毫米波雷达探测性能受降雨后向散射增强影响分析

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毫米波雷达与雨滴谱仪观测弱降水的对比分析

毫米波雷达与雨滴谱仪观测弱降水的对比分析谢蕾;刘黎平;姚雯【摘要】针对毫米波雷达测量的数据需要进行验证,提出利用雨滴谱反演雷达观测量:回波强度、径向速度、速度谱宽和归一化的功率谱密度数据对比毫米波雷达在最低有效观测高度处探测弱降水数据的方法及分析毫米波雷达观测量误差来源.结果表明:2种观测仪器得到的回波强度随时间变化趋势大致相同但变化幅度差异较大,误差主要源于雷达天线的积水;径向速度由于空气的上升速度、湍流等影响使两者数值有一定差异,但是变化趋势却十分接近.速度谱宽两者结果是演变趋势和变化范围都非常接近;两者归一化功率谱值曲线随速度变化趋势相似,然而由于空气的上升速度、湍流等影响导致两者曲线出现整体平移.【期刊名称】《成都信息工程学院学报》【年(卷),期】2014(029)001【总页数】8页(P39-46)【关键词】信息与通信工程;气象雷达;雨滴谱;回波强度;径向速度;速度谱宽;归一化的功率谱【作者】谢蕾;刘黎平;姚雯【作者单位】成都信息工程学院电子工程学院,四川成都610225;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081;中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TN9530 引言近年,中国发展和引进了很多新的云降水探测设备,如Ka波段的毫米波雷达、微降水雷达、雨滴谱仪、自动气象站等,促进了关于这些探测设备的研究,如刘黎平等[1]利用毫米波测云雷达连续观测大气中的云,得出毫米波雷达能够清楚地反映云的内部结构。

仲凌志等[2]概括了毫米波测云雷达在国内外的发展状况,介绍毫米波雷达的特点,并展望国内毫米波雷达未来研究的方向,表明毫米波雷达的巨大作用和重要性。

余东升等[3]提出激光雨滴谱仪在雨滴谱测量方面具备优势。

陶汝颂等[4]分析测雨雷达工作原理,展望雨雷达在水文发展中更广泛的应用。

云雨杂波环境下对空雷达目标检测能力分析

云雨杂波环境下对空雷达目标检测能力分析230088孔径阵列与空间探测安徽省重点实验室安徽合肥 230088摘要：杂波会对雷达正常工作造成严重影响，从而导致雷达检测性能的不稳定。

因此，探讨不同体制雷达在杂波影响下检测目标的性能如何变化具有重要意义，本文分析了云雨杂波环境下对空雷达目标检测能力。

关键词：杂波环境；对空雷达；目标检测能力雷达工作时所遇到的干扰通常可分为有源干扰和无源干扰两大类。

对于压制式干扰来说，有源干扰一般是指人为施放的各种噪声干扰。

现代噪声产生技术已非常成熟，所产生的噪声已十分接近于白噪声，因此，在分析噪声干扰对雷达目标检测性能的影响时，一般都将其当作白噪声看待。

一、地杂波对雷达目标检测性能的影响分析1.雷达杂波模型。

雷达接收到的杂波非常复杂。

研究发现杂波服从一定的分布规律，最常见的有以下几种杂波分布模型：(1)指数(Index)分布。

设x表示杂波回波的包络振幅，则x的指数分布为(1)1.瑞利(Rayleigh)分布。

在雷达可分辨范围内，当散射体的数目很多时，根据散射体反射信号振幅和相位的随机特性，一般可认为它们合成的回波包络振幅服从瑞利分布。

若以x表示瑞利杂波回波的包络振幅，则x的概率密度函数为(2)1.对数-正态(Log-Normal)分布。

设x表示杂波回波的包络振幅，则x的对数-正态分布为(3)其中σ是lnx的标准差，xm是x的中值。

（4）韦布尔(Weibull)分布。

设x表示杂波回波的包络振幅，则x的韦布尔分布为(4)其中xm是分布的中值，它是分布的尺度(比例)参数；n是分布的形状(斜度)参数，n的取值范围一般为02.杂波对雷达目标检测的影响。

