[发明专利]一种用于太赫兹雷达的卷云微物理参数计算方法

说明书

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。

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}；