云对通信信号传播损耗的研究

1、云对通信信号传播损耗的研究摘要分析了云的基本特性，讨论了云与通信信号的相互作用机理，基于mie散射理论，数值计算了云中球形 粒子对电磁信号散射的散射特征量；结合云粒子谱分布函数，利用低空中的晴空大气对电磁波信号传播损耗经验公 式，数值计算了几种常见云对电磁信号的衰减。同时基于rayleigh散射理论，结合云对电磁波衰减系数的经验计算公 式，给出了云对电磁信号衰减的数值结果，并将所得结果与mie散射计算的结果相比较，分析了两者的差异，所得结 果可为正确理解电磁信号在云中的传输特性提供参考和技术支持。关键词通信信号；传播损耗；散射理论；衰减research on the propagation a

2、ttenuation of signal ofcommunication caused by cloudslei qun-xia(grade0&classi,major electronic information science and technology, school of physics andtelecommunication engineering, shaanxi university of technology, hanzhong723000, shaanxi)tutor: huang chao-junabstract: analyzing the basic cha

3、racteristics of clouds, and the interaction mechanics between clouds and signal of communication is discussed, based on mie scattering theory, the scattering characteristical quantity of spherical particles in clouds action with electromagnetic signal are numerical calculated. combining with the spe

4、ctral distribution function of particles in clouds and using the experiment formula of propagation attenuation of electromagnetic signal in low atmospheric with clear sky, the author numerical calculating the attenuation of electromagnetic signal caused by several common clouds. meanwhile, based on

5、rayleigh scattering theory and combining with the experiment formula of attenuation coefficient of electromagnetic wave caused by clouds, the numerical results of attenuation of electromagnetic signal caused by clouds are given. the results which calculated by mie theory and rayleigh individually ar

6、e compared and their difference is analyzed, this can provide conference and technology support for correct understand the propagation characteristics of electromagnetic signal through clouds.key words:communication signals, propagation attenuation, scattering theory, attenuation引言1云的形成、种类及基本特性11.1云

7、的形成11.2云的种类21.2云的特性32通信信号与大气粒子的相互作用52.1大气分子对通信信号影响52.2大气气溶胶粒了对通信信号的影响52.2.1气溶胶对通信信号的散射作用52.2.2气溶胶对通信信号的吸收作用62.3大气湍流对通信信号的影响62.3.1大气湍流的形成62.3.2大气湍流对通信信号的影响62.4大气对水平方向通信信号的吸收72.5大气对斜路通信信号的吸收102.6地空路径干湿空气的吸收113云对通信信号衰减的计算133.1相关参数的概念133.2mie散射理论下的云的衰减163.2.1.mie散射理论的特点173.2.2云对电磁信号的衰减计算193.3 rayleigh散射

8、的概念及特点213.3.1rayleigh 近似理论213.3.2云对电磁信号的rayleigh近似223.4两种理论下结果的比较244结语25致谢25参考文献26附录-外文翻译27引言随着社会的进步和科学技术的e速发展，人类已经进入信息社会，各种倍息的传递已成 为主流话题，移动通信作为现代人们之间交流和联系的一种主要手段，已经和人们的纶活息 息相关，如何提高移动通信中的传输质量就成为当询移动通信中急需解决的问题。移动通信 信号传输质量的提高不仅取决于信号发射和接收装置的性能，而且还取决于信号的传输环 境。作为成分复朵，变化多样的大气，是移动通信信号传播的主要通道，云成分的复朵性和 多变性是对

9、通信信号传输质虽面临的严重问题，一方面云会吸收通信信号的能量，降低信号 的传输质量。另-方而，云的分子和粒子会散射通信信号，改变通信信号的传输方向，影响 信号的传输质量。研究云对通信信号的影响对提高通信信号的传输质量具有重要的意义。无线移的实质是携带有用八所需信息的电磁波经过发射、传输最后被用八接收，电磁波 在传输过程中不可避免的会与各种介质相互作用，一旦携带有用户所需信息的电磁波与介质 相互作用，势必会引起通信信号的各种衰减，从而影响通信质量，因此研究通信信号的衰减 特性对提高通信质量具有重要的应用价值。大气空间作为无线通信的主要传输环境，其对通 信信号的影响已成为当询研究的热点和难点问题，

10、主要原因在于大气环境是瞬变且具有非常 不稳定的因素，大气环境中的大气分子、气溶胶粒子以及云等各种介质都会影响通信信号的 传输质量，一旦通信信号和这些介质相互作用,必将导致通信信号的衰减。云对电波传播的影响研究开始与20世纪60年代美国国防部,他们不仅进行了理论上的研 究，而f也做了大量的实验工作，得到了大量实验数据，后来chairls等人使用这些数据证实 了一种理论传播模型，该模型证明当电波频率低于200mhz时，长距离通过电波传播主要是 通过表而波进行，后来山于宽带数字通信的迅速发展，移动通信的频率主要在ufh频段，这 己经不同于以询的通信模型。为适应新的通信领域的需求，人量学者使用实际测量

