一种用于太赫兹雷达的卷云微物理参数计算方法

摘要

本发明提供一种用于太赫兹雷达的卷云微物理参数计算方法。利用离散偶极子近似法计算太赫兹频段的粒子散射特性数据，结合卷云冰晶粒子谱分布参数，计算雷达反射率因子，建立修正后的前向物理模型，最小化代价函数得到待反演参量的迭代解，以设定的卷云冰晶粒子谱参数加上随机误差做为迭代初值，迭代运算求出待反演的卷云微物理参数，将计算结果与设定的卷云微物理参数比对，判断本发明的方法能有效用于卷云微物理参数计算。本发明的方法步骤简单，计算可靠，且不需要大量统计数据，具有很好的实际应用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种卷云微物理参数的方法，具体涉及一种利用太赫兹雷达反射率因子反演计算卷云微物理参数的方法。

背景技术

卷云是全球范围内经常出现的云类之一，主要由各种球形、非球形的冰晶粒子组成，也称为冰云，云中冰晶粒子大小、形状、数浓度、冰水含量、粒子谱等微观特征的精度直接影响其散射辐射特性描述的准确性，其观测及特征参数计算研究有着非常重要的意义。

卷云由于云中冰晶粒子尺寸对于探测设备的灵敏度有较高要求，与目前主流的毫米波雷达相比，太赫兹雷达波长更接近冰云粒子尺寸，在理论上具有更高的分辨力和灵敏度，特别是220GHz大气窗口的电磁波，适用于星载平台冰晶粒子以及含水量相对少高纬度地区或高空区域气象遥感探测，可用于实现冰云三维结构的高精度测量。太赫兹雷达的研制国际上较少，美国马萨诸塞大学在1988年研制了一部215GHz雷达，主要用来研究云和雾特征，Battaglia等探讨了110-330GHz频段雷达研究云物理的可行性，提出了该频段雷达在卷云特性高精度探测上的应用方法。太赫兹雷达的研发给冰云微物理参数反演方法研发工作提出了新的研究课题，以求实现太赫兹波段的冰云特征参量反演，满足云物理研究、气象保障的需求。

专利方面，中国空间技术研究院申请了一种用于测云的地面太赫兹雷达系统以及一种基于太赫兹主动测雷达的测云实验装置及方法，同时也提供一种基于太赫兹主动测云雷达的测云实验装置及方法，能够实现不同极化方式的测云实验，其中反演计算机对接收箱体处理后的信号进行云参量的反演，获取云粒径和云雾浓度信息；安徽师范大学提出一种利用A-Train系列卫星数据协同反演云相态和云参量的新方法。在所检索到的相关专利中，国内外的相关研究主要集中在云探测设备或仪器，太赫兹波段的冰云特征参量反演方法的专利极为少见。论文多为冰晶粒子在太赫兹频段的散射特征，以及毫米波与太赫兹波双频计算的可行性分析，缺乏太赫兹频段云微物理参数计算方法的研究成果。

发明内容

本发明提供一种用于太赫兹雷达的卷云微物理参数计算方法。利用离散偶极子近似法计算太赫兹频段的粒子散射特性数据，结合卷云冰晶粒子谱分布参数，计算雷达反射率因子，建立修正后的前向物理模型，最小化代价函数得到待反演参量的迭代解，以设定的卷云冰晶粒子谱参数加上随机误差做为迭代初值，迭代运算求出待反演的卷云微物理参数，将计算结果与设定的卷云微物理参数比对，判断本发明的方法能有效用于卷云微物理参数计算。

为达到上述目的，一种用于太赫兹雷达的卷云微物理参数计算方法，该方法的输入为雷达反射率因子，输出为待反演的卷云微物理参数，包括冰晶粒子的粒子几何平均直径、粒子数密度和粒子谱分布宽度，包含步骤：

S1、利用DDA算法来计算太赫兹频段的粒子散射特性数据，令D_a为粒子直径，N(D_a)为设定的卷云冰晶粒子分布函数，D_ga、N_Ta和σ_a分别表示N(D_a)中的粒子几何平均直径、粒子数密度和粒子谱分布宽度，计算得到卷云中冰水含量IWC_a和卷云有效粒子半径r_ea，以及米散射雷达反射率因子Z_{e_a}；

S2、计算瑞利散射下的雷达反射率因子Z_{Ray_a}，令f_a＝Z_{e_a}/Z_{Ray_a}；

S3、将f_a作为修正参数，建立修正后的太赫兹频段卷云粒子前向物理模型，y＝F(x)＝Z_dB，其中

Z_Ray为瑞利反射率因子，K_ice为冰介电常数，K_liq为水介电常数，x为待计算量，其中D_g、N_T和σ分别表示待反演的冰晶粒子的粒子直径、粒子数密度和粒子谱分布宽度；

S4、根据待计算x和先验数据x_a以及10log₁₀Z_{e_a}和前向物理模型值Z_dB的差值加权之和建立代价函数；最小化代价函数，得到待反演变量的迭代公式；将S1中设置的D_ga、N_Ta和σ_a加上随机误差作为迭代初值，设置收敛条件和迭代次数上限，求得卷云微物理参数D_g、N_T和σ的反演结果；其中

S5、根据反演的卷云微物理参数D_g、N_T和σ，进一步计算得到反演的卷云中冰水含量IWC和反演的卷云有效粒子半径r_e，与步骤S1中的IWC_a和r_ea比对；比对结果IWC与IWC_a吻合，且r_e与r_ea吻合，说明步骤S1～S4可有效用于太赫兹雷达的卷云微物理参数计算。

