電磁波在對(duì)流層中傳輸與散射若干問(wèn)題研究.pdf

1、電磁波在對(duì)流層晴空大氣及降雨、降雪、沙塵等氣象環(huán)境中的傳輸效應(yīng)對(duì)無(wú)線電電子系統(tǒng)有重要的影響，電磁波在對(duì)流層中的傳播與散射特性研究，是一項(xiàng)既取得了一定的理論和實(shí)驗(yàn)成果同時(shí)也面臨著新挑戰(zhàn)的課題。隨著無(wú)線電電子技術(shù)的發(fā)展，電波傳播工作者開始考慮一些新問(wèn)題，例如：未來(lái)的通信頻段和對(duì)信號(hào)的傳輸質(zhì)量要求將會(huì)不斷提高，那么電磁波在對(duì)流層中傳輸、散射效應(yīng)的計(jì)算及預(yù)報(bào)模型的精度能否適應(yīng)新頻段、新技術(shù)和新精度的要求；空間環(huán)境控制和人工改變技術(shù)是空間環(huán)境軍用

2、和民用的重要方面，能否通過(guò)某種人為干預(yù)手段，改善無(wú)線電電子系統(tǒng)通信效果，拓展其在軍事、民用等方面的應(yīng)用，開發(fā)新的通信技術(shù)；如何結(jié)合隨機(jī)介質(zhì)中的波傳播理論，研究和評(píng)估信號(hào)在對(duì)流層中的傳輸、散射效應(yīng)對(duì)新的通信技術(shù)的影響機(jī)理及影響程度，如何對(duì)抗這些影響。所以，研究電磁波在對(duì)流層中的傳輸、散射特性，對(duì)提高無(wú)線電電子系統(tǒng)的性能和發(fā)展無(wú)線通信技術(shù)有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值，本文就電磁波在對(duì)流層中的傳輸、散射的若干問(wèn)題展開研究，主要工作及研究成果如下

3、：
　　 研究了聲波干擾改變晴空大氣折射指數(shù)起伏特性的機(jī)理，推導(dǎo)出了大氣折射指數(shù)起伏特性與聲波參數(shù)的關(guān)系，得到了聲波干擾下單位體積散射截面的計(jì)算公式，且做出計(jì)算、仿真和討論。結(jié)合降雨、沙塵等離散隨機(jī)介質(zhì)的介電特性研究狀況，分析了部分現(xiàn)有模型的特點(diǎn)，提出一個(gè)改進(jìn)的計(jì)算離散隨機(jī)介質(zhì)等效介電常數(shù)的計(jì)算模型，以降雨環(huán)境為例進(jìn)行了計(jì)算、仿真和討論，并且對(duì)模型進(jìn)行了分析和評(píng)估。
　　 利用本文得到的等效介電常數(shù)計(jì)算模型，提出了修正計(jì)

4、算雨致特征衰減的ITU-R模型中參數(shù)的方法，該方法可以結(jié)合特定地區(qū)降雨的物理特征，更精確地考慮雨致特征衰減ITU-R計(jì)算模型參數(shù)受雨滴尺寸、分布和溫度等影響，提高對(duì)雨衰的計(jì)算精度。以Weibull譜為例做了計(jì)算、仿真和分析，得出了Weibull譜分布情況下，對(duì)ITU-R模型參數(shù)的修正結(jié)果，利用修正結(jié)果計(jì)算了雨致特征衰減，并且與實(shí)測(cè)結(jié)果做了比較。
　　 拓展了現(xiàn)有文獻(xiàn)中利用非一分鐘降雨率預(yù)報(bào)雨衰的建模方法，提出了利用10分鐘累積降

5、雨率預(yù)報(bào)降雨衰減的建模方法。以我國(guó)部分地區(qū)的10分鐘降雨率測(cè)量結(jié)果和鑫諾I號(hào)等衛(wèi)星參數(shù)及雨衰測(cè)量結(jié)果為例，建立了利用10分鐘降雨率預(yù)報(bào)雨衰的模型，對(duì)模型做出評(píng)價(jià)和分析。
　　 分析了降雨和雨衰時(shí)間序列的特點(diǎn)，以雨衰時(shí)間序列為基礎(chǔ)，建立了預(yù)報(bào)雨衰短期、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)特性的ARIMA預(yù)報(bào)模型。利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的雨衰時(shí)間序列的頻譜特性，對(duì)文中預(yù)報(bào)模型得到的降雨衰減實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)序列進(jìn)行了檢驗(yàn)，并且對(duì)本文得到的模型進(jìn)行了評(píng)估和分析。
　　