11、的方法建 立电波经过云层吋的传播模型，其中比较成熟和适用范围较广的是okumura-hata模型，见参 考文献小该模型是在东京城区和郊区通过大量树林进行实际测量，对所得的数据进行统 计分析所得。该模型适用范围较人，-度成为人们普遍采用的标准，但随着人们对电波传播 深度的研究，许多学者试图从理论上得出解析解，80年代后期，s.seker等人己通过介电常数 对云层中的数字脉冲信号的电波传播进行了深入的研究，并得到了云中电磁信号传播近似的 解析解卩叫。木文主要研究云对通信信号的影响，云衰减是电波在云中传播的时候由于云的吸收和散 射而造成的彫响。当电波的的波长远人于云的直径的吋候，衰减主要山云的吸收引

12、起。当电 波的波长变小或云的直径变大时,散射衰减的作用就增大。为了有效地传播通信信号,就必 须研究云对通信信号在各个不同状况下的彫响。本文主要由四大部分组成，第一部分主要阐述云的形成、分类及其基本特性；第二部分 分析了通信信号与大气粒子的相互作用机理；第三部分给岀通信信号在云中衰减的数值结果 并得出相关结论；最后得出结论在较低频率范围内，rayleigh散射和mie散射衰减差值不是 很大，但是在大于20ghz吋，利用mie散射理论和rayleigh散射理论计算的衰减差值较大。1云的形成、种类及基本特性11云的形成云的形成过程是地球上水文循环的一个环节。由于海洋、湖泊、河川、土壤及动植物均 无时

13、无刻将水份蒸发至空气屮，水汽凝结示，即成为微细的小水滴或冰晶，再凝聚浮悬于空 屮而成为肉眼可见的云。云随着气流的推移，时聚时散，云最过多水滴变人即以降雨、冰雹 或下雪的方式i川归至地表。如此周而复始的循环，衍生出各种天气变化，同时变化多端的云 也将天空衬托得变化莫测、多彩多姿。水汽凝结成小水滴是附着在凝结核之上，最能发挥凝 结核作用的是盐和燃烧物的微粒。而凝结核的含最以海洋上最多，通常都市也多于乡村。如 果温度降得很低，在4）度c以下，水汽就直接升华为冰晶，冰晶所依附的中心核为升华核， 缺乏升华核则成为过冷水滴。因此，云的组成有三类：第一种为完全由液态水滴构成，包括 气温低于冰点的过冷水滴在内

14、的水滴云；第二种为完全由冰晶构成的冰晶云；第三种为兼冇 水滴及冰晶同时存在的混合云，混合云是造成降雨的重要原因z。水汽虽为产生云的原因 z，但空气不能迅速增加极多的水汽以使其饱和，因此产生云的先决条件就在于冷却作用。 而冷却作用有接触冷却、混合冷却和绝对冷却三种。云的牛成以借由绝对冷却为主，例如暖 湿气流超越山岭而被迫举升。在上升过程中因膨胀而冷却，使水汽凝结而形成云。12云的种类大气层中含冇悬浮的各种各样的水汽和水颗粒分了以及由水和冰组成的云雾，云的形状 和分布是极为复杂多变的，由于各种云的云体情况不同，如云水含量、云滴谱的冇效半径等 云层物理特性存在较大差界，因此不同云对电磁信号的吸收及后

15、向散射差别较大。在电磁波 信号的传输过程屮，想要清晰的了解云对无线通信传输的影响必须要清楚云的各种特性。云是由半径为几微米到几微米的水滴和尘埃晶体组成的，其对电磁波的吸收和后向散 射尤为严重。云覆盖了整个地球的50%以匕按云的底部高度不同町把云分为低、中、高三 种。低云包括积云（cu）、积雨云（cb）、层云（st）、层积云（sc）、雨层云（ns）、 碎雨云（fn）等六类，云底高度一般在2000米以下；中云包括高层云（as）和高积云（ac）两类， 云底高度通常在20006000米z间；高云包括卷云（ci）、卷层云（cs）、卷积云（cc）三类，云底 高度通常在6000米以上。需要指出的是，冇些云属

16、经常会伸展至其它层，如属于中云族的高 层云可能伸展至高云族所在的层次，积云和积雨云能伸展至中云族和高云族所在的层次，详 情见表1.1；此外，在物理学上还可以根据云的微结构分类（水云、冰云和冰水混合云）；根据 云体温度分类（暖云和冷云）;根据云的动力学特征分类（层状云、对流云和波状云）等；除了这 些分类之外，国际上对云还有-种通用的分类，详见表12表1.1云的高度分类族极地（km）温带（km）热带（km）34513618中云242728低云地而一2地而一 2地而一2表1.2云的国际分类鬲云（6千米） 中云（26千米）低云（v2千米）直展云积状云积云状卷积云 积云状高积云accuf积云cu（碎积浓

