1.11.1. ảnh hưởng của phổ phân bố hạt theo kích thước và trạng thái hạt
Công suất sóng thu Pr tỉ lệ thuận với cường độ phản hồi vô tuyến Z. Từ công thức định nghĩa của độ phản hồi vô tuyến
N i i i D K Z 1 6 2 , ta thấy ba đặc trưng quan trọng của mưa liên quan trực tiếp đến độ phản hồi vô tuyến là:
- Số lượng hạt trong mỗi đơn vị thể tích N, - Kích thước các hạt Di,
- Trạng thái pha của các hạt (thể hiện qua Ki 2).
Giá trị Ki 2 liên quan với đặc tính vật lí của bản chất mục tiêu (trạng thái pha), đặc biệt với tính chất dẫn điện. Đối với hạt nước Ki 2 0,93. Đối với tinh thể băng Ki 2 0,197 tức là khoảng 5 lần nhỏ hơn so với Ki 2của hạt mưa cùng kích thước. Điều này dẫn đến việc đánh giá rất thấp tiềm lượng nước của tuyết và tinh thể băng và không phát hiện được mưa đá, mưa tuyết ở những khoảng cách xa do tín hiệu phản hồi quá yếu.
Độ phản hồi của các mục tiêu giáng thủy tỉ lệ thuận với đường kính mũ 6 của hạt mưa (tỉ lệ với D6) trong 1 thể tích mẫu. Do vậy, năng lượng phản hồi trở về radar tăng mạnh có thể là kết quả của sự tăng lên rất ít của đường kính hạt mưa D. Nói cách khác, độ phản hồi phụ thuộc nhiều vào phổ phân bố số hạt theo kích thước.
Chúng ta xét một ví dụ để chứng minh điều này. Giả sử trong 1m3 ở đó có 730 hạt mưa, trong đó 729 hạt có đường kính là 1 mm và chỉ 1 hạt có đường kính là 3 mm. Sử dụng phương trình trên để tính giá trị phản hồi như sau:
3 6 3 6 3 6 6 730 1 6 2 1458 93 0 729 729 93 0 1 3 1 1 729 93 0 m mm . , m mm ) .( , m mm . mm . , D K Z i i i (1.43)
Chú ý: Cường độ phản hồi của 729 hạt mưa có đường kính là 1 mm bằng cường độ phản hồi của 1 hạt mưa có đường kính 3 mm mặc dù hạt mưa có đường kính 3
mm chỉ có thể tích gấp 27 lần hạt mưa có đường kính 1 mm. Nói một cách khác là hạt mưa có đường kính 3 mm cho năng lượng phản hồi lớn hơn gấp 729 lần so với hạt mưa có đường kính là 1 mm. Như vậy, nếu các hạt mây gộp lại với nhau thì mặc dù hàm lượng nước không đổi và số lượng hạt ít đi nhưng độ phản hồi vẫn tăng lên, thậm chí tăng rất nhiều. Mối quan hệ giữa độ phản hồi Z và kích thước hạt là điều hết sức quan trọng, điều này được đề cập rõ hơn khi ta thảo luận về nguyên lí của việc ước lượng cường độ mưa bằng radar trong phần sau.
Khi chúng ta không biết sự phân bố hạt thực tế theo kích thước hay cấu tạo vật lí của tất cả các mục tiêu trong một thể tích mẫu, phản hồi vô tuyến của radar được gọi là phản hồi tương đương Ze. Thông thường ta sử dụng giả thiết tán xạ Rayleigh trên các hạt nước lỏng, tức là tất cả năng lượng phản hồi đều bắt nguồn từ các hạt lỏng mà đường kính của chúng đáp ứng tán xạ Rayleigh. Hiển nhiên giả thiết này là không chính xác trong những trường hợp khi tồn tại tinh thể băng hoặc băng đang tan trong thể tích xung. Do đó thuật ngữ phản hồi tương đương nhiều khi được sử dụng thay cho phản hồi thực tế. Tuy nhiên, khi sử dụng giả thiết nêu trên người ta thường vẫn chỉ sử dụng thuật ngữ độ phản hồi Z.
1.11.2. ảnh hưởng của độ dài bước sóng
Vận tốc sóng vô tuyến trong môi trường c = f là một hằng số vì vậy nếu tần số f tăng (hoặc giảm) thì độ dài bước sóng phải giảm (hoặc tăng) một số lần tương đương.
Từ phương trình radar Probert-Jones (1.33) chúng ta có thể nhận thấy giá trị năng lượng phản hồi thu được tỉ lệ nghịch với bình phương độ dài bước sóng. Điều này có nghĩa là với một radar băng sóng C (độ dài bước sóng bằng 5 cm) sẽ nhận một lượng năng lượng phản hồi trở lại từ một mục tiêu, lớn hơn gấp 4 lần so với radar băng sóng S (độ dài bước sóng 10 cm) với tất cả các đặc tính kỹ thuật khác là như nhau, do mục tiêu tán xạ sóng ngắn ngược trở lại mạnh hơn sóng dài (theo lí thuyết tán xạ Rayleigh, hệ số tán xạ tỉ lệ nghịch với 4, tức là độ dài bước sóng phát càng nhỏ thì sự tán xạ càng mạnh). Tuy nhiên, sự suy yếu dọc đường đối với sóng ngắn cũng mạnh hơn so với sóng dài. Chính xác hơn, tỉ lệ kích thước hạt trên độ dài bước sóng (D/) ảnh hưởng tới độ suy yếu dọc đường. Tỉ lệ này càng lớn thì sự suy yếu càng lớn (tức M càng lớn hoặc L càng nhỏ). Khi đó bước sóng càng lớn thì độ suy yếu (tiêu hao) càng ít phụ thuộc vào kích thước hạt mưa. Như vậy đối với bước sóng ngắn ( = 5 cm) thì độ suy yếu sóng điện từ rất lớn trong mưa làm cho nó không thật phù hợp với nhiệm vụ giám sát hệ thống trên một phạm vi rộng.