步骤S2中，通过计算的米散射的雷达反射率因子Z_{e_a}和瑞利散射下雷达反射率因子Z_{Ray_a}建立的前向模型修正参数f_a具体为，

其中λ为太赫兹雷达发射信号的波长，D_min和D_max分别为的卷云冰晶粒子直径的最小值和最大值，D为卷云冰晶粒子直径，σ_bk(D)表示直径为D的冰晶粒子的后向散射截面，N(D)为设定的卷云冰晶粒子谱分布函数。

与现有技术相比，本发明提供了一种新的用于太赫兹雷达卷云微物理参数的计算方法。本发明的方法步骤简单，计算可靠，且不需要大量统计数据，具有很好的实际应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，下面描述中的附图是本发明的一个实施例：

图1是本发明的用于太赫兹雷达的卷云微物理参数计算方法的流程图；

图2是本发明的用于太赫兹雷达的卷云微物理参数计算方法中迭代运算卷云微物理参数的流程图；

图3是计算得到的卷云有效粒子半径与真实的卷云有效粒子半径比对图。

图4是计算得到的卷云中冰水含量与真实的卷云中冰水含量比对图。

图5是计算得到的粒子数密度与真实的粒子数密度比对图。

图6是计算得到的粒子谱分布宽度与真实的粒子分布宽度比对图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

我们通常使用三个卷云微物理参数：卷云中的冰晶粒子数密度、冰晶粒子直径和冰晶粒子几何平均直径，来描述卷云微物理特征。本发明提供一种计算卷云微物理参数的方法。本发明利用太赫兹频段冰晶粒子的散射特征参数，设计了卷云微物理参数计算及验证的具体流程。

如图1所示，本发明提供了一种用于太赫兹雷达的卷云微物理参数计算方法，在本应用实施例中，研究的是卷云冰晶粒子在220GHz雷达下的卷云微物理参数，具体包含步骤：

S1、利用DDA(离散偶极子近似法Discrete Dipole Approximation)来计算太赫兹频段的粒子散射特性数据，令D_a为粒子直径，N(D_a)为设定的卷云冰晶粒子分布函数，令D_ga、N_Ta和σ_a分别表示N(D_a)中的粒子几何平均直径、粒子数密度和粒子谱分布宽度，计算得到冰水含量IWC_a和粒子有效粒子半径r_ea，以及米散射雷达反射率因子Z_{e_a}。

步骤S1中具体包含：

S11、采用对数正态分布计算卷云冰晶粒子数

其中ln代表自然对数，exp表示以自然常数e为底的指数函数；

S12、计算卷云中冰水含量IWC_a，

ρ_ice为冰密度系数；D_min和D_max分别为卷云冰晶粒子直径的最小值和最大值，

S13、计算卷云冰晶粒子有效粒子半径r_ea，

S2、计算瑞利散射下的雷达反射率因子Z_{Ray_a}，令f_a＝Z_{e_a}/Z_{Ray_a}；米散射的雷达反射率因子Z_{e_a}和瑞利散射下雷达反射率因子Z_{Ray_a}具体为，

其中λ为太赫兹雷达发射信号的波长，σ_bk(D)表示直径为D的冰晶粒子的后向散射截面。

S3、将f_a作为修正参数，建立修正后的太赫兹频段卷云粒子前向物理模型，y＝F(x)＝Z_dB，其中

D_g、N_T和σ分别代表待反演的粒子数密度、粒子几何平均直径和粒子分布宽度参数，K_ice为冰介电常数，K_liq为水介电常数，Z_Ray为瑞利反射率因子，本发明中，将10log₁₀Z_{e_a}作为Z_dB的真值。

S4、代价函数表示状态向量和先验数据差分以及已知测量向量和前向模型值差分的加权之和，令待计算x作为状态向量，x_a作为先验数据，10log₁₀Z_{e_a}作为已知测量向量y，F(x)为前向模型值，建立代价函数D，

其中，上标T表示矩阵的转置，

S_a为先验数据的协方差矩阵，S_a的对角元素为x_a的方差，S_y为系统测量误差协方差矩阵；

最小化代价函数D，得到待反演变量的迭代公式。

上式中，上标k和k+1表示迭代次数，表示第k次迭代结果，矩阵L代表前向物理模型对状态向量的灵敏度，有

将x_a加上随机误差作为迭代初值设置收敛条件和迭代次数上限，运算得到x的迭代解，求得卷云微物理参数D_g、N_T和σ的反演结果。

迭代的收敛条件为：其中表示和的差值，S_x是迭代状态向量的误差协方差矩阵，该矩阵的对角元素为反演参量的方差，而非对角元素为反演参量之间的协方差；如图2所示，当不满足收敛条件则进入下一轮迭代。迭代次数上限是指迭代次数必须小于20次；当满足收敛条件时，若迭代次数小于20次，则迭代结束得到卷云微物理参数D_g、N_T和σ的反演结果。

S5、根据反演的卷云微物理参数D_g、N_T和σ，进一步计算得到反演的卷云冰水含量IWC和反演的卷云有效粒子半径r_e，与步骤S1中的IWC_a和r_ea比对；比对结果IWC与IWC_a吻合，且r_e与r_ea吻合，说明步骤S1～S4可有效用于太赫兹雷达的卷云微物理参数计算。如图4、图5、图6所示，计算得到的卷云中冰水含量与真实的卷云中冰水含量、计算得到的粒子数密度与真实的粒子数密度、计算得到的粒子谱分布宽度与真实的粒子分布宽度相比，数值接近，仿真度高，证明本发明的卷云微物理参数的计算方法可靠。

与现有技术相比，本发明提供了一种新的用于太赫兹雷达卷云微物理参数的计算方法。本发明的方法步骤简单，计算可靠，且不需要大量统计数据，具有很好的实际应用价值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。