17、积云cucongcccuf云）积雨云cb波状云卷积云cc高积云ac层积云sc卷云ci层状云卷层云cs高层云as丿zf厶st雨层云ns12云的特性云的宏观特征是把云作为一个整体來看的许多特征,如云的外貌、生命史，云内的温度、 湿度、含水量和气流分布等。而云中水滴的大小、分布等特征则属于云的微观特征。在云雾 研究中一般将云按形状和形成系统來分，不同种类云的宏观微观的物理特性是不同的，其具 体分类及主要特征见如下表。表1.3为云的宏观分类及其主要特征。表1.4为各个代表国的微 观的云型及其主要参数。表1.5为微观云型及具参数。表1.3云的広观物理特性云层中文学名(国际简写)俗称主要云状中文学名(国际

18、简写)主要特征高云(云底高度6000米以上)卷云(ci)条云纤维狀卷云(cifib)云丝分散，纤维结构明显，状如乱丝、羽毛、 马尾等。密卷 tx(cispi)云丝密集，聚合成片。卷云(ciunc)云丝平行排列，类似逗点。伪卷云(cinot)已脱离母体的积雨云顶部冰品部分，云体大 而浓密，经常呈铁砧状.卷层云(cs)薄云雾状卷层云(csneb)云幕薄而均匀，看不出明显的结构。纤维状卷层云(csfib)云幕的厚度不均匀，丝状纤维组织明显。卷积云(cc)鳞云鲂云中云高层云(as)朦胧云透光高层云(astr)云体较薄，厚度均匀，呈灰白色,li月被掩，轮 廓模糊，似隔一层毛玻璃。蔽光高层云(asop)云

19、体较厚,呈灰色，底部可见明相间的条纹结 构,口刀被掩，不见共轮廓°透光高积云(actr)云块较薄，个体分离，排列整齐,缝隙处可见青 天;或虽然无缝隙，仍能辨察它的位置。蔽光高积云(acop)云块较厚，排列密集，云块间无缝隙丄1月位置 不辨.(云底高度 在2500-6000 米)高积云(ac)丛云，绵羊云荚状高积云(aden)云块呈白色，中间厚,边缘薄，轮廓分明，孤立 分散，形如豆荚或呈柠檬状.积云性高积云(accu)云块大小不一，呈灰口色，外形略有积云特性，由衰退的浓积云或积雨云扩展而成。堡状高积云(accas)云块底部平坦，顶部突起成若干小云塔，类似 远望之城堡.絮状高积云(acf

20、lo)云块边缘破碎，很像扯碎的棉花1才1。低云z a -o' lit' (n底冋度不足2500米)层积云(sc)积层云透光层积云(sctr)云块较薄，呈灰片色，排列整齐,缝隙处可见青 天;或虽无缝隙，但云之边缘较明亮。蔽光层积云(scop)云块较厚，呈暗灰色,云块间无缝隙，成密集成 层，布满全天，底部有明显波状起伏。积云性层积云(sccu)云块人小不一，呈灰白色或暗灰色，顶部有积 云特征，山衰退的积云或积雨云展平而成。傍晚层积云(scve)云体扁平，常山傍晚地血四散的受热空气上 升而直接形成.堡状层积云(sccas)云块顶部突起，云底连在一条水平线上，类似 远处城堡.层云(st

21、)雾云碎层云(fs)山层云分裂或浓雾抬升而形成，为支离破碎z层云小片.雨层云(ns)雨云、雪 碎雨云(fn)云体低而破碎，形状多变，呈灰色或暗灰色，常 出现在雨层云，积雨云及蔽光髙层雨下，是降 水物蒸发,空气湿度增人凝结而形成.直展云积云(cu)棉花云淡积云(cuhum)个体不大，轮廓清晰，底部平坦，顶部呈圆弧 形，凸起，状如馒头，其厚度小于水平宽度.碎积云(fc)个体小，伦廓不完整，形状多变，多为片色碎 块,是破碎或初主积云.浓积云(cucon)个体高人，轮廓清晰，底部平面暗，顶部圆弧状重叠，似椰菜花,厚度超过水平宽度.积雨云(cb)雷雨云秃积雨云(cbcal)云顶开始冻结，圆弧形重叠，轮廓

22、模糊，但尚未 向外扩展。发状积雨云（cheap）云顶有白色丝状纤维结构，并扩展成马鬃状 或铁砧状.云底阴暗混乱.表1.4公的微观物理特性云型gin厂50尬厂rmax )n（个厘米3）入（克/米'）陆上小块积云（澳大利亚）2.56104200.40陆上小块积云（英国）463021045小块信风积云（夏威夷）2.510111525750.50浓积云36105()1001.()积雨云26201001002.0地形云（夏威夷）5133545().30层云（夏威夷）2.51345240.35层积云（德国）14412350山于云内辐射传输过程对云的微物理结构很敏感，要研究辐射传输过程和云物理过程的

