偏振多普勒天气雷达原理和应用

序

前言

致谢

符号

第1章 雷达应用中有用的电磁场概念

1.1 麦克斯韦方程与电位的回顾

1.2 介质粒子散射的积分表达式

1.3 介质球的瑞利散射

1.4 散射、双基和雷达横截面

1.5 吸收和衰减截面

1.6 Clausius-Mosotti方程和Maxwell-Garnet混合公式

1.7 法拉第定律和非相对论的多普勒频移

1.8 运动中的介质球：相干和非相干积累

1.9 平面波入射条件下运动的介质球

1.10 介质球构成的平板的相干前向散射

第2章 散射矩阵

2.1 前向散射和后向散射的校正规范

2.2 互易定理

2.3 Rayleigh-Gans近似条件下球和椭球体的散射矩阵

2.4 Mie解

2.5 koα的幂表示的Mie系数：低频近似

2.6 非球形粒子的数值散射方法

第3章 波、天线和雷达偏振

3.1 平面波的偏振状态

3.2 天线辐射和接收的基本概念

3.3 双偏振天线：线偏振基本理论

3.4 单个粒子的雷达距离方程：线偏振基本理论

3.5 变偏振基本理论：线偏振到圆偏振基本理论

3.6 雷达距离方程：圆偏振状态

3.7 电压方程的双线性形式

3.8 偏振综合与偏振特征

3.9 部分偏振波：相干矩阵和Stokes矢量

3.10 总体平均的Mueller矩阵

3.11 时间平均Mueller矩阵和协方差矩阵

3.12 散射中对称性的含义

3.13 圆偏振的协方差矩阵

3.14 线偏振雷达和圆偏振雷达观测之间的关系

第4章 降水媒质中双偏振波的传播

4.1 相干波传播

4.2 Oguchi解

4.3 含传输矩阵的雷达距离方程：线偏振态

4.4 含传输矩阵的雷达距离方程：圆偏振态

4.5 传输修正协方差矩阵

4.6 考虑传输影响的线偏振与圆偏振雷达观测值之间的关系

4.7 “混合”偏振条件下的测量

第5章 多普勒雷达信号理论和谱估计

5.1 信号与系统的回顾

5.2 来自降水的回波信号

5.3 回波信号的平均功率

5.4 相干矩阵测量

5.5 回波信号的自相关

5.6 时间间隔、频率间隔相干函数

5.7 回波信号的采样

5.8 雷达系统中的噪声

5.9 回波信号的统计特征

5.10 平均功率估计

5.11 多普勒频谱（或功率谱密度）和平均速度的估计

5.12 回波信号的统计特征和谱估计举例

第6章 双偏振雷达系统和信号处理算法

6.1 系统概况

6.2 天线性能特征

6.3 雷达标定

6.4 协方差矩阵估计

6.5 协方差矩阵元素估计的方差

6.6 比差分相位（Kdp）的估计

第7章 表征降水的偏振基本理论

7.1 雨

7.2 对流性降水

7.3 层状降水

7.4 根据φdp估计雨的衰减和差分衰减

7.5 水凝物分类

第8章 雷达降水估计

8.1 基于物理参数降水率估计算法

8.2 基于物理参数的雨水含量估计算法

8.3 与利用Zh、Zdr和Kdp的降水率算法有关的误差结构和实际问题

8.4 降水量估计中的统计方法

8.5 基于神经网络的雷达降水估计

8.6 关于雷达降水估计的几点一般性评论

附录1 静电学的回顾

附录2 电磁场的矢量球谐函数及多极展开式的回顾

附录3 T矩阵法

附录4 传输矩阵的解

附录5 自相关函数、它们的幅度和相位的方差计算公式及用周期组脉冲模式估计的公式

参考文献

《偏振多普勒天气雷达原理和应用》详细介绍多普勒雷达和偏振雷达的原理，特别注重其在降水分析的使用。整《偏振多普勒天气雷达原理和应用》中一直强调设计特点和实际雷达系统操作，以便说明重要的理论基础。

　　作者从电磁散射、偏振和波的传播等背景知识开始讨论，然后详细介绍脉冲多普勒雷达偏振处理，包括相关的信号理论、谱估计技术、噪声补偿等，书的最后部分是在气象和遥感探测方面的一系列应用。

　　《偏振多普勒天气雷达原理和应用》可作为电气工程和大气科学研究生的参考教材，也可作为在气象雷达系统应用的从业人员的参考用书。

《偏振多普勒天气雷达原理和应用》对偏振雷达的基础知识、偏振电磁波探测降水粒子的基本理论、回波信息中获取偏振特征参数的信号处理算法及其在气象学上的应用等作了全面、深入的论述；对电磁波、雷达天线的极化和降水粒子散射的理论分析与数学推导严谨、详尽，使读者能建立起正确的物理概念。该书紧密联系偏振多普勒天气雷达各分系统以及气象目标的实际进行理论分析，这将有助于偏振天气雷达的设计、定标和信号处理。该书对从回波信号中提取偏振参数过程的理论表述清晰，读者从中能够较好地掌握这些参数的物理意义。书中也对偏振参数在不同降水情况下的数学表述以及在定量估测降水率方面的应用作了较全面、仔细的介绍，提高与扩展了雷达信息在气象领域中的应用。