简论散射卷云冰晶粒子散射特性论述计算与实验测量研究发展电大

论文导读：各种非球形冰晶粒子的散射特性数据库具有十分重要的意义。目前对云的探测手段主要有卫星遥感、天气雷达、激光雷达、云幂测量仪以及高空气球等。卫星遥感探测间隔时间长，空间分辨率低；天气雷达对浅薄云不敏感；激光测云雷达、云幂测量仪以及气球只能探测空间某一点的云信息。因此，常规的探测云手段虽然可以获取云信息，但是
作者简介：王金虎（1987—），男，江苏南通人，博士研究生，研究方向：电磁散射、雷达系统（E-mail：goldtigerwang@nuist.edu.cn）；葛俊祥（1960—），男，江苏南京人，教授，博士生导师，研究方向：雷达系统、微波毫米波与天线技术、电磁散射与绕射理论。
摘要：总结卷云冰晶粒子常用的物理参数如形状尺寸以及谱分布，论述卷云冰晶粒子散射特性的常用计算算法，重点介绍毫米段冰晶粒子散射特性的计算方法如DDA、T矩阵、FDTD方法并研究各种方法的优缺点。总结国内外气象粒子的实验测量方法如微波后向散射测量装置、FP腔、双站RCS快速测量技术、
微波暗室测量方法，最后对该领域内研究动向进行概述。
关键词：卷云；冰晶粒子；物理参数；理论计算；实验测量
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1引言
卷云平均覆盖了地球上空20%-30%，其水平范围从几公里到上千公里，由于卷云既反射太阳的短波辐射又吸收地面的长波辐射， 对地球-大气系统的辐射收支有着重要的影响，因此对卷云的辐射特性进行研究，建立各种非球形冰晶粒子的散射特性数据库具有十分重要的意义。
目前对云的探测手段主要有卫星遥感、天气雷达、激光雷达、云幂测量仪以及高空气球等。卫星遥感探测间隔时间长，空间分辨率低；天气雷达对浅薄云不敏感；激光测云雷达、云幂测量仪以及气球只能探测空间某一点的云信息。因此，常规的探测云手段虽然可以获取云信息，但是时间分辨率和空间分辨率都较低，不能探测云内部结构，难以准确反映时刻变化的云参数信息[3]。作为新型的云探测工具，毫米波测云雷达具有很高的灵敏度和分辨率，可以探测云的内部结构，弥补了常规云探测的不足。
为了利用毫米波测云雷达的回波特性评估冰云，必须对毫米段云中冰粒子的散射特性进行理论和实验研究[4]。目前理论研究卷云中源于：论文结论范文www.7ctime.com
冰晶粒子散射的方法多集中在FDTD[5]、DDA[6]、T矩阵[7]等，常用的实验方法主要有微波后向散射测试方法、FP腔法、双站RCS快速测量方法、微波暗室测量。本文结合国内外相关资料对冰晶粒子散射理论计算方法以及实验方案进行综述，以此为研究毫米段卷云冰晶粒子的散射特性提供部分的参考依据。
2卷云冰晶粒子的物理参数
冰云主要由比球形粒子复杂的各种形状的冰晶粒子组成， 卷云、高积云、高层云上部及雨层云上部等一般由冰晶组成，所以属于冰云。冰晶粒子的散射特性与其形状、大小、组成成分、取向以及入射波长等因素有关，毫米波散射特性的研究目的，就是分析冰云的特性和云粒子的后向散射特性的关系，从而利用毫米波雷达的回波来准确反演云的特性。

2.1卷云单个冰晶粒子的尺寸以及形状

冰晶粒子的形状和大小是多种多样的，随高度变化，它取决于温度、相对湿度以及在云中是否经历了碰撞与合并过程[8]，中纬度卷云冰晶粒子的典型尺度变化范围为10～4000um[9]，Hong gang在研究94GHz频率下非球形冰晶粒子的散射特性时将冰晶云的粒子分成了6种形状，包括六角棱柱、中空六棱柱、六角平板、花环、聚合物以及过冷水滴，粒子的尺度范围为2～5500um[10]。Ping Yang等在计算冰晶粒子单次散射特性时将冰晶粒子分成了聚合物、实心以及空心六棱柱、椭球形、六角平板状、过冷水滴以及花环，计算中粒子的尺度范围为2～10000um。

2.2卷云冰晶粒子的谱分布

云物理中把云中冰晶浓度（单位体积中冰晶的个数）随尺度的变化叫做冰晶谱，冰晶谱N（D）代表了冰晶的大小D与数量N的对应关系，它是一种反映云特征的微物理参量。冰晶谱分布主要有对数正态分布、伽玛分布、伽玛分布、幂指数分布等[11]，目前云粒子计算中最常用的是伽玛粒子谱分布[12]，形式如下所示：
3冰晶粒子的散射理论计算与实验标定

3.1卷云冰晶粒子散射的计算方法

卷云冰晶粒子散射计算的方法有限时域法（FDTD）、离散偶极子近似法（DDA） 、T矩阵（T- Matrix）、有限元法（FEM） 、矩量法（Mom）、几何光学法（GOM）、异常衍射理论（ADT）等。在毫米段下，计算卷云冰晶粒子最常用的是FDTD、DDA以及T矩阵方法，故对这三种方法做简单的介绍：
3.1.1时域有限差分论文导读：仿真不均匀粒子或者复杂的粒子模型时存在着一定的难度。目前一些常用的商业软件也可对粒子的后向散射进行仿真计算，如HFSS（基于有限元）、CST软件（基于时域有限差分）、FEKO（基于矩量法）。3.2卷云冰晶粒子散射的实验测量技术国内外对气象目标物如云冰晶粒子、冰雹以及降水粒子散射测量的实验方法主要有（1）微波后向
（FDTD）法
自1966年Yee首次提出时域有限差分方法以来，该方法已经得到了迅速地发展以及应用。目前公开的FDTD软件主要有FDTDA、XFDTD、EMA3D、AutoMesh、A Conformal FDTD Software Package等[13]，FDTD方法可以应用于各种形状的粒子，但是当尺度参数χ（χ=2πr/λ，r为粒子的等效半径，λ为入射电磁波的波长）大于20时，计算所需的CPU的时间和内存空间变得有点不切实际。
3.

