降雨粒子群散射特性的高效分析

丁大志 沈 鹏 陈如山 尚 社 范晓彦

（1.南京理工大学通信工程系，江苏 南京 210094；2.空间微波技术国防科技重点实验室，陕西 西安 710000）

引 言

全球降雨分布及其测量是目前全球环境气候变化研究中的薄弱环节，当前只有少数国家可以利用热带降雨测量（TRMM）卫星获得可靠的全球降雨分布数据［1-2］。TRMM降雨雷达工作在Ku波段，中心频率为13.8GHz，可检测的最小降雨量约为0.6mm／h.为了进一步提高星载降雨雷达对小雨、雪等气候现象的测量灵敏度，新一代星载降雨雷达将增加K和Ka工作频段［3］，使得降雨雷达能够对小雨雪等气候进行更加精确的测量。因此，对K和Ka波段降雨粒子散射特性及不同频率对降雨粒子散射特性的影响进行研究对改进天气和洪水预报、水资源管理以及监测全球变暖与气候变化具有重要意义。

传统分析降雨粒子群散射的方法可以概括为两大类:解析解法和数值近似解法。其中，解析解法主要是分离变量（SVD）法，最早由 Asano等人提出［4］，但是该方法对坐标系的依赖性限制了其对复杂形状粒子散射特性的研究。随着计算机硬件环境的发展，数值类方法得到快速发展。用于解决粒子散射问题的计算方法主要包括离散偶极子近似（DDA）法、T矩阵（T-Matrix）法、基于体积分方程（VIE）的矩量法、稀疏矩阵规则网格（SMCG）法等。DDA方法最早由Purcell和Pennypacker在1973年提出，用于分析星际尘埃物质的散射和吸收问题［5］。但是其对存储量、计算时间的高需求使其发展受到很大限制。T矩阵方法最早由P.C.Waterman［6］于1965年首次引入计算电磁学领域，最显著的特点是它只与粒子自身的属性有关，对于某一固定的散射粒子，计算一次它的T矩阵，便可以得到任意方位下该散射体的散射特征，但是在分析非球对称类模型时，其计算复杂度会大幅度增加。……