Nhắc lại về sự tán xạ Rayleigh, độ dài bước sóng phát càng nhỏ thì sự tán xạ Rayleigh càng mạnh và xảy ra đối với hầu hết các kích thước hạt quan sát được trong khí quyển (ngoại trừ mưa đá với D > 1 cm). Mặc dù các radar sử dụng sóng ngắn phát hiện các mục tiêu nhỏ tốt hơn, nhưng do suy yếu dọc đường lớn hơn, năng lượng phản hồi trở về sẽ nhỏ, trong nhiều trường hợp radar không thu được
tín hiệu phản hồi bởi vì năng lượng sóng điện từ phản hồi có thể bị suy yếu hết khi truyền qua trường mưa mạnh và mục tiêu sẽ không được phát hiện.
1.11.3. ảnh hưởng của khoảng cách đến mục tiêu
Như với độ dài bước sóng, năng lượng trung bình phản hồi từ mục tiêu tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nó tới radar. Khuếch đại năng lượng thu được lên một số lần tỉ lệ thuận với r2 là cách để bù lại sự hao hụt năng lượng do khoảng cách gây ra đối với các khoảng cách khác nhau. Nếu như không có bù khoảng cách thì khi đó những ổ dônggần radar sẽ có giá trị phản hồi lớn hơn ở các vùng xa nhờ vào mật độ năng lượng lớn hơn ở vùng gần. Nếu 2 ổ dôngcó cùng giá trị độ phản hồi thì dông gần radar nhất sẽ luôn luôn phản hồi trở lại một năng lượng lớn hơn dôngở xa.
Ví dụ: Một mục tiêu có r = 10 km thì r2 = 100 km2; với r = 40 km thì r2 = 1600 km2. Mục tiêu ở khoảng cách r =10 km phản hồi lại một năng lượng mạnh gấp 16 lần mục tiêu ở khoảng cách r = 40 km.
1.11.4. ảnh hưởng của các yếu tố qua độ suy yếu trong khí quyển
Trong phương trình radar Probert-Jones dạng rút gọn (1.35) a r a r r L r Z C M r Z C P 2 2
ta nhận thấy Pr tỉ lệ thuận với độ truyền qua La hoặc tỉ lệ nghịch với độ suy yếu Ma trong khí quyển của tia sóng. Đến lượt nó, độ truyền qua La hoặc độ suy yếu Ma lại phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Mức độ suy yếu bởi khí quyển phụ thuộc nhiều vào trạng thái của khí quyển mà sóng truyền qua (có mây, mưa, bụi, côn trùng… dọc đường truyền hay không).
- Mức độ suy yếu bởi khí quyển nghịch biến với góc cao của anten vì khi góc cao tăng lên, tín hiệu ít đi qua các vùng khí quyển dọc theo tia quét hơn.
- Mức độ suy yếu cũng phụ thuộc vào độ cao của đối tượng h, cụ thể là sóng phản hồi từ những mục tiêu ở dưới thấp phải đi qua những vùng khí quyển dày đặc nên Ma lớn hơn so với trường hợp mục tiêu ở cao.
- Mức độ suy yếu tăng theo khoảng cách r, tức là càng đi xa, sóng càng bị suy yếu nhiều.
Tuy nhiên, ba yếu tố sau cùng này có quan hệ với nhau theo một hệ thức gần đúng: h = r.sin , cho nên chỉ hai trong số chúng là độc lập, riêng trường hợp khi = 0 thì chỉ có r là yếu tố độc lập. Có thể coi gần đúng rằng Ma tỉ lệ thuận với r.
1.11.5. ảnh hưởng của mức độ lấp đầy búp sóng
Trước đây, khi dẫn đến các phương trình radar, ta đã mặc nhiên giả định rằng thể tích xung cho tín hiệu phản hồi được lấp đầy bởi các hạt mây. Tuy nhiên, trong
thực tế, nhiều khi thể tích xung chỉ được lấp một phần. Hơn nữa, nếu hai xung đều được lấp đầy bởi các hạt của cùng một đối tượng nhưng phân bố theo kích thước của các hạt trong hai trường hợp không giống nhau thì độ phản hồi Z hoặc công suất sóng thu Pr cũng khác nhau. Ví dụ dưới đây minh hoạ rõ hơn điều này.
ở hình 1.15, hai radar hoạt động đồng thời và cho kết quả phản hồi của 1 tâm nhiễu động ở những khoảng cách khác nhau so với vị trí radar. Phân bố thực tế theo kích thước hạt cho phép tính được độ PHVT từ phương trình (1.35) và (1.36). Giả sử giá trị phản hồi thực tế ở vùng tâm là 60 dBz. Nó nằm trong vùng giao nhau giữa 2 búp sóng. Tâm của vùng có độ phản hồi lớn 60dBz chỉ lấp đầy “tia B”. Do ở khoảng cách xa hơn, búp sóng A được lấp một phần bởi lõi với 60 dBz ngoài ra là các vùng phản hồi yếu hơn xung quanh nó. Kết quả là giá trị cường độ phản hồi vô tuyến trung bình của tâm nhiễu động theo radar A sẽ yếu hơn 60 dBz. Đó là nguyên nhân dẫn đến 2 radar nhận được 2 giá trị độ phản hồi khác nhau với cùng một mục tiêu ở cùng độ cao.
Hình 1.15. Để giải thích ảnh hưởng của mức độ lấp đầy búp sóng đến độ PHVT