【摘要】：大氣中包含各種形狀和成分的粒子,例如雨滴、冰雹、雪花、冰晶和沙塵等粒子。粒子散射特性的分析在氣象領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,其中氣象粒子的電磁和光散射特性研究更是一門對于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)有著重大意義的研究課題。為了提高雷達(dá)系統(tǒng)的檢測和預(yù)測能力,精確反演云和降水等天氣現(xiàn)象的微物理性質(zhì),本文基于理論計算和實驗測量研究了非球形氣象目標(biāo)的多次散射效應(yīng)對其散射性質(zhì)的影響,研究不僅包括傳統(tǒng)氣象雷達(dá)比較關(guān)注的后向散射截面,同時還分析了新型雙偏振雷達(dá)參量的變化。(一)介紹球形和非球形粒子散射特性的計算理論,包括Mie散射理論、廣義多粒子Mie理論、XFDTD軟件、DDA和T矩陣方法,并進(jìn)行了對比驗證。(二)針對單個粒子散射特性的研究,利用XFDTD軟件、DDA和T矩陣計算了單個非球形冰晶、雨滴、冰雹和沙塵的RCS和雙偏振參量(Z_(dr)和L_(dr))的大小及變化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)非球形粒子和其等效球形粒子RCS之間的差異在實際的精確探測中應(yīng)該被考慮。同時發(fā)現(xiàn),隨著粒子直徑和粒子旋轉(zhuǎn)角度改變,六種冰晶粒子和扁橢球粒子的雙偏振參量Z_(dr)和L_(dr)的變化趨勢和粒子的直徑和形狀都有明顯的相關(guān)性。(三)針對非球形粒子群RCS受多次散射影響的研究,利用XFDTD、GMM和簡單相加法分別計算了非球形云、降水、冰雹、沙塵粒子群的RCS,發(fā)現(xiàn)多次散射造成的平均差異分別為1.34%、15.23%、2.39%和6.33%。(四)利用電磁縮比理論和南京信息工程大學(xué)粒子散射測量裝置測量了球形粒子群和非球形粒子群的RCS,對比結(jié)果后認(rèn)為電磁相似理論能夠應(yīng)用于實驗室粒子散射特性的測量。(五)針對多次散射因子的研究,提出了多次散射因子的概念,即粒子個數(shù)、譜分布、排布、間距、形狀、材料和空間取向都會一定程度上的影響多次散射,這些影響多次散射程度的因子,稱之為多次散射因子。較為完整的研究了等大雙球系統(tǒng)在隨機取向時于S、C和X波段的散射性質(zhì),包括了后向散射截面RCS,衰減截面C_(ext),散射截面C_(sca),不對稱因子g,以及單次散射反照率w,發(fā)現(xiàn)球心間距為球體半徑四倍處是雙球系統(tǒng)多次散射影響大小的一個明確的分界點。討論了降水、冰雹和沙塵粒子群中粒子的排布對非球形粒子群多次散射的影響。發(fā)現(xiàn)排布的平均影響分別為9.43dB,2.49dB和5.5dB。
【學(xué)位授予單位】：南京信息工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P422.3;P412.25
【圖文】：

輸出文件:幅度散射矩陣單個以及所有粒子的散射截面散射強度圖 2.1. GMM 方法計算粒子群散射特性的流程形粒子電磁散射計算方法DTD 是基于時域有限差分（FDTD）方法的全波三維電磁場仿真軟倡導(dǎo)。近年來，該方法已廣泛應(yīng)用于求解各種目標(biāo)物(包括冰晶互作用[10-12]。FDTD 是直接從求解時域 Maxwell 旋度方程出發(fā)著的優(yōu)點在于概念簡單和易于貫徹，避免了積分方程法常有的D 更適用于求解具有復(fù)雜形狀和非均勻小粒子的光散射[13]。FDTD 計算冰晶粒子的散射問題的流程一般如圖 2.2 所示：

第三章 氣象目標(biāo)散射特性理論計算⑤聚合體：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過冷水滴：R=400，a1=214.0359，a2=380.0106，L2=124.8676，L1=337.9181。XFDTD軟件中仿真模型在坐標(biāo)系中的排放位置及方向如圖 3.1 所示：

(b) (d)圖 3.2. 四種等效扁橢球粒子在 XFDTD 軟件中的示意。(a) 等效球直徑為 3000 μm, (b) 等效球直徑5000 μm, (c) 等效球直徑為 7000 μm, (d) 等效球直徑為 9000 μm利用 XFDTD 軟件計算直徑為 3000 μm，5000 μm，7000 μm 以及 9000 μm 時球雨滴粒子及其等效扁橢球粒子的后向散射截面，結(jié)果如表 3.6 所示：表 3.6. 球形雨滴及其等效扁橢球雨滴粒子后向散射截面結(jié)果的對比（單位：dBm2）球的直徑(μm) 雨滴形狀 S C X Ku3000球形 -87.23 -76.80 -68.11 -63.08扁橢球 -86.01 -75.80 -67.06 -62.785000球形 -74.47 -66.76 -55.93 -50.80扁橢球 -72.46 -63.66 -44.34 -41.967000球形 -66.75 -45.43 -44.45 -42.20扁橢球 -62.86 -44.87 -37.68 -40.649000球形 -63.87 -42.12 -37.47 -40.73扁橢球 -55.71 -39.88 -36.84 -35.32由表 3.6 可知，XFDTD 軟件計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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本文編號：2779113