23、 相互作用，必须要有辺含全血详细的描述云微物理过程的云模式和完整描述各种过程的辐射 传输参数化模式，包含详细微物理过程的积云模式可提供足够详细的云中水凝物粒子的尺度 特征，川以描述其辐射过程的同时，由于积云过程中包插暖雨或冷雨的微物理过程，冇利于 进一步研究辐射传输过程对云微物理过程的作用。2通信信号与大气粒子的相互作用2.1大气分子对通信信号影响当通信信号在空间传播时，就必将与人气屮的气体分子相互作用，就目前移动通信屮的 信号频率而言具携带信息的电磁波的波长远人于大气屮气体分子的尺寸。通信信号与气体分 子的作用可近似为电磁波和球形粒子的相互作用，大气分子对通信信号的影响可用大气分子 对携带信

24、息的电磁波的吸收、散射和消光效率因子来衡量冈。2.2大气气溶胶粒子对通信信号的影响大气气溶胶与电磁信号的相互作用主耍体现在以下两个方面：一是气溶胶粒子可以以同 样波长再辐射已经接收的能量，这个过程称为散射；二是气溶胶粒子也可以把接收的能量转 变为其他形式的能如热能，化学反应能和不同波长的辐射，这个过程称为吸收；散射和吸收 共同构成了气溶胶粒子对电磁信号的衰减作用。221气溶胶对通信信号的散射作用气溶胶的散射作用取决于气溶胶粒子的形状、人小、浓度和谱分布以及复折射指数等气 溶胶粒子的物理参量若定义无量纲尺度定义u为气溶胶粒子的半径，2为入射波长，则当 xvvl时，其电磁特性可用raleigh散射

25、來处理，常见的是空气分子对炖钵辐射的散射， o.lvxv5o时，通常川mie理论研究其特性，当x>50时，气溶胶粒子的电磁特性主要表现为折 射，反射。虽然大气中气溶胶粒子的尺寸在10-5 -102um范围之间，但是对于raleigh区域的超细 粒子，具在人气屮的寿命很短，很容易因为粒子的布朗运动相互碰撞而形成人粒子，同时, 对于尺寸x>50的粒了，其在中立的作用下很快就沉到地面。因此，大气气溶胶粒了的散射 主要集中在0.1<x<50的范围z内，在计算结果要求不是很高的情况下可以将此尺寸范围的气 溶胶粒了等效为球形粒了，川mie散射理论來解释，可以根据mie散射基本理论來

26、计算气溶 胶粒了的散射强度，散射效率银了以及不对称因了等电磁散射特征量。当计算要求精度比较 高时，就不能将气溶胶粒了等效为球形粒了，否则就不能真正体现气溶胶粒了的本质属性, 此时就必须考虑气溶胶粒子的形状对具散射特性的影响，这种情况卜就不能运jumie理论來 解释气溶胶粒了的散射作川，而只能川一些数值方法來研究气溶胶粒了的散射特性，比较成 熟的由t矩阵、dda等数值方法。222气溶胶对通信信号的吸收作用大气气溶胶由多种物质组成，不同成分对通信信号的衰减不同，主要反映在气溶胶粒了 的折射率上，折射率n定义为电磁波在真空中的传播速度与电磁波在气溶胶中的传播速度z 比，随波长稍有变化。除烟雾型气溶胶

27、之外，一般的气溶胶粒了，气徐不得折射率都很小，其对通信信号的作 川主要体现在对电磁波的散射。而对于烟雾型气溶胶，其主要成分是碳，这就导致英折射率 的虚部比较大，而r随波长的变化比较明显，烟雾型气溶胶的主要特点是对所冇波长范围z 内电磁波都有强烈的吸收，正是由于黑炭气溶胶的强吸收特性，从而导致通信信号传输质量 的降低。2.3大气湍流对通信信号的影响231大气湍流的形成人气运动的形式有层流和湍流，层流是流体质点作有规则的稳定的流动，各运动气层间 不会发生混合，湍流则是一些大小不一的涡旋的无规则运动，使大气中局部参数产生随空间 位置和吋间的随机变化，当在气体或液体的某一容积内，惯性力与此容积上边界处

28、所受的粘 滞力z比超过某一临界值时，液体或气体的冇规则的层流运动就会失去其稳定性而过渡到不 规则的湍流运动。由于热和风的原因，人气总是不停的流动，从而形成温度、压强、密度、人小等不同的 气流漩涡，这些漩涡也总是处在不停地运动变化z中，它们的运动相互关联、叠加，形成随 机的湍流运动，这就是大气湍流。232大气湍流对通信信号的影响当通信信号在折射率起伏场中传输吋，大气的折射率随空间和吋间做无规则变化，将使 通信信号在传播的过程屮随机的改变其电磁波参量，是信号质量受到严重影响，出现所谓信 号截面，强度起伏、闪烁、弯1111和漂移相位起伏等现象统称为大气湍流现象，它会使通信信 号受到随机的寄生调制而呈