6、以圓柱目標(biāo)和降雨環(huán)境為例研究了隨機(jī)離散介質(zhì)環(huán)境中目標(biāo)的信雜比，研究結(jié)果表明，信雜比最優(yōu)化與收、發(fā)天線極化狀態(tài)密切相關(guān)，而且雨滴粒子的形狀對(duì)最優(yōu)信雜比對(duì)應(yīng)的極化狀態(tài)影響明顯，所以實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)降雨環(huán)境物理特征，計(jì)算目標(biāo)回波信號(hào)信雜比與收發(fā)天線極化狀態(tài)關(guān)系，以便及時(shí)調(diào)整天線最佳極化狀態(tài)，使得接收信號(hào)信雜比最優(yōu)化。本文的討論方法對(duì)沙塵和降雪等環(huán)境也適用。
　　 分析了多徑傳輸環(huán)境下接收端信號(hào)特點(diǎn)，以及研究接收信號(hào)包絡(luò)概率密度函數(shù)的

7、必要性。用隨機(jī)介質(zhì)中的波傳播理論，研究、分析了降雨、降雪等惡劣氣象環(huán)境對(duì)多徑信道包絡(luò)概率密度的影響機(jī)理，分析了在降雨、降雪等環(huán)境中多徑傳輸模式可能發(fā)生的變化。以降雨環(huán)境和全向天線為例仿真、計(jì)算了降雨對(duì)多徑信道包絡(luò)概率密度的影響。對(duì)本文的仿真結(jié)果做出了分析，結(jié)果表明本文處理問(wèn)題的方法和研究結(jié)果，對(duì)于高增益、窄波束天線情況也適用。
　　 研究了對(duì)流層大氣及其中沉降粒子對(duì)通信系統(tǒng)噪聲的影響機(jī)理及重要性。以本文研究結(jié)果為基礎(chǔ)，仿真了IT

8、U推薦各雨區(qū)的降雨特征衰減的年時(shí)間統(tǒng)計(jì)分布，利用本文得到的雨衰預(yù)報(bào)模型，以鑫諾I號(hào)等衛(wèi)星參數(shù)為例，仿真了我國(guó)部分地區(qū)降雨導(dǎo)致的噪聲溫度年時(shí)間百分比分布，以及由于降雨影響導(dǎo)致系統(tǒng)G/T下降的年時(shí)間百分比分布。研究結(jié)果表明，降雨對(duì)噪聲溫度的貢獻(xiàn)不可忽略，在具體的通信系統(tǒng)需要結(jié)合特定地區(qū)降雨、降雪等氣象環(huán)境的物理特征，精確分析衰減和散射特性，評(píng)估它們對(duì)系統(tǒng)噪聲的影響。
　　 探討了惡劣氣象環(huán)境如何影響MIMO系統(tǒng)，分析了降雨、降雪等對(duì)

9、流層氣象環(huán)境可能對(duì)MIMO系統(tǒng)的影響。從理論角度探討了降雨、降雪等對(duì)流層氣象環(huán)境對(duì)MIMO系統(tǒng)信道容量的影響，以降雨環(huán)境和特定的天線結(jié)構(gòu)為例，仿真了降雨衰減對(duì)MIMO系統(tǒng)信道容量的影響，結(jié)果表明降雨衰減對(duì)MIMO系統(tǒng)信道容量的影響明顯。因此，對(duì)MIMO通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中有必要考慮對(duì)流層氣象環(huán)境的影響因素。
　　 研究了聲波干擾下對(duì)流層散射通信系統(tǒng)的散射損耗，將聲波干擾下的散射損耗與沒(méi)有聲波干擾情況下散射損耗進(jìn)行了對(duì)比，并且對(duì)研