双偏振天气雷达探测原理分析

1、双偏振天气雷达探测原理分析作者：台琪荣 来源：科技视界2014年第17期台琪荣(民航云南空管分局气象台设备室，云南昆明650200)【摘要】双偏振天气雷达是进行天气预报的重要设备保障，它根据不同的降水粒子对不 同极化电磁波的散射特性的差异来区分不同的降水，从而达到对降水类型的识别和分类。本文 对双偏振天气雷达的探测原理进行了分析。【关键词】双偏振；探测原理；目标识别【Abstract】Dual-polarization weather radar is an important equipment protection for weather forecasting, it is based

2、on the different precipitation particles scattering of electromagnetic waves of different polarization differences to distinguish the different rainfall,so as to achieve the identification and classification of precipitation type.this paper analysis of dual-polarization weather radar detection princ

3、iple.【Key words】Dual-polarization; Detection principle; Target identification0引言随着天气预报在航空安全保障中的作用越来越重要，航空客户对提供的天气预报准确性要 求也越来越高。常规天气雷达只能测量气象目标的距离和强度，多普勒天气雷达通过测量降水 粒子的反射率、速度和谱宽的分布，实现对降雨的预报和探测，但不能区分各种降雨类型。双 偏振天气雷达利用极化技术和降水粒子回波的极化特性，通过发射水平和垂直极化电磁波，接 收与发射共极化的回波，测量雷达的反射率因子ZH、反射率差ZDR、传播相移差和相关系数 PHV(0 )等参数，

4、估算出降水粒子的形状，尺寸和指向角的分布情况，进行降水的分类和识别。本文对双偏振天气雷达的探测原理和方法进行了分析。1双偏振天气雷达的探测参数在双偏振天气雷达中，发射的是水平和垂直极化的电磁波，接收与发射共极化的回波信号。 目标矩阵为S，入射矩阵为Ei，散射矩阵为Er，1.1水平反射率与常规天气雷达一样，双偏振天气雷达也通过测量回波的水平反射率来识别降水粒子，雷 达水平反射率ZH的定义如下：其中，入为雷达发射的电磁波的波长，D为降水粒子的等效直径，IKI2为粒子的介电常 数，N (D)为滴谱分布关系。1.2水平和垂直反射率差降水粒子对于水平和垂直极化电磁波的后向散射截面不同，因而水平和垂直反射

5、率之间存 在差异，不同的降水粒子的反射率差不同，通过测量反射率差，可以进行降水粒子的识别。反 射率差ZDR的定义如下：其中，ZH、ZV为水平和垂直极化下的反射率因子，oH(D)、oV(D)分别是雷达的后向散射 截面积，Dmax、Dmin分别为最大和最小的粒子的直径。对于雪团和冰雹，测得的ZDR大于0或小于0。在冰雪中随机取向的冰雹子，在下落过程 中具有相关对称的不规则的抖动，粒子的这种各向异性的最终结果是引起ZDR接近于0。1.3特殊传播常数差电磁波在穿过降水媒介时传播常数发生了变化，在水平和垂直极化方式下，传播常数是有 差异，特殊传播常数差为：其中，kO为自由空间传播常数，N(D)为滴谱分布

6、，Re()表示取复数的实部。1.4归一化零延时相关系数归一化零延时相关系数PHV(0)定义为：其中，H为水平极化下的回波信号，V为垂直极化下的回波信号。分子表示两信号求相关， 分母中|H|2、|V|2分别表示水平和垂直回波的功率。2极化参数的应用如前所述，双偏振天气雷达测量的几个参数中，任何一个都可以进行降水分析，但单凭某 一个参数是不能进行准确识别的。用ZH进行降水识别是常规天气雷达测量的手段，它的判断是粗糙的，存在许多难以解决的 交错的问题，且不能区分大暴雨和冰雹；用反射率差来进行降水识别，不能区分小雨和各向异 性的降水粒子。ZDR结合ZH可以提高识别能力，但ZH、ZDR的测量受雨中衰减的

7、影响比较严重，而且ZDR 对含水量大的降水的变化的敏感性，使它在估算混合相态降水时有一定的局限性。KDP在识别时，由于含有对粒子指向角因素的测量，对各向同性和各向异性的粒子的识别 更为有效，它与降雨率之间存在的近似线性的关系又使得它在测量中能很快测出降水中雨的含 量，滴谱分布等，它在估算时与衰减无关，对滴谱的变化不如ZDR灵敏。因此，ZDR和KDP对 不同的降雨型的估算效果不同，可用两种特性加以区别。相关系数与粒子的指向角、形状有关，混合相态下冰雹的含水量的反应较为明显，它在估 算混合态降水，如亮带的测量中具有非常的意义。四参数相结合对降水类型进行分析和判断， 则能准确地识别降水类型。见表1:

8、*1嘩水穴聲与惆桶芳放芜尊議PMI125a血鹑123-60fl.5-40-10了平罢0-a_5沁K25fl-5II !沁95iil /as-aw450沁旳ms4D-55-05-2M3牠血时55-JO-as-|r|苗卓直混5洼55-70-i-i0-10通过各参数测量结果，参照上表对降水类型进行识别。由于降水粒子具有某种经验分布的关系，经降水识别以后，我们可以计算其降水率，粒子 的下降速度和滴谱分布指数等。3结论从以上讨论可以看出，双偏振天气雷达通过测量以上几个极化参数来达到对降水粒子的识 别，从而能较准确地进行天气预报，为航空气象提供大气探测服务。【参考文献】V.N.Bringi.偏振多普勒天气雷达原理和应用M.气象出版社,2010-4-1.董振贤，李妙英.双偏振多普勒天气雷达的偏振参量及其应用J.解放军理工大学学 报：自然科学版,2004,6,5(3):98-103.SELIGA, BRINGI V N. Potential use of radar diff