29、现出额外的大气湍流噪声，使接收信噪比减少，使模拟调制的人 气无限通信信噪比增大，是数字通信的误码率增加。当通信信号在湍流人气屮传输时由于折射率的起伏使其散射强度会发牛变化，如岀现所 谓的闪烁现象，人气闪烁效应实际上就是一般情况下，当波束直径比湍流尺寸大很多时，波 束截而内包插很多湍流漩涡，每个漩涡对照其上的那部分波数，使波数的强度和相位在空间 上和吋间上出现随机分布，相干性退化，波数面积扩大，引起接收端强度起伏和衰减，大气 湍流是信号变得不易把握，对通信系统的稳定通信造成很高的误码率，使得通信信号的传输 质量降低。物质分子结构中的带电粒子在一定的组合状态下都有一个或几个固有的电磁谐振频率。 特

30、别是那些当电磁场不存在时其分子己经组成了固定磁偶极子或固定电偶极子的物质，它们 都有确定的转动或振动频率。当电磁场的频率与它们的固有频率相同时，发主谐振，就会对 电磁场能量有强烈的吸收作用。号有吸收作用。氧分子本身无固有电偶极子但有微小的固有 磁偶极子。它的吸收(谐振)频带在60ghz (i = 0.5ctn )和118ghz (i » 0.25cm ),各 有一个吸收峰值。水汽分子有固定的磁偶极子，其比氧更易为电磁场所激励，即使在较低的频率下，吸收作川也较显著。与它的吸收峰值相对应的频率为22ghz, 183ghz,323ghz,其 它吸收峰值处在更高的频率上。大气吸收小的频率通称

31、窗口频率，例如：80ghz, 126ghz等。水气的吸收作用与浓度冇关，湿度大的时候吸收大。在热带地区水汽浓度还会更高，吸 收更强。2.4大气对水平方向通信信号的吸收地空路径的衰减主要由海平面到海拔5千米的干燥的空气以及水汽引起的。这个衰减 可由下面简化的算法计算得到，这个算法是基于曲线拟合的计算方法。而h通过以下这个式 了我们所计算的值比真实值的衰减一般小于（udb/krn,在衰减相差授大，即频率接近 60ghz时也仅仅是相差0.1clb/km.但对于海拔高于5km的高度，这个方法就不太适用。对于干燥的空气，衰减由&表示，单位为b/如？，当f < 54ghz时7.34 厂冷 0

32、.3429 ”。(54 ” 2：； 10-3 厂+0.36 汐(54_ +b当 54ghz <f< 66ghz 时儿=exp(r 54 一“ n 6,54 )x/ _ 57 x/ _ 6() x/ _ 63 x/ _ 66 )/1944 -57 川 in (人(57 )x/ _ 54 x/ - 60 x/ - 63- 66 )/486+ 60 " in (儿(60 )xf - 54x/- 57- 63 x/- 66 )/324-63 r in (儿(63 )x f -54x/- 57 x/ - 60 x/ 一 66 )/486+ 66-n in (人(66 )x/ - 5

33、4f - 57- 60 x/- 63 )/1944 fn当 66ghz <f< 120ghz 吋0.2296jr(66)0.286/严y =1°(/ -66)c + d (/-118.75)2+2.97/严(2.1)(2.3)当 2qghz<f <350ghz 时3.02xl0f严1.5827rr/ 十(/-66)20.286厂树8(/11 &75)2+2.97/严/2xl0-3(2.4)元(54)= 2.128叮954 厂 1.6032 exp_ 2.5280(1 -(2.5)儿(54)= 2.136 叮975 厂 ®52 exp一 2.5

34、196(1 -(2.6)y()(57)= 9.984/93乜2.6732 expo.8563(l -(2.7)yo(60)= 15.4285957；3-6178 expl.l521(1- rj(2.8)y()(63)= 10.63/929” 3284 expo 6287(1 - rj(2.9)儿(66)= 1.944r；"73厂3.35&3 exp-4.1612(1-rj(2.10)y；(66)= 1.935/;皿7 厂 3.3714 exp_ 4.1643(1-rj(2.11)a = ln(2 /?7i)/ln3.5(2.12)b = 45 m(2.13)7 = 6.766

