降雨多普勒极化雷达测量技术研究

论文摘要

气象雷达学是通过雷达信号研究降雨等一系列气候特征的一门新兴科学。近年来,随着多普勒与极化技术的结合,新型的多普勒极化雷达使人们可以从雷达回波中获取更多有关降雨微结构和微观扰动的有用信息。这一新技术不仅将进一步提高传统降雨测量的准确性,还为深刻理解降雨过程,未来揭开降雨机制提供了新的途径和手段。本文结构安排如下：首先,阐述了降雨的基本特征以及降雨微结构的数学描述模型,给出了雷达气象方程的推导过程,简单介绍了降雨的测量原理以及影响因素。其次,对传统的的气象多普勒雷达理论技术进行了归纳总结,并给出了相关的计算机仿真结果。之后,讨论了极化测量技术在降雨雷达中的应用。雷达极化分集技术使得降雨雷达从单参数测量升级为多参数测量,从而提高了降雨测量的准确度。同时,对极化雷达观测参数与降雨模型参数之间的关系进行了仿真研究。最后,本文利用新型多普勒极化降雨模型,来描述雷达信号与降雨微粒的相互作用。基于这些模型,本文对雷达回波信号的多普勒极化谱等进行了仿真分析。模型考虑的原始参数包括：雨介质的介电常数、降雨散射微粒的形状和取向特性、雨滴大小分布、风场扰动、雷达仰角等。该新模型给出了不同收发极化波组合下的多普勒谱。一方面,通过多普勒测量可以获得风速和雨滴降落速度等降雨的动态信息,另一方面,极化技术又可以得到气象微粒的形状和取向信息。因此,通过多普勒与极化技术的结合,可以实现对降雨微物理现象更加详细的研究,并为降雨的微结构特性和动态特性研究开辟新的空间。在此基础之上,本文还对用于测量低速运动气象目标速度的多普勒雷达前端结构进行了仿真分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 气象雷达的研究背景
• 1.2 降雨雷达发展状况
• 1.3 本文的结构与安排
• 2 气象雷达遥测降雨理论
• 2.1 雷达气象方程
• 2.2 降雨的微结构描述模型
• 2.2.1 雨滴大小分布（DSD）
• 2.2.2 雨滴的椭球体等效模型
• 2.2.3 雨滴的倾角模型
• 2.3 降雨的测量技术
• 2.5 本章小结
• 3 降雨多普勒测量技术研究
• 3.1 多普勒雷达探测原理
• 3.1.1 多普勒频率
• 3.1.2 回波信号的多普勒频谱
• 3.2 降水回波信号的几个统计特征
• 3.2.1 回波功率谱
• 3.2.2 平均多普勒速度及速度谱宽度
• 3.2.3 降雨与多普勒谱的关系
• 3.2.4 影响速度谱宽度的气象因子
• 3.3 本章小结
• 4 极化技术在降雨测量中的应用
• 4.1 介质椭球体的散射
• 4.2 散射矩阵
• 4.3 椭球粒子群的散射
• 4.4 用垂直指向雷达进行极化测量
• 4.5 极化雷达参数与雨滴谱参数和雷达参数的关系
• 4.6 多普勒和极化测量技术的结合
• 4.7 本章小结
• 5 降雨多普勒极化模型研究
• 5.1 扰动
• 5.1.1 雨滴重力下落速度分布
• 5.1.2 雨滴扰动下落速度分布
• 5.1.3 雨滴的联合速度分布
• 5.2 多普勒极化谱仿真分析
• 5.3 多普勒极化雷达参数
• 5.4 本章小结
• 6. 低速气象目标探测雷达前端的仿真设计
• 6.1 雷达前端结构的仿真设计
• 6.2 泄露信号对消效果的评价
• 6.3 圆极化微带天线的设计仿真
• 6.4 本章小结
• 7 总结
• 致谢
• 参考文献