地杂波(海杂波)的分布不是正态分布，因此不是最佳干扰波形。

干扰(包括噪声)情况下求雷达的作用距离一般采用查莱斯(Rice)曲线的办法，该曲线应用的前提是干扰(或噪声)为正态分布。

当干扰不是正态分布时，在同样干扰功率下，其干扰效果必然不如正态噪声干扰。

直升机载火控雷达盲区及复杂战场环境影响分析

火控雷达技术Fire Control Radae Technology第49卷第4期（总第194期）2020年12月Vvg 49 No 4( Series 194)Dee. 2020直升机载火控雷达肓区及复杂战场环境影响分析周俊#杨军2张大锋#陈志君#（1.陆军航空兵学院陆军航空兵研究所北京101121 ；2.中国人民解放军32145部队河南新乡 453000）摘要：直升机载火控雷达盲区及复杂战场环境是影响其作战效能发挥的重要因素％本文首先分析了直升机载火控雷达的探测盲区类型，对各种盲区计算方法进行了详细分析；然后结合直升机面临的复杂战场环境和毫米波火控雷达的技术特［，分析了自然环境和人为干扰对雷达使用的影响，并提出了复杂战场环境下毫米波火控雷达的使用建议％关键词：火控雷达；盲区；战场环境中图分类号:TN95；TP391 文献标志码：A 文章编号#1008 -8652（2020）04 -010 -04引用格式:周俊，杨军，张大锋，陈志君.直升机载火控雷达盲区及复杂战场环境影响分析［J ］.火控雷达技术,2020,49（4）：10-13.DOI ：10.19472/j. enki. 1008 -8652.2020.04.002Blind Area and Environmental Impact Analysit of Complex Battlefield of Helicopter Airborne Firr Control RadarZHOU Jun 1, YANG Jun 2, ZHANG Dafeng 1, CHEN Zhijun 1(1. Army Aviation Institute , Beijing 101121 ； 2. Unit 32145 of PLA , Xinxiang , Henan 453000)Abstract : Blind — of airborne fire controO radae on hSicopter and cemplee batlefield environment are important faeeoesehaemayompaeeeh)op)eaeoonalp)efoemane)ofeh)eadae.Foesely , ehospap)epeopos)d eh)eyp)sofblond aea of hSicopter airborne fire controO radae and colculation mettod for sch blind area were analyzed in detait. Then , according te the complee bgtC0md environment facing by helicoptee and technicol features of millimeter wave(MMW) fire conecO radae, influence of natural environment and human interference on tee radar were analyzed , and suggestions of using it in complee batlefieie environment are given enny.Keywords : fire controO radae ； blind ares ； battle environment0引言现代战争实践表明，武装直升机是夺取低空/超低空制空权最有效的武器之一，而装备毫米波火控雷达的武装直升机的战场感知能力、火力打击能力和作战效能都会大幅度提高。

全球地表雷达后向散射系数的特性分析及其对星载降水测量雷达系统设计的影响

ｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｇｌｏｂａｌＮＲＣＳｉｎｌｏｎｇｔｉｍｅａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｒｅｓｕｌｔｓａｂｏｕｔｔｈｅＫｕｂａｎｄｇｌｏｂａｌＮＲＣＳａｔｓｍａｌｌｉｎｃｉｄｅｎｃｅａｎｇｌｅｓａｒｅｖｅｒｙｆｅｗｉｎＣｈｉｎａ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅＮＲＣＳｍｅａｓｕｒｅｄｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄｂｙｔｈｅ
大范围、长时间地表ＮＲＣＳ的测量难度大、费用高，目前，我国Ｋｕ频段小入射角大范围地表ＮＲＣＳ的测量、统
计特性研究几乎还处于空）２Ｐ＿星２０１１年度观测数据对全球地表
ＮＲＣＳ进行了统计特性分析，得到了ＮＲＣＳ的均值、均方差等统计量与入射角的关系。在此基础上，分析了其对星载降水测量雷达的系统动态范围、天线旁瓣、脉冲压缩旁瓣、雷达定标等方面系统设计的影响，为我国星载降水
测量雷达的系统指标论证和定标方法的优化选择提供了依据。
关键词：星载降水测量雷达；热带降水测量计划（ＴＲＭＭ）；雷达后向散射系数（ＮＲＣＳ）
中图分类号：ＴＮ９５９．４文献标识码：Ａ文章编号：１００９ — ５８９６（２０１３）１１ — ２７２１ — ０７