35、5/；曲)5()岁51()6 expl.5663(1- rj-1(2.14)% = 27.8843q()”o849】 expo.5496(l - rj-1(2.15)c = ln(2/)/ln3.5 , c = ln(2/)/ln3.5(2.16)d=4c/(2.17)5 = 6.9575a/如严535 exp1.3766(l-rf)-l(2.18)§2 = 42.1309r/3068rzl2023 exp2.5147(l - rz)-1(2.19)n = 0 时 /560ghz 或 n =-15 时 f > 60ghz， /为 频率，rp = p/1013 , r, =288

36、/(273 + /), p 为压强(hpa), f 为温度(°c)。人二3.13x10-2 广j： +1 76xi(內恋+ 厂2.53.84022 exp(2.23(l - ?；)'"-22.235)，+9.42 爲i 10.4迄，2exp(0.7(l-j) | 0.07迄，3exp(6.4385(l-j) (.183.31)2 +9.4 近 2(321.226)2 +6.29 殆(2.20)i 3.76h exp(l.6(1-j) 26.36羅 exp(l .09(1 - z;) "448)2" 380)217.87%exp(1.46(l-j)

37、 883.7鼻忽57 exp(0.17(l - j) (448)2(/-557f3o2.6ag752 exp(o.41(l-j) (.752)2式屮久=0.9544岸69 + 0.006lp ,轧？ = 0.95°64 + 0.0067°,二4 = 0.9543/;,/;0-68 + 0.0061/7,氛疔=0.955/;z;068 + 0.006/?,珀57 =1 + (/-557)2 心+557)2,0752 =1 + (/-752)2心+ 752)2，其中q为水汽的密度，单位(g/加3)图2干燥空气对电磁波信号的衰减图2.2水汽对电磁波信号的衰减图2.3大气中干燥空气

38、和水汽对电磁微波信号的总衰减图2.1, 2.2, 2.3是根据式(2.1) ,(2.2) ,(2.3) ,(2.4) ,(2.20)编程计算得到的结果，图2.1说明电磁波信号频率在大约40ghz以下时，t燥空气对电磁波信号的衰减非 常小。在60ghz> 120ghz左右时，t燥空气对微波信号的衰减相应较大。图2.2说明随着电 磁波信号频率的增大，在22gh刁、183ghz、325ghz左右时，水汽对电磁波信号的衰减相应 增大。图2.3表明大气中t燥空气和水汽对电磁波信号的总衰减在22ghz、60ghz、115gh刁、 183ghz、325ghz左右，其对电磁波信号的总衰减相应较大。大气的

39、窗口频率为35ghz、 80ghz x 126ghz o对于水平路径或是对地而有轻微角度倾斜的路径，路径衰减a由下式表示(2.21)在这里，乙是路径长度，单位仗血)2.5大气对斜路通信信号的吸收通过定义一个相应的等效高度，由这个定义出來的高度，在由第一节计算出來的这种特 种衰减与这个定义出來的高度相乘，就得到天顶衰减。这种计算方法计算出的数值从海平ifii 到海拔2 t米的范围内利川相应处的压强，温度，和水汽的密度等要素能将衰减精确到正确 值±10%的范围内。对于干燥空气，其等效高度定义如下4：当 1 ghz <f< 56.1ghz位：kmho=5.386-3.32734

40、xio-2/ +1.87185x 10-3/2 -3.52087xio-5/383.26+ (/-60)2+12(2.22)当 56.7ghz v/v 63.3ghz10当 63.3ghz s / v 98.5ghz0.039581-1.19751 x io-3/+ 9.14810xl06/21-0.028687/ + 2.07858 xlo-4/290.6(/ - 60)2(2.23)当 9s.5ghz <f< 350ghz=5.542一 1.76414x 10心 f + 3.05354xlo'6/2 +6.815(/-118.75)2 +0.321(2.24)(2.25

41、)(2.26)qp对于水汽，等效高度定义为：当 / s 350ghz1.613.331.90(/-22.23)，+2.91(/-183.3)2 +4.58(/ -325+3.34对于t燥空气及水汽对电磁波的总衰减由下式给出：a = yoho+ywhw图2.4天顶衰减图2.4所示为天顶衰减随频率的变化，这种衰减在50到70ghz范围内是一个以频率为笫10页共31页变量的复杂值，但运川上面所给出的等效高度及前面所川的算法就能得到一个近似的估计。 同时叮从图看出当频率在50到57ghz z间时，天顶衰减随着频率的增加而增加；当频率为 57至lj 63ghz时，天顶衰减基本保持不变；当频率为63到70

42、ghz时，天顶衰减随着频率的 增加而减小。所以当频率在57到63ghz时，天顶衰减为最大。2.6地空路径干湿空气的吸收在传播仰角在5° -90°z间，利用余割定律可得到路径衰减如下式（2.27）a + aa =-（2.28）sin©a（p）=儿+九（。）（2.29）sin。1 位于不同高度的斜径衰减为了计算地空斜径上干湿空气对在两个不同的高度人和h2之间波传播造成的衰减（高 度h和h2都要高于海平面且要小于2000m）,必须用ho和/?；.亲代替上式屮的和九，具体如下式所示：ho = hoe ,，2，h° kmh = h e 如九e ,l2/hw km图

