播，必定有部分能量被吸收或转化为焦耳热产生损耗，这就是粒子对入射波的吸收作用

1.4 截面

1.4.1 散射/吸收/消光截面

一个粒子的吸收截面就是：粒子吸收的辐射能等于面积$Q_a$从入射辐射场中截获的辐射能

假设入射辐射能为E，则粒子吸收的辐射能为$Q_{a}E$
同理散射，消光截面也可以如此表示

1.4.2 后向散射截面

在主动遥感中，所关心的往往是后向散射的能量，其定义如下：

• 假设理想散射的能量是空间各向同性分布的，若实际粒子的后向散射能流密度等于同距离理想散射体射回接收天线的能流密度，则该理想散射体的散射截面就称为该实际粒子的后向散射截面即雷达截面

$$4\pi R^2\cdot S_s=S_i\sigma 其中S_s为后向散射回天线处的能流密度，\sigma 为后向散射截面,S_i为入射能流密度$$
就是从散射物体向周围发射电磁波 = 入射的能流密度乘以一个散射截面后除以球表面积得到单位面积的能流密度，也就是回到原本发射点时的能流密度
反解出后向散射截面为
$$\sigma =4\pi R^2\frac{S_s}{S_i}$$

1.5 球形粒子的散射

• 球形粒子的散射与**离子半径，尺度因子$2\pi r/\lambda$**有关
• 如果一个粒子是各向同性的，则粒子的散射特性就由粒子大小，折射率以及入射波的波长决定

1.5.1 瑞利散射

瑞利散射认为散射相函数有对称性，只与散射角有关，与方位角无关
在距离粒子d处，散射角为$\theta$处的散射通量密度公式为$E_{\theta }=E_0\frac{8{\pi }^4{r}^6}{{\lambda }^4{d}^2}(\frac{n^2-1}{n^2+2}{)}^2(1+co{s}^2\theta )$

• 散射光强度与波长的四次方成反比

• 散射光强与半径的六次方成正比

• 与距离的平方成反比

• 空间分布简单地服从$(1+co{s}^2\theta )$

• 在前向和后向的散射最强，垂直于入射方向最弱
  

• 入射光为自然光的时候，前后向散射呈对称分布

• 对其整个空间积分得到总辐射通量，定义$\sigma$粒子散射截面
  

1.5.2 米散射

• 几何散射和瑞利散射都可以看成是米散射的一种特例
• 随着粒子尺度参数增大，前向散射光在总散射光中的比值迅速增大
• 半径与波长相当时，散射效率因子达到峰值，之后会趋向于2
  

1.6 粒子群的散射吸收衰减表示方法

• 将大气分为分子大气和气溶胶两部分，分子大气不作尺度讨论，气溶胶大气则对粒径积分
  $$K_s=N_m{Q}_{sm}+{\int }_0^{\infty }N(r)Q_s(r)dr其中N为标况下每立方厘米空气中分子数$$
• 以此类推可以写出粒子群的吸收，消光

二、天气雷达遥感

用无线电波进行探测和测距，根据接收的气象目标散射回波信息来判断估计云、雨、风等气象要素的时空分布

2.1 构成和原理

2.1.1 发射系统

• 周期性地产生时间上短促而峰值功率强大的高频振荡电磁波，经过天线馈线系统后发射出去；
• 发射系统是间歇性工作的，在短暂的工作时间中产生电磁波并发射出去
• 这种工作方式类似脉搏跳动，因此这种雷达也被称为脉冲波雷达
• 发射波通常为极化波，即场强在各方向分布不均匀，若电矢量只在一个平面内振动，称为线极化波，目前天气雷达大多只发射和接收水平线极化波

2.1.2 天线馈线分系统

• 馈线为连接发射机和天线之间的波导管，主要功能是将发射机输出的高频震荡电磁波送往天线
• 天线主要用来将电磁波辐射出去，同时也可以接收目标散射回的电磁波，若两个功能由同一根天线完成，则成为收发共用天线
• 首先由喇叭口辐射器辐射出来，经过抛物面反射体的反射聚集成一束狭窄的强电磁波向空间定向辐射出去
  
• 天线的参数主要有：波束宽度、天线增益、天线有效面积

2.1.3 接收系统

• 主要功能是将天线接收的经馈线传入的目标散射回波放大后送往信号处理系统进行处理
• 接收机需要具备检测微弱信号的能力，称为接收机灵敏度
• 接收机还要有足够的放大倍数，用增益（dB）表示
• 接收机还要有足够的动态范围，对近距离的强回波进行放大，也能对远距离的微弱回波进行放大
• 同时还要对近距离较强的地面杂波和干扰波进行抑制

2.1.4 伺服系统

• 根据用户在数据处理雨显示系统上给出的命令，通过天线传统系统操纵雷达天线进行相应动作的扫描
• 通过同步系统将天线指向的方位角和仰角数据送入信号处理分系统

2.1.5 扫描方式

• 旋转扫描：以固定仰角环绕垂直轴作圆周扫描
• 俯仰扫描：在选定的方位上天线不断做上下俯仰扫描

3.1 天气雷达参数与探测性能

3.1.1 波长$\lambda$

指发射机高频振荡器的工作波长；通常，天气雷达的波长为厘米波（1-20cm），各波段可探测目标如下：

3.1.2 脉冲宽度$\tau$

指调制脉冲的持续时间，单位为微秒（书上是不是错了），在发射功率等一定的情况下，脉冲宽度越大雷达的最大作用距离也越大

• 距离分辨率：在雷达图像中，当两个目标位于同一方位角时，但与雷达的距离不同时，二者被雷达区分出来的最小距离称为距离分辨率

• 脉冲宽度与雷达的距离分辨率有关，脉冲宽度越小，距离分辨率越高
  $$\Delta R_{min}>\frac{c\cdot \tau }{2}$$
  其中$\Delta R_{min}$越小，说明距离分辨率越高

• 脉冲宽度大小决定了雷达的盲区半径大小，盲区半径是指雷达能有效探测的最小范围；当距离太近时，目标回波的前沿与发射脉冲的后沿混合在一起，以至于无法分辨

• 综上：脉冲宽度越小，距离分辨率越高，盲区越小，最大探测距离越小，对接收机要求也越高

• 在天气雷达中通常采用较窄的脉冲宽度，如1微米或2微米

3.1.3 脉冲重复频率

单位时间内由雷达发射脉冲的个数，如重复频率为300Hz时，表明每秒发射300个高频脉冲，对应重复周期，是两个脉冲之间的间隔

$$F=\frac{1}{T}$$

• 气象雷达的工作特点是，前一个发射脉冲的回波从最大距离$R_{max}$处回到雷达站后，才能发射下一个脉冲，因此重复周期应该满足
  $$T\ge \genfrac{}{}{0ex}{}{}{c}$$