毫米波雷达实验测试报告

毫米波雷达实验测试报告实验目的：1.评估毫米波雷达系统的探测性能和测量精度。

2.比较不同目标的回波信号特征，分析其对雷达系统的影响。

3.研究毫米波雷达在不同环境条件下的工作效果。

实验设备：1.毫米波雷达系统：包括发射器、接收器、信号处理单元等。

2.目标模型：金属板、人体模型等多种不同目标。

实验步骤：1.设置实验环境：在无遮挡的室外场地进行实验，确保测试区域内没有干扰物。

2.安装目标模型：按照实验要求，安装金属板和人体模型等目标模型。

3.启动雷达系统：将发射器和接收器连接，并启动雷达系统。

4.发射信号：通过发射器发射毫米波信号，连续扫描测试区域内的目标。

5.接收回波信号：接收器接收目标模型反射回波信号，并将信号传输给信号处理单元。

6.信号处理：对接收到的回波信号进行处理和分析，提取目标的特征信息。

7.数据记录和分析：记录实验数据，比较不同目标的回波信号特征，并进行数据分析。

实验结果及讨论：1.不同目标的回波信号特征分析：经对比分析，金属板的回波信号强度较高且稳定，可以较容易地进行探测和测量；而人体模型的回波信号强度相对较低，容易受到表面特征的影响。

2.毫米波雷达的探测精度：通过实验测试，毫米波雷达系统具有较高的探测精度，能够准确地识别目标的位置和形状。

3.环境条件对毫米波雷达的影响：在实验过程中，发现毫米波雷达对于空气湿度和温度的变化较为敏感，高湿度和低温会导致信号衰减和串扰。

实验结论：毫米波雷达通过利用毫米波频段的高频率和短波长，实现了高分辨率和高精度的目标探测和测量。

它在金属板等目标上表现出较高的探测性能和测量精度，对人体模型等目标的探测也具有一定的应用潜力。

然而，其在湿度和温度变化较大的环境下的工作效果需要进一步研究和优化。

实验反思：1.实验过程中需注意环境条件的控制，避免干扰物对实验结果的影响。

2.需进一步研究毫米波雷达在复杂环境中的工作效果，以提高其应用范围和适应性。

3.实验结果的分析需结合理论知识进行比较和解释，以充分发挥实验的价值。

强降水对X波段天气雷达探测能力影响分析

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳＷＯＲＬＤ·探索与观察
强降水对Ｘ波段天气雷达探测能力影响分析
安徽四创电子股份有限公司王军吴雷
【摘要】雨衰对各种波段雷达的影响在理论上已经探讨很多年，但由于其特殊性和复杂性，目前仍无全面有效的抗衰减策略。在天气雷达实际使用中，波长越短的雷达受雨衰影响越大。本文将通过两个实例对比图，从中看出强降水对ｘ波段天气雷达探测能力带来的影响，供使用该类型天气雷达的用户参考。【关键词】雨衰；天气雷达；探测能力
ｐｌｅｘｉｔｙ，ｗｅｓｔｉｌｌｈａｖｅｎｏａｌｌ－ｒｏｕｎｄａｎｄｅｆｅｃｔｉｖｅｓｔｒａｔｅｇｙｏｎａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒ，ｔｈｅｓｈｏｒｔｅｒｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｒａｄａｒｓｔｅｎｄｔｏｂｅｍｏｒｅｅａｓｉｌｙａｆｅｃｔｅｄｂｙｒａｉｎａｔｅｎｕａｔｉｏｎ．ＴｈｉｓｔｈｅｓｉｓｆｉｎｄｓｏｕｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＸｂａｎｄｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｄｅｔｅｃｔｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙｂｒｏｕｇｈｔｂｙｈｅａｖｙ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｒａｉｎａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｏｎａＵｂａｎｄｓｏｆｒａｄａｒｈａｓｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇｉｎｔｈｅｏｒｙｆｏｒｍａｎｙｙｅａｒｓ．ｈｏｗｅｖｅｒ，ｓｉｎｃｅｉｔｓｐｅｃｕｌｉａｒｉｔｙａｎｄｔｏｍ—
ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｆｒｏｍｔｗｏｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｆｉｇｕｒｅｓｉｎｐｒａｃｔｉｃａｌｃａｓｅｓ，ｏｆｅｒｉｎｇｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｗｅａｔｈｅｒｒａｄａｒｕｓｅｒｓｏｆｔｈｉｓｍｏｄｅ１．