43、2.5仰角为60度，不同的高度%和他间波传播造成的衰减山图可看出，仰角为60度吋，不同波传播造成的衰减总体是随着频率的增加而增加，但当 频率大于15ghz时在微小的区段内，衰减是随着频率先增加再减小。对于两个不同的髙度九和力2间波传播造成的衰减，可以改用以下式子得到更粘确的值：jr” f(“)ez re + h2 (2.30)cos (pcos(p2r” f(x；屮他 + 石-f2 0"cos (pcos(p2%)二.66吹 + 0.3；9“+5.51(p2 - arccos¥ +/ cos0re +h2)兀=tan(pi% 当 / = i,2兀;=tan"当 i

44、 = 1,2九'(2.31)100弓hl二0 h2=2km 0=60102图2.6仰角为60度，两种不同的方法计算不同的高度/?!与h2 z间波传播造成的衰减由图可以看出，计算所得的一般值和精确值基本上是相一致的，在整个范围内精确地来 讲，精确值比一般值稍小。而且衰减是随着频率的增加而增人的。2.地空路径干燥空气及水汽对电磁波的衰减对于地空路径衰减，可由下式给出：式中re为地球有效半径8500km,f(小ho+人臥f tan©(2.32)0为传播仰角，f:为功能函数，迟义如210.66lr + 0.339j/+5.51(2.33)图2.7大气对地-空路径电磁波传播造成的衰减由

45、式(2.33)得到大气对地空路径电磁波传播造成的衰减如图2.7所示：由图可以看出， 当频率小于10ghz时,其衰减小于o.ldbo在频率为20ghz、60ghz、115ghz、183ghz 左右时，其对电磁信号的总衰减相应的增大。3云对通信信号衰减的计算云的电磁波吸收与辐射是一群水滴或冰品的吸收与辐射的总和。简单起见，首先把这样 一个辐射过程归结为均匀介质的球形粒子与电磁波的相互作用。3.1相关参数的概念1 复折射指数粒子的复折射指数是与粒子的介电常数，介质损耗有关的物理量。它对以分成实部和虚部，即n = n -in(3.1)n为复折射指数。其虚部与粒子的吸收有关，/大吸收强，/小吸收弱。在散

46、射公式 中，各散射参量的值对复折射指数的变化都是非常做感的，因此必须准确的选择斤和沁叫 2.介电常数云中雨滴或水质点等介质的介电特性对电波传播的影响起着关键的作用，雨滴的散射与 吸收特性与他的介电特性密切相关。所以耍计算在不同波段中水的介电常数。虽然水中各种 类型的电解质会通过它的粒子导电性来影响其介电特性，但在微波与毫米波范围内对以忽 略。介电常数通常为复数勺为空气中的介电常数。也可用折射率n = n-inu表示介质电 特性。屯波被雨滴散射的参数之对复折射率的实部与虚部的变化都是很灵頌的，所以在计算 中耍很好的选择这个参数。介电常数式温度和频率的函数，这些函数关系很复杂，通常在特足的温度条件

47、f,测量 水的复折射率，建立某些在一定范围内使用的经验公式，用的较多的有如下儿种：德拜(debye)公式：宀"产g1+2a式中与j的数值如下表所示：表3徳拜公式总儿个参数的数值t°c勺為a2 (cm)0 8820 805.53.595.50. 5340735.51. 0.0859萨克斯顿(saxton)半经验表达式"叫实部:刃虚部:n1/276 +勺对|1 + x221,/2l + x2(3.3)(3.4)2兀 x 3x 10,()式屮的参数：x = cot =r0, £o=5.5q, 20"c 时r()=8.1xio-12 £s =

48、 80.08j +l + 2(&/2)if(a?1( s)1 + sin a1 2丿1 2丿(3.5)sin a2+ (入 / 盯(1 - a )( / (、1 人 i |0-為)l +丁 cos a -l 儿丿i z)/ l + 2(& /2)f sin a - +(av/a)2(l-zj 2 ；aa18.8496 x io10(3.6)式中a为与频率无关的电导率,a = 12.5664 x10s£s =78.54l.o-4.579xlo'30-25.o)+1.19xlo_5 x(r-25.0)2 -2.8xlq-8(/-25.0)3j =5.27137 +

49、 0.30216474/ - 0.00131198r2a = -13.8129(/ + 273)+0.06092054 = 0.00033836 exp2513.98/(/ + 273)式中2为波长(cm)； t为温度(°c)。双徳拜模型川：(3.7)(3.8)雷(ray)经验公式适用于温度为-2050°c,波长1mm以上，对于水，介电常数 的实部与虚部为：+2(3.9)在这里巧=77.66 + 103.3( & 1)占=5.4 & 勺=3.51fp = 20.09 -142(&-1) + 294( -1)2 ghzj. =590-1500( 一)g

