一种基于非球形干沙粒子的太赫兹雷达回波仿真方法与流程

本发明涉及雷达仿真，特别涉及一种基于非球形干沙粒子的太赫兹雷达回波仿真方法。

背景技术：

1、沙尘天气是干旱、半干旱地区的常见现象，其发生时大量干沙粒子（沙尘中的干燥矿物颗粒）悬浮于空中，不仅导致空气质量急剧下降、能见度大幅降低，更严重威胁道路交通安全、航空运输以及人体健康。因此，实现对沙尘天气的精确监测，对于实时获取干沙粒子的微物理特性、提升复杂天气气象预报准确度以及保障交通运输安全具有重要意义。

2、目前，用于沙尘天气探测的主动遥感手段主要依赖于激光雷达和毫米波雷达。激光雷达虽然工作波长短、分辨率高，但在沙尘特别是高浓度沙尘暴环境下，光波衰减严重，穿透能力不足，难以获取深层沙尘区域的有效回波信号；毫米波雷达（如ka、w波段）穿透性优于激光雷达，但其波长较长，空间分辨率有限，且在该波段下，微米至亚毫米级干沙粒子的散射效应较弱，导致探测灵敏度不足。

3、近年来，太赫兹雷达技术迅速发展，在遥感探测领域展现出独特优势。受益于高频短波特性，太赫兹雷达兼具比毫米波雷达更高的分辨率和比光学探测手段更强的穿透力，且具有精细化程度高、多普勒精度高等良好性能。特别是 220ghz频段（波长约为1.36mm），其尺寸参数与典型微米级干沙粒子处于瑞利散射到米氏散射的过渡区域，能够产生显著的散射效应，从而产生较强的回波强度。因此，该频段在保持良好穿透性的同时显著提升探测灵敏度，为沙尘探测提供了全新的物理手段。为了基于该频段开发高性能雷达，必须首先建立精确的雷达回波模型以支撑系统设计。

4、然而，现有太赫兹频段沙尘散射特性研究和回波仿真多采用mie理论，即将粒子简化为球体，但实际干沙粒子形态复杂、多呈现非球形形态。在220ghz频段下，非球形粒子的形状效应会显著改变散射特性，若沿用球形假设将导致散射截面计算偏差，进而使得雷达回波仿真结果与实际情况存在较大误差，无法满足沙尘天气精细化探测的设计需求。因此，构建一种基于非球形干沙粒子散射模型，开展220ghz太赫兹沙尘雷达回波的正向仿真研究，对于开发新型太赫兹气象雷达、探索沙尘天气精细化探测新机理具有重要的科学价值和应用前景。

5、这里的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，而并不必然地构成现有技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于非球形干沙粒子的太赫兹雷达回波仿真方法，减小干沙粒子因形状效应导致的散射截面计算偏差，满足沙尘天气精细化探测的设计需求。

2、为了实现以上目的，本发明提供了一种基于非球形干沙粒子的太赫兹雷达回波仿真方法，包括：

3、s1、采用扁椭球体模拟真实干沙粒子形状，构建包含不同横纵比的干沙粒子形状分布模型；

4、s2、构建干沙粒子的粒径分布模型，包括：基于干沙粒子的实测粒径分布特征，采用对数正态分布函数描述干沙粒子的粒径分布；

5、s3、计算等效雷达反射率因子，包括：

6、设定目标太赫兹频段下干沙粒子的复介电常数；为s1中构建的不同横纵比的扁椭球体干沙粒子分配对应的形状权重系数；利用dda算法计算单粒子在目标太赫兹频段的电磁波照射下的后向散射截面，将所得的单粒子后向散射截面结合粒径分布与形状权重系数进行双重加权处理，输出加权后的粒子群后向散射截面总和；根据粒子群后向散射截面总和和粒子介电常数因子，计算等效雷达反射率因子，其中k由复介电常数确定；

7、s4、利用s3中计算得到的等效雷达反射率因子，基于雷达气象方程构建太赫兹雷达回波信号。

8、可选地，所述步骤s1包括：

9、s11、设定干沙粒子的几何参数包括水平轴半径和旋转轴半径，在笛卡尔坐标系下，以原点为中心，定义所述干沙粒子的参数方程为：

10、

11、设定几何参数满足约束条件；

12、s12、设定干沙粒子横纵比，用于量化干沙粒子的非球形程度；设定所述横纵比的取值范围并选取横纵比的代表值的数量n，进而在所述取值范围内确定横纵比代表值集合，以此构建包含不同横纵比的干沙粒子形状分布模型，其中1≤i≤n。

