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预测复杂环境下电波传播特性的算法研究

作　者: 胡绘斌
导　师: 毛钧杰
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 对流层电波传播衰减预测抛物方程模型数字地图城市小区
分类号: TN011
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

随着高频电磁波技术的迅猛发展,复杂环境下的电波传播特性预测已经成为一个重要的研究课题。在构建诸如雷达预警、电子战和指挥自动化等诸多军事无线电系统时,准确的战场电磁环境数据是不可或缺的重要内容。在合理规划和优化现代移动通信网络时,城市小区电波传播特性是非常重要的参考依据。在已有的电波传播预测模型中,基于射线跟踪方法的诸多模型不能同时处理不规则地形和复杂大气结构对电波传播的影响,因而无法准确预测复杂环境下的电波传播特性,而从波动方程推导出的抛物方程(PE)模型则能克服这个缺点,是目前预测对流层电波传播问题最为准确的模型,因此,本文主要基于PE方法,深入研究了预测对流层大尺度电波传播特性的二维抛物方程(2DPE)模型和预测城市小区电波传播特性的三维抛物方程(3DPE)模型。在构建2DPE模型时,通过对现有多个PE模型的比较,确立了一种可以通过分步傅立叶变换(SSFT)算法求解的宽角抛物方程(WAPE),详细分析了WAPE本身和SSFT算法给预测结果带来的误差,提出了减小误差的方法;为获得WAPE的初始场分布,提出了WAPE在二维无界空间的格林函数和求解WAPE初始场的格林函数法,与目前计算PE初始场的常用方法相比,本文的方法不但精度更高而且具有通用性;深入研究并实现了阻抗边界条件下SSFT算法的高效形式——离散混合傅立叶变换(DMFT),纠正了文献中关于DMFT公式的错误。在应用WAPE模型预测对流层大尺度电波传播问题时,通过对现有多个不规则地形模型的比较,确立了一种目前最为精确的地形模型,详细阐述了在此地形模型下,WAPE模型预测不规则地形上电波传播特性的方法;阐述了对流层复杂大气结构对电波传播的影响,深入研究了WAPE模型处理复杂大气结构的方法和实现步骤;详细阐述了从数字地图中抽取地球大圆上二维地形剖面的方法,建立了基于数字地图的WAPE模型。为预测城市小区内的电波传播衰减特性,本文建立了以电磁场位函数表现的宽角矢量3DPE模型,与以往的以场分量表达的矢量3DPE模型相比,本文的3DPE模型形式简单,求解速度快;为快速求解3DPE,本文提出了一种高效的SSFT算法——场的奇偶分解法;深入研究了平地面上单个损耗建筑分布时,在不同的电波入射条件下,3DPE模型处理建筑垂直面边界条件的方法:对于垂直入射情况,提出了以前向差分结合傅立叶变换(FD-FT)的方法计算边界面上的场分布;对于斜入射情况,采用二维傅立叶级数展开法计算边界上的场分布,给出了本文基于场的奇偶分解法的计算公式,修正了文献中关于傅立叶级数计算公式的错误。在此基础上,本文最后用3DPE模型计算了多个建筑分布时的电波传播衰减特性,取得了很好的计算结果。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-23
  1.1 研究背景  13-14
  1.2 国内外相关工作的研究动态  14-16
  1.3 PE 方法简介  16-20
  1.4 PE 方法在电磁计算领域的应用前景  20-21
  1.5 本文的主要研究成果及内容安排  21-23
第二章 2DPE 模型的理论研究  23-48
  2.1 引言  23
  2.2 二维WAPE 模型的建立  23-30
    2.2.1 直角坐标系下的2DPE  23-25
    2.2.2 圆柱坐标系下的2DPE  25
    2.2.3 球坐标系下的2DPE  25-28
    2.2.4 通用型WAPE 模型的建立  28-30
  2.3 求解WAPE 的SSFT 算法  30-32
  2.4 WAPE 及其SSFT 算法的误差分析和解决方法  32-35
    2.4.1 媒质折射指数带给宽角算子的误差分析  32
    2.4.2 分离指数项所带来的误差分析  32-34
    2.4.3 关于误差分析的算例  34-35
  2.5 WAPE 模型的初始场研究  35-40
  2.6 WAPE 模型的边界条件研究  40-46
    2.6.1 WAPE 模型的上边界  40-41
    2.6.2 WAPE 模型的地表边界及SSFT 算法在平面阻抗边界条件下的应用  41-46
  2.7 小结  46-48
第三章 WAPE 模型预测对流层电波传播特性的方法研究  48-82
  3.1 引言  48
  3.2 WAPE 模型预测不规则地形上电波传播特性的方法  48-58
    3.2.1 现有的地形模型  49-52
    3.2.2 宽角移位变换地形模型上的WAPE  52-53
    3.2.3 WAPE 模型预测不规则地形上电波传播特性的方法  53-58
  3.3 不同地表结构的电磁参数  58-61
  3.4 WAPE 模型处理复杂大气结构的方法  61-74
    3.4.1 大气环境对电波传播的影响及大气折射指数模型  61-63
    3.4.2 大气折射效应的机理与折射类型  63-64
    3.4.3 超折射与大气波导传播  64-66
    3.4.4 WAPE 模型处理大气折射率的方法  66-74
  3.5 基于数字地图的WAPE 电波传播模型  74-81
    3.5.1 数字地图概述  74-75
    3.5.2 Grid 型DEM 的数据存储格式  75-77
    3.5.3 DEM 中二维地形高程剖面的提取  77-79
    3.5.4 基于数字地图的WAPE 模型  79-81
  3.6 小结  81-82
第四章 3DPE 模型的若干关键理论研究  82-97
  4.1 引言  82-83
  4.2 宽角标量3DPE  83
  4.3 宽角矢量3DPE  83-86
  4.4 求解3DPE 的SSFT 算法  86-91
  4.5 3DPE 模型的初始场  91-93
  4.6 3DPE 模型的边界条件  93-96
    4.6.1 3DPE 模型吸收边界的设置  93-94
    4.6.2 3DPE 模型的阻抗边界条件  94-96
  4.7 小结  96-97
第五章 3DPE 模型预测城市小区电波传播问题的算法研究  97-117
  5.1 引言  97-98
  5.2 三维自由空间的电波传播衰减因子  98
  5.3 电波在平地面上的传播衰减计算  98-99
  5.4 平地面上单个建筑分布时的电波传播衰减计算  99-108
    5.4.1 建筑为理想吸收屏，电波垂直入射  99-101
    5.4.2 建筑表面涂敷有耗介质，电波垂直入射  101-104
    5.4.3 建筑为理想吸收屏，电波斜入射  104-105
    5.4.4 建筑表面涂敷损耗介质，电波斜入射  105-108
  5.5 地面上单排多建筑分布时的电波传播特性计算  108-113
    5.5.1 平地面上单排多建筑分布  109-111
    5.5.2 不规则地形上单排多建筑分布  111-113
  5.6 平地面上多排多建筑分布时的电波传播特性计算  113-116
  5.7 小结  116-117
结束语  117-119
致谢  119-120
参考文献  120-129
作者在攻读博士期间发表或已被录用的论文  129

预测复杂环境下电波传播特性的算法研究

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