1.2离散偶极子近似DDA方法

DDA方法最早是由Purcell和Pennypacker于1973年首次提出，后经过Draine等人的进一步改进，现已经发展成一种成熟的算法，其最大的优点是可以计算任意形状、非均匀和各向异性粒子的散射问题。DDA的基本思想是用有限个离散的、相互作用的小偶极子的阵列来近似实际的粒子，这些小偶极子必须在形状上和电磁特性上足够描述它们所模拟的粒子，即两者具有相同的离散关系从而对实际粒子的研究转化为对这些小偶极子的研究。任给一粒子，设其可离散为N个小立方体，每个小立方体的散射特性可用一个偶极子表示。整个粒子成为含有N个偶极子的阵列。N越大计算结果越精确，但对计算要求越高。用这种方法时离散偶极子的数目随散射体的尺度参数以指数形式增加，从而进行随机取向的运算量也将快速增大。 3.

1.3Tmatrix

该方法最早是由P.C.Waterman提出的，原用来求解导体的散射问题，后来推广应用到求解介质体，该方法多用于计算轴对称粒子的散射问题，因为散射体具有轴向对称（或在空间随机取向）时，可以用互易性定理，即入射光和散射光是可以互易的，这时T矩阵化为由6个独立元素组成的对角矩阵，且每个子矩阵都可独立计算。T矩阵中的每一个矩阵依赖于散射体的形状、大小和折射指数，而与入射场和散射场没有关系，因此只要计算一次T矩阵就可用于任意距离处光散射的计算。T矩阵方法的优点是程序中有自动收敛检测使计算结果比较准确，速度也很快，但目前的代码只能用于计算轴对称物体（如椭球体、圆柱体等）的散射。对尺度参数较大的粒子，计算结果不收敛，对于取向比远偏离1的粒子，T矩阵也只能计算小尺度参数粒子的散射[14][11]。
总之，各种计算方法有各自的优缺点和适用范围，而目前还没有一种方法可以精确快速地求解任意形状，任意尺寸的非球形粒子散射特性。实际应用中，我们只能根据粒子的实际特征来选取合适该类粒子的计算方法。其中，FDTD 、DDA适用于任意形状及非均匀的粒子，但是由于计算机内存和速度的限制，当尺度参数大于 20 的时候就不可以使用 FDTD 和 DDA 算法进行计算了，T矩阵精度远胜过FDTD和DDA方法，但是这种方法仅适用于计算轴对称的粒子，比如球、椭球、圆柱以及切比雪夫粒子。GOM、ADT适用于尺寸比入射波长大的粒子，但精度较低，而且这两种方法在仿真不均匀粒子或者复杂的粒子模型时存在着一定的难度[15]。
目前一些常用的商业软件也可对粒子的后向散射进行仿真计算，如HFSS（基于有限元）、CST软件（基于时域有限差分）、FEKO（基于矩量法）。

3.2卷云冰晶粒子散射的实验测量技术

国内外对气象目标物如云冰晶粒子、冰雹以及降水粒子散射测量的实验方法主要有（1）微波后向散射测试方法（2）FP腔方法 （3）双站RCS快速测量方法（4）微波暗室测量法等，下面分别对其进行简述：
4结论与展望
卷云的辐射特性研究在国际上是一个研究的热点，世界各国一直非常重视卷云的研究，但是卷云的辐射强弱仍然是一个尚不能精确确定的影响因子。本文对卷云中常用的物理参数进行总结归纳，认为卷云冰晶粒子的典型尺度变化范围为10um～4000um，形状模型主要有六角棱柱、中空六棱柱、六角平板、花环、聚合物以及过冷水滴这几种。实际的探测资料表明，云中的论文导读：上一页12345下一页
粒子远比这些模型复杂，无法用简单的数学模型来描述，而且目前的研究中大都认为冰晶粒子为均匀各向同性的介质，缺少对各向异性且非均匀情况下的计源于：毕业论文致谢格式www.7ctime.com
算。粒子散射理论计算中，目前还没有一种方法可以精确快速地求解任意形状，任意尺寸的非球形粒子散射特性，因此设计一种混合的算法具有十分重要的意义。在实验室测量冰晶粒子的散射特性中，本文主要介绍了微波后向散射测量装置、FP腔、双站RCS快速测量技术、微波暗室测量技术，这些测试的方法都存在着缺点，如何克服这些缺点，如何真实地模拟大气中云的冰晶粒子以及如何利用相关的测试仪器准确地测量冰晶粒子的散射特性将是一个极具挑战性的课题。南京信息工程大学电子与信息工程学院与中国气象局气象探测技术工程中心共建的“毫米波气象雷达系统重点实验室”配有毫米波雷达研究测试所需的各种实验装备，建有大型微波暗室、准3m法EMC电磁兼容实验室、电磁仿真实验室，除此之外还建有风洞实验室，如何利用微波暗室以及风洞实验室完成大气粒子的散射实验测量将是本人博士期间研究的一个重点方向。
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