降雨对雷达探测性能的影响

指导意义。
【关键词】雨衰减率；体反射率；雷达方程；大作用距离；比最信噪
中图分类号：Ｎ５Ｔ９９文献标识码：Ａ
ＩｌｎｃｓｏｉｎｄａｔｃｉｎｒｏｍａｃｎｆｕｅｅｆＲａｎｏＲａｒＳＤｅｅｔｏＰｅｆｒｎｅ
Ｒｙｅｈ近似计算。对于气象雷达来说，接获得的ａｌｉｇ直
号。此外，降雨还将增加接收天线的噪声温度，降低信
噪比，响信号的检测。影
目前气象雷达对降雨的探测技术已比较成熟，其结果可反过来应用于雷达在降雨时对目的探测。但标气象雷达的工作频段一般是Ｓ波段和Ｃ波段］在这，个频段内降雨的散射特性满足Ｒｙｉａｌｇｅｈ近似，以由可雷达反射因子ｚ应用经验公式获得雨衰减Ａ３，而＿从］
从以上分析可以看出，准确预报降雨衰减对评估
雷达性能非常重要，在实际雷达测量中，获得的基但所
础信息一般是降雨的雷达散射截面，因此需要研究从降雨的散射截面获得传播路径上雨衰减Ａ的方法。对气象雷达来说，它一般工作在ｓ波段和ｃ波段，其工作波长比雨滴直径大得多，时雨滴散射截面可用此
用该公式可以从降雨的体反射率推演出雨衰减，而从
０引言
微波毫米波雷达在军事方面具有广阔的应用前
可以进行雷达探测性能的评估。
１雨衰减率与降雨的雷达体反射率的转换关

暴雨是否会干扰雷达和卫星通信？

暴雨是否会干扰雷达和卫星通信？一、暴雨对雷达的干扰暴雨对雷达的影响主要表现在信号的衰减和多径效应上。

1. 信号衰减暴雨中的水滴会对雷达发射的电磁波进行吸收和散射，导致信号强度的衰减。

随着雨滴的增多和大小的增加，信号衰减的程度也会增加。

这使得雷达接收到的反射信号减弱，降低了雷达的探测能力。

2. 多径效应多径效应是指雷达信号在传播过程中经过多个不同路径的反射，导致接收到的信号存在时延和相位差，使雷达无法准确测量目标的位置和速度。

暴雨中，水滴的反射会增加多径效应的强度，进一步干扰雷达的正常工作。

二、暴雨对卫星通信的干扰暴雨对卫星通信的影响主要体现在信号衰减和信号的散射中。

1. 信号衰减暴雨中的水滴会对卫星通信信号进行吸收和散射，使信号衰减。

当雨滴数量增多和雨滴大小增加时，信号衰减的程度也会增加。

这会导致卫星通信信号的质量下降，降低了传输速率和通信质量。

2. 信号散射暴雨中的水滴会散射卫星通信信号，使信号在传播过程中发生方向的改变。

这会导致信号的散射损耗增加，进一步降低通信质量。

尤其是在强降雨和雷暴天气中，大量的雨滴对信号的散射会造成严重的通信干扰。

三、应对策略1. 雷达方面为了减轻暴雨对雷达的干扰，可以采取以下措施：- 优化雷达天线的设计，提高信号的接收灵敏度；- 利用信号处理技术，对接收到的信号进行去噪处理，提高信号的可靠性；- 加强对暴雨条件下雷达的定标和校正，确保测量结果的准确性。