50、hz(3.10)参数 = 300/t , t=273+t(3.11)以上这个公式适用于频率在1000ghz范围内，温度t的范围为：1030°c09876543210 100 f ghz1000图3.1不同温度下的水的介电常数图3.2不同温度下水的介电常数的实部随频率的变化关系的虚部随频率的变化关系图3.1, 3.2是利用双德拜模型,即利用式(3.8) ,(3.9) ,(3.10) ,(3.11),通过编程计算并利用画图软件得到。说明在不同温度下，水的介电常数实部随频率增大会衰减, 到10ghz时衰减更快，而虚部呈抛物线变化，在10ghz100ghz时最人。其变化表示为图 3.3：实部

51、 虚部图3.3 0°c时，水的介电常数随频率的变化关系图3.3说明，在°"c时，微波频率在1到1000ghz则甘，水的介电常数的实部随频率的增 加而减小，而虚部随频率大增加先增人在减小。在15ghz左右，虚部值达到最大。3.折射率的理解由mie理论可知，散射光的分布不仅与颗粒粒径有关，颗粒与其周围介质的相对折射率也会対散射光的分布冇一定的影响。按折射率定义：介质的折射率等丁光在真空中的速度c与光在该介质中的速度v之比。（32）其小£,仏相对介电常数和相对磁导率。对一般非铁磁物质，因此有:当介质处于频率为血的单色光波中时，由麦克斯韦方程组可得»

52、= £ i (3.13)co则2. cf广=£r =8-1(34)cd可见，折射率出现虚部是电导率b不等于零的结果(在入射光频率不接近介质共振频 率时，£近似为实数)。所以绝缘介质的折射率仍为实数，而金属介质折射率的虚部将不能 忽略。一下将讨论折射率的虚部物理意义。令m = n-irj,其中：n2 -7j2 = £,2nr/ = co川折射率來表示波数，则波数应为复数，可称为复波数：； 27rm 2" . 2兀nz 、k =1(4.15)2 2 2上式与波数为实数时电场矢量表达式的区别仅在于多了一项衰减项，而此项与折射率的 虚部有关，这说明折射

53、率的虚部止描述了电磁波在进入散射物质后的衰减。而折射率的实 部在电场矢量表达式中描述的与一般场的形式相同，这止是反映了散射场的空间分布。不论在实验还是在实际测量中，颗粒大都是以群体形式存在的。群体中的每一个颗粒不 仅被入射光照射，同时还处在散射光照射中，对于较稀薄的粒了曲，照射在颗粒上的入射光 强远大于莫他颗粒的散射光强，因此颗粒群的总散射光强可认为是样体中个单颗粒了对入射 光的散射光强z和。但当样体浓度较高时，由于入射光被前面大量颗粒散射或吸收，使得照 射在后而颗粒上的入射光强很小甚至完全不能被照射，此时其他颗粒的散射光强相对于入射 光强不能忽略，郡体总散射光强也不再简单的等于各颗粒了对入射

54、光的散射光强z和。这种 效应称为多重散射。多重散射不涉及新的物理问题，但其数学计算i分复杂。因此，在许可 的条件下，实验中应尽量避免多重散射的发牛。3.2 mie散射理论下的云的衰减mie散射乂称为大粒了散射，其散射粒了的大小与光波长同量级甚至更大，其散射规律 与瑞利散射不同，mie对大粒了散射进行了较全面的研究，并在1908年提出了悬浮微粒线 度与入射光波长相比拟时的散射理论。其将散射粒了看作是导电小球，它们在光波电场中发 牛极化而向外辐射能量，如云雾中小水滴就是这种米氏散射微粒。mie理论的卞要原理是利用谐函数将入射场的和散射体的散射场以及散射体内部的场 展开，在散射体的表面根据边界条件列

55、出线性方程组，通过求解方程组解出展开系数，进而 得到目标的散射场以及其他的一系列散射特征量。经过大量研究者的努力，mie理论的适用 范围已经由最初的只能计算谐振区的粒了的散射到现在可以计算电大尺寸的散射体的散射, 其中吴在处理特殊函数时引入了 ricatti-bessel函数使得mie理论的适用范围儿乎不再受限3.2.1 mie散射理论的特点1）散射光强度随角度分布变得十分复杂，粒子响度与波长的尺寸越人，分布越复杂：2）当粒子的尺度增人时，前向散射和后向散射之比随之增人，结杲使前向散射的波瓣 增大；3）当粒子尺度比波长人时，散射过程和波长的依赖关系就不密切了。按mie散射理论，散射振幅函数表达式为：oo c1(38)(3.29)(3.20)表达式为:(3.21)s(0) = £ :兀(cos &) + 勺兀(cos 0)n=lm