基于快速不变嵌入T矩阵算法的机载双极化天气雷达降水回波模拟

《IEEE Transactions on Radar Systems》：Simulation of Precipitation Echoes From Airborne Dual-Polarization Weather Radar Based on a Fast Algorithm for Invariant Imbedding T-Matrix

基于不变嵌入T矩阵法的双极化天气雷达回波高效仿真方法研究。针对传统方法计算非球形降水粒子时存在的内存占用大、迭代耗时严重问题，提出将目标划分为均匀内域与异质外域，分别采用对数导数Mie散射和迭代、旋转对称快速算法优化计算过程。集成雷达方程与脉冲协方差矩阵实现回波仿真，实验表明该方法可使计算效率提升超过十倍。

　　

摘要：

对非球形降水目标进行建模并计算其散射特性是模拟双极化天气雷达回波和进行遥感的关键。由于其计算非球形降水目标的准确性和实用性，不变嵌入T矩阵（IITM）方法是最有前景的方法。然而，精确的回波模拟需要重复计算不同直径降水目标的散射振幅矩阵，这涉及迭代计算，从而在使用IITM时会导致显著的内存消耗和较长的计算时间。因此，提高IITM在双极化天气雷达中模拟非球形降水目标的计算效率迫在眉睫。本文改进了传统的使用椭球体对降水目标进行建模的方法，通过精确考虑粒子形状，采用多种非球形粒子，并将这些目标划分为内接的均匀域和扩展的异质域。对于均匀域，使用对数导数Mie散射方法来提高计算效率；而对于异质域，则采用传统的迭代方法、旋转对称快速算法和N重对称快速算法。计算出的散射振幅矩阵与天气雷达方程和脉冲协方差矩阵结合，以完成回波模拟。通过对单个粒子和整体计算结果的分析，实验表明，快速算法可以将模拟机载双极化天气雷达中各种非球形降水目标的计算效率提高十倍以上。

引言

全球气温的持续上升导致极端天气事件（包括暴雨、冰雹和风暴）变得更加频繁和强烈，这对民用航空飞机的飞行安全构成了严重威胁[1]。机载天气雷达被广泛用于确保飞行安全，因为它们可以提供飞机周围的实时天气数据，帮助飞行员预测风险并相应地调整飞行计划[2]。作为实时监测飞行路径上气象环境的关键航空电子设备，提高其探测精度对于飞行安全至关重要。目前，大多数机载天气雷达是单极化系统，在极端天气事件期间难以快速准确地提供降水目标检测信息。然而，双极化天气雷达可以提供关于降水目标的极化信息，从而增强对降水目标的检测和识别能力[3]、[4]、[5]。因此，持续研究双极化天气雷达技术对于确保民用航空安全至关重要。然而，使用机载双极化天气雷达获取测量数据既昂贵又具有挑战性。模拟具有极化信息的高保真雷达回波数据对于提高降水目标检测和气象预警分析算法的性能至关重要。