2. 卫星通信方面为了克服暴雨对卫星通信的影响，可以采取以下对策：- 研发并安装高效的天线，提高卫星通信信号的接收能力；- 利用信号编码和纠错技术，提高信号的可靠性和传输速率；- 选择适当的频段和传输协议，减少暴雨对信号的衰减和散射。

结语暴雨对雷达和卫星通信都会产生一定的干扰，降低了雷达的探测能力和卫星通信的质量。

然而，通过优化设备设计、加强信号处理和采用适当的策略，我们可以最大限度地减少这种干扰，提高雷达的准确性和卫星通信的可靠性。

毫米波测云雷达的特点及其研究现状与展望

毫米波测云雷达的特点及其研究现状与展望毫米波测云雷达的特点及其研究现状与展望引言：随着气候变化和全球环境问题的日益严峻，对天气预报和气象观测精度的要求也越来越高。

毫米波测云雷达作为一种先进的大气观测工具，以其独特的特点在大气科学研究和天气预报中发挥了重要作用。

本文将详细介绍毫米波测云雷达的工作原理、特点以及目前的研究现状，并展望未来的发展趋势。

一、毫米波测云雷达的工作原理毫米波测云雷达是通过发射毫米波信号，利用回波信号来获取云层信息的一种雷达系统。

其工作原理主要包括发射、接收和信号处理三个过程。

在发射过程中，雷达发射出的毫米波信号穿过大气层，与云粒子相互作用后被散射。

散射回波信号中包含了云粒子的信息。

在接收过程中，雷达接收到回波信号后，通过探测器接收并转换成电信号。

在信号处理过程中，雷达对接收到的电信号进行放大、滤波和频谱分析等处理，得到反映云层特性的强度、速度和时延等参数。

二、毫米波测云雷达的特点1. 高分辨率：毫米波测云雷达工作在毫米波波段，波长相对较短，能够提供高分辩率的云层结构信息。

2. 多参数测量：毫米波测云雷达测量的是云层的散射回波信号，这些信号中包含了云粒子的多个参数，例如云滴和云颗粒的尺寸、分布、速度等。

3. 高时空分辨能力：毫米波测云雷达具有高时空分辨率的优势，能够提供准确的云层信息和动态变化。

4. 全天候工作能力：毫米波测云雷达利用的是电波信号，无论是白天还是夜晚，无论是晴天还是雨雪天气，都能进行观测。

5. 非侵入性观测：毫米波测云雷达可以通过远程探测的方式获取云层信息，无需飞机或气球等载具进入云层，具有较好的实用性和经济性。

三、毫米波测云雷达的研究现状目前，毫米波测云雷达的研究主要集中在以下几个方面：1. 技术改进：针对毫米波测云雷达在分辨率、探测能力和噪声等方面的局限，研究人员致力于改进雷达系统的硬件和软件，提高测量精度和可靠性。

2. 数据处理与算法：毫米波测云雷达所获得的回波信号需要经过复杂的信号处理和算法处理才能得到有效的云层信息。

雷达探测降水粒子散射特征研究

雷达探测降水粒子散射特征研究3 民航吉林空管分局吉林省130000摘要：利用DDA算法，并通过Gamma分布模型拟合滴谱，模拟分析不同相态、大小、形状、雷达入射波长、发射仰角、温度等因素对雨滴群、雪粒子群的雷达反射率因子的影响，得到降水粒子的散射特性。