13、可选地，在所述步骤s12中，设定所述横纵比的取值范围为 1.2~2.0，在所述取值范围内，选取横纵比的代表值的数量为 5~9 个。

14、可选地，所述步骤s2包括：

15、s21、定义为干沙粒子半径，即干沙粒子的等体积等效球半径，单位为μm；为干沙粒子粒径分布，单位为；采用对数正态分布函数构建干沙粒子的粒径分布模型，其粒径分布函数表达式为：

16、

17、式中，n(r)为单位体积累计粒子数，为干沙粒子的总粒子数浓度，单位为；为干沙粒子的几何平均半径，单位为μm；为几何标准差；

18、s22、根据实测数据，确定粒径分布函数中几何平均半径和几何标准差的取值，并设定干沙粒子半径的取值范围，构建粒径分布谱。

19、可选地，所述步骤s3包括：

20、s31、设定目标太赫兹频段下干沙粒子的复介电常数，将其作为dda算法计算的介质输入参数；

21、s32、根据实际干沙粒子的形态统计特征，为步骤s1中每一个横纵比的干沙粒子分配对应的形状权重系数，且满足；

22、s33、针对每一种固定的横纵比，结合步骤s2中的粒径分布模型改变粒子等效半径，并在目标太赫兹频段的电磁波照射下，利用dda算法计算每一个形状-半径组合对应的单粒子的后向散射截面；

23、s34、将步骤s33计算得到的单粒子散射截面，结合步骤s2中的粒径分布与步骤s32中的形状权重系数进行双重加权处理，输出加权后的粒子群的后向散射截面总和：

24、；

25、s35、根据粒子群的后向散射截面总和、雷达波长和粒子介电常数因子，计算等效雷达反射率因子：；其中。

26、可选地，所述目标太赫兹频段为220ghz。

27、可选地，所述步骤s4包括：

28、s41、利用步骤s3中计算得到的等效雷达反射率因子，将其作为雷达目标的散射特性输入到雷达气象方程中，结合预设的太赫兹雷达系统参数及预设的探测距离，计算出理论接收功率；

29、s42、根据计算出的理论接收功率，构建复基带回波信号；提取复基带回波信号的实部和虚部，得到

i路和

q路信号分量；

30、s43、计算太赫兹雷达系统的热噪声功率，根据热噪声功率确定噪声方差，分别生成两路相互独立且服从高斯分布的随机噪声序列和；

31、s44、将随机噪声序列和分别叠加至对应的i路和q路信号分量上，得到叠加噪声后的两路信号分量和，再重新组合为复基带形式，得到最终的雷达回波仿真信号。

32、可选地，所述理论接收功率的计算公式为：

33、

34、式中，为雷达发射功率，单位为w；为天线增益，单位为db；分别为天线水平波束宽度和垂直波束宽度，单位为rad；为光速；为脉冲宽度，单位为s；为探测距离，单位为m。

35、可选地，所述步骤s42包括：

36、生成一个在范围内均匀分布的随机相位，同时引入雷达径向速度引起的多普勒相位偏移：

37、

38、式中，是沙尘粒子相对于雷达的径向速度，单位为m/s；

39、所述复基带回波信号表示为：

40、；

41、提取所述复基带回波信号的实部和虚部，得到

i路和

q路信号分量：

42、；

43、在所述步骤s44中，所述雷达回波仿真信号的计算公式为：

44、。

45、可选地，在所述步骤s43中，根据太赫兹雷达系统的系统带宽和噪声系数计算热噪声功率：

46、

47、式中，k为玻尔兹曼常数，为标准室温。

48、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

49、1、本发明通过扁椭球体干沙粒子模型并结合形状权重系数，较为真实地还原了干沙粒子的非球形形态特征及形态多样性。结合离散偶极子近似（dda）算法，有效解决了220ghz频段下干沙粒子因形状效应导致的散射截面计算偏差问题，显著提高了微米级干沙粒子散射特性计算的物理准确度。

50、2、本发明构建了一条完整的仿真链路，即“微物理参数（粒径谱、形状分布）→散射参数（后向散射截面）→雷达气象方程→系统仿真→回波信号（i/q数据）”。这种全链路设计不仅能够反映干沙粒子的微物理特征，还能模拟真实雷达系统的接收效果，输出逼真的雷达回波数据，为220ghz太赫兹雷达的系统设计与性能评估提供了可靠的理论支撑和数据基础。