结果表明，雷达入射波长、粒子有效半径对粒子散射起主要影响作用，且降水粒子有效半径越大，雷达反射率因子越大。

粒子数浓度对粒子散射有重要作用。

温度对粒子散射影响很小，低仰角几乎不影响粒子散射。

关键词：降水粒子、雷达反射率因子、散射特性、散射截面1 引言降水在我们的生产生活中扮演着非常重要的角色。

而大气中的降水粒子存在的形式多种多样，如：雨滴、雪、冰粒、冰雹、霰等等。

我们可以通过卫星、雷达获取降水资料。

雷达主要通过粒子对雷达电磁波的散射来探测降水粒子，降水强度由雷达接收到的降水粒子群的能量大小作为判据，散射能量又由降水粒子的散射情况影响。

本文模拟各种形态粒子（形状、大小、相态）的散射情形，通过设置滴谱，研究粒子群的散射情况和雷达回波。

从而为提高双偏振多普勒雷达探测降水精度提供理论基础。

2.理论基础2.1 DDA算法介绍DDA算法[1]即离散偶极子近似，DDA算法实质是将若干个离散的等体积的小偶极子按实际粒子的形状排列成不同的阵列等效计算实际粒子的散射特性。

DDA可以用来模拟各种几何形状的粒子，如：椭球体、正四面体、矩形固体、有限柱体、六角形棱镜等等，靶材料可以是非均匀的，非均匀和各向异性的。

DDA使用范围广，虽然计算时间较长，但是之后Goodman、Collingel等人的不断完善计算程序，降低了计算时长。

假设体积为V的粒子离散成N个小偶极子，那么偶极子间距与粒子体积的关系是：偶极子的个数越多，计算所需要的时间越长，不过计算的结果更加精确。

计算过程中程序需要设定的参数有粒子的有效半径、粒子随波长变化的复介电常数及电磁波频率等。

2.2 Gamma分布介绍很早之前国内外许多研究学者针对于拟合实际雨滴谱[2]提出M-P分布、对数分布、Gamma分布等，其中M-P分布和Gamma分布最常用。

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毫米波雷达探测性能受降雨后向散射增强影响分析摘要:降雨对毫米波传播特性的研究对于毫米波系统的地—空通信,毫米波雷达、制导等作战系统,主动和被动遥感的应用具有重要的实际意义。

本文主要介绍了毫米波雷达的基本原理,分析了降雨的多重散射效应,并将降雨的多重散射引入到雷达方程中。

计算了由降雨的二阶散射机制造成的雨杂波回波功率,发现当考虑降雨的二阶散射时降雨的回波功率将会增大。

分析了降雨的后向散射增强对毫米波雷达探测性能的影响,结果表明降雨的后向散射增强会引起雷达接收信杂比的降低和杂噪比的增加。

关键词:毫米波雷达探测性能散射增强影响毫米波波段雷达、通信系统具有及宽阔的信息带宽、独特的电波传播特性以及良好的设备小型化潜力,故其军用前景十分光明。

民用方面,毫米波系统在遥感、通信、射电天文学、生物学、医学、气象、测绘、测量、交通工具防撞、口岸调度等方面也有广泛的用途。

在现代战争条件下,电子武器系统已成为决定现代战争胜负的关键,毫米波雷达、制导等作战系统既具有微波波段全天候的特点,又具有体积小、重量轻,分辨率高、频带宽、隐蔽性好和抗干扰能力强等特点。

毫米波雷达抗干扰、反隐身、反低空突防和对抗反辐射导弹(四抗)的能力,使毫米波武器系统成为电子作战系统的主要发展方向之一[1]。

然而,由于毫米波波段频率较高,在信号传播过程中,对流层物质如水汽、氧气以及水凝物(如雨、云、雾、雪、冰)对传播信号的影响较为严重。

当频率大于10 GHz时,降雨的影响最为显著[2];且对毫米波雷达、通信系统,其试验与理论研究更为复杂。

因此必须首先搞清楚降雨对信号的影响,然后采取有效的对抗措施尽量减小其影响。

因此,降雨对毫米波传播特性的研究对于毫米波系统的地—空通信,毫米波雷达、制导等作战系统,主动和被动遥感的应用具有重要的实际意义[3]。

1 毫米波雷达基本原理常规毫米波雷达主要由五部个分组成:雷达发射机、雷达接收机、信号处理器、雷达收发天线和显示器。

雷达发射机发射电磁信号,由雷达天线辐射到空中。

辐射到空中的电磁信号遇到目标时被目标拦截并向多方向散射,其中散射的信号被雷达接收天线接收并送至雷达接收机。

在接收机中,信号经过处理以检测目标的信息(位置、速度等)。

根据雷达发射信号与目标回波信号间的时延(实际上经过一个来回的路程),可以求出目标的距离R。

而目标角度的位置是利用雷达天线波束的定向性来完成的,雷达天线方位波束宽度越窄,测量方位角的精度越高,而俯仰波束宽度越窄,俯仰角测量精度越高。

此外,目标的径向运动速度可利用多普勒频移来求解[4]。

雷达对目标角坐标的测量是利用天线的方向性实现的。

当目标处于天线波瓣的轴线时,它从雷达接收到的能量最大,反射回波也最强。

当目标角位置偏离波瓣的轴线,则接收到的雷达照射能量较少,回波较弱。

当目标偏离波瓣的轴线更远,就无法接收到雷达的照射能量,雷达接收不到回波信号。

所以,可以利用天线方向图,让它在雷达所搜索的空间按一定的规律运动,同时观察接收机输出的回波强度,这样,当天线方向图的轴线对准目标时,回波最强,在其他角位置上,目标回波较弱或消失,以此确定目标的角位置。

2 降雨的多重散射效应波通过离散随机分布的粒子散射体介质后,其特性会发生变化。

在处理多粒子介质中的波动时,可考虑两种极端的情况,即稀疏分布和稠密分布。

当粒子密度稀疏时,可以用“单次散射”近似,这时,认为来自发射机的入射波在遭遇很少几个粒子后到达接收机,因而可认为散射波是由一个粒子的单次散射造成的,而二次散射和多次散射均可忽略。

当粒子密度增大时,我们不能假设散射波与入射波相同,这时需要考虑沿路径上散射和吸收造成的衰减。

这种近似下的散射波是被粒子散射一次的波动,但这时,入射到该粒子上的波事先已受到散射和吸收的衰减,同样的,这种散射波也要受到沿散射路径上吸收和散射的衰减。

这就考虑了一些多次散射,因而我们称为“一级多次散射”,该方法被广泛运用于降雨衰减的计算中。

但由于其忽略了二阶以及多阶散射,其结果在粒子数密度增大及电磁波频率增大时会有较大的误差。

因此,在高频及粒子数密度较大时需要考虑多重散射。

故本文中将用多重散射来分析降雨对电波的影响。

3 降雨对毫米波雷达方程的影响3.1 毫米波雷达方程毫米波雷达性能由基本雷达方程、信标方程和干扰方程决定,并且可通过这些方程预测雷达的主要性能。

对毫米波雷达来说,方程式中的自由空间衰减项Latm可能是限制雷达性能的最重要的因素。

毫米波雷达最大距离方程可写为以下形式:式中,Rmax为相应于等效接收机输出的最小单个脉冲信噪比(S0/N0)1min的最大作用距离;k为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/deg);T0为标准参考温度(290K);Bn为接收机噪声带宽;Fn为接收机噪声系数;(S0/N0)1min为一定雷达功能所要求的等效接收机输出的最小单个脉冲信噪比。

接收机灵敏度指雷达以一定的检测概率和虚警概率所能探测到目标的最小回波信号功率,表示为:其中,是雷达能够探测到的目标的最小信噪比。

这种形式的雷达方程仅包含单个脉冲的信噪比,没有考虑信号积累的影响,不能表达雷达总的有效性。

通常情况下,用平均功率表示雷达方程。

匹配滤波器理论指出:在白高斯噪声的作用下,匹配滤波器可以给出最大的信号噪声比2E/Ni,E 代表接收信号的总能量,Ni代表接收机输入端单边噪声功率谱密度。

常用雷达接收机虽然不是完全匹配滤波器,但近似匹配。

以简单脉冲波形为例,这时接收机噪声带宽Bn=1/τ。

假设单个脉冲能量Et=Ptτ,则雷达输出最小单个脉冲信噪比方程可写为:其中,Pav为平均功率;fr为脉冲重复频率。

3.2 降雨对毫米波雷达方程的影响降雨会对工作在微波及毫米波雷达的探测性能产生重要影响,尤其对工作频率在10 GHz以上的雷达。

雷达的探测能力除了受传播路径上雨衰减的影响之外,还受目标附近雨的散射回波的影响。

同时,雨介质的辐射还增加了天线噪声温度。

3.2.1 降雨对天线噪声温度的影响天线增加的噪声温度可以表示为:其中,Tm为降雨存在时大气介质的有效温度,一般取为260K;A是电波传播路径上的降雨衰减,它和雨顶高度、降雨率和天线仰角等因素有关。

当均匀降雨时,A为降雨衰减率和雨顶下斜路径长度的乘积,可表示为:雨顶下斜路径长度R的计算与天线仰角有关。

当天线仰角θ≥5°时,R表示为:当天线仰角θ<5°时,R表示为:其中:hR为雨顶高度;hS为雷达站海拔高度;Re为地球等效半径,一般取6370 km。

R的单位为千米。

3.2.2 降雨衰减及多次散射的影响在雷达信号的传播路径上有降雨且降雨引起的衰减不可忽略时,必须考虑降雨引起的衰减,这时目标的雷达方程为:假设在波束的有效照射体内,η值是常数,并考虑降雨的二阶和相干散射,此时降雨的雷达气象方程为:上式中为降雨衰减因子,随着传播距离的增大,衰减越大,雨回波功率越小。

而上节的计算结果说明在不考虑降雨衰减时,传播距离越大,雨回波功率增加越多,其值越大。

综上所述雨回波功率随传播距离的变化受和两因子综合影响。

由于考虑了雨滴的多次散射,故在计算目标和雨杂波回波功率时应将降雨的多重散射考虑在内计算降雨衰减值。

表1列出了几个降雨率下通过蒙特卡罗计算的降雨衰减系数。

由表1的雨衰减系数,以及表2中的毫米波雷达参数,根据前面的分析,计算考虑多重散射及降雨的相干散射(既考虑降雨的后向散射增强)时的雨回波功率并与不考虑多重散射及相干散射时的情况作比较。

计算结果表明随着传播距离的增大,降雨回波功率减小,且大降雨率减小的速率大于小降雨率。

这与不考虑多次散射时情形是一致的。

3.3 降雨的后向散射增强对毫米波雷达探测性能的影响当雷达探测目标处于雨区中时,降雨不仅会减弱雷达回波信号,而且目标所在雷达距离门内的降雨还会造成杂波干扰。

故雷达接收的回波功率应当包括目标的回波功率和雨杂波回波功率,此时目标信号的检测取决于目标的回波功率与噪声功率加雨杂波回波功率之比。

由于目标回波和雨杂波一样都受雷达性能和传播路径的影响,考虑到降雨的相干回波,所以信杂比不可以表示为目标和雨杂波的雷达截面积之比,而为信号回波和雨杂波回波功率比。

在以往研究降雨对毫米波雷达探测性能的影响时,雨杂波被看成是雨滴散射的非相干回波,且只考虑雨滴的一次散射,而本文在计算中考虑降雨的多次散射及相干散射引起的后向散射增强后,进一步研究其对毫米波雷达探测性能的影响。

由于毫米波波段,大气衰减较为严重,故我们取雷达工作频率为35 GHz和95 GHz两个大气窗口。

4 结语(1)大降雨率的信杂比小于小降雨率对应的值;对于特定的降雨率,传播距离越大,信杂比越小。

当考虑降雨的后向散射增强时,毫米波雷达接收信杂比明显减小,这是雨杂波增大的缘故。

(2)随着传播距离的增大,信杂比减小值越小,由前面的分析知,这是由于降雨的衰减及距离的增加造成的。

(3)雷达接收杂噪比随传播距离的增大而减小。

当考率降雨后向散射增强时,雷达接收杂噪比明显增大,与理论分析吻合。

(4)在传播距离小于200 m时,小降雨率杂噪比增大值大与大降雨率对应的值,但在传播距离大与200 m时,情况正好相反。

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