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对流层地—空路径电磁（光）波传播的若干问题研究

作　者: 杨瑞科
导　师: 吴振森
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 无线电物理
关键词: 电磁波传播地-空路径对流层大气衰减闪烁
分类号: O451
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

首先通过分析雨衰减的一些实验结果，讨论能用于中国各气候带的雨滴谱。在微波和毫米波低端，预测了地一空路径上、下行链路雨衰减的比率，并与美国波士顿和日本Kashima地区的实验数据进行了比较，结果一致性较好。第二，根据融化层的物理特性分析建立了更为切合实际且较简单的融化粒子涂水冰球模型。应用该模型和涂层球的BHCOAT法，计算了融化粒子的散射和反照率w₀；结果表明，在C、X和Ku波段，融化粒子的w₀要比雨滴和雪粒子的大，这与雷达观测和文献结果一致，表明了该模型是切实可用的。在6、10、20、30GHz时，计算了不同降雨率融化层的特征衰减、衰减和散射损耗，结果表明融化层的衰减较同厚度雨区的衰减为大。在6、10GHz，融化层引起的散射损耗要大于雨区和雪区的损耗，而在20、30GHz，稍微大于雨区的损耗。第三，根据西安地区气象观测数据，讨论了西安典型云的宏观和微观物理特性；根据西安典型云的观测结果和世界气象组织提供的数据，得到西安典型云的K-M云滴谱参数；并根据西安地区云的液水含量，计算了地一空路径上云的衰减，结果表明，在V波段和仰角小于30度的Ka波段路径，云的衰减需加以考虑。再分析了云的后向散射机理，计算了西安地区云的后向散射截面；表明影响云的后向散射截面的主要因素为云滴平均半径、大气湿度湍流及云粒子分布，在较高频率时更显著。第四，根据大气湍流理论分析了在微波和毫米波波段影响幅度闪烁的主要因素是大气相对湿度和温度。根据光波段的ITU-R C_n²模型，ITU-R幅度闪烁标准偏差模型，和温度和相对湿度随高度变化的气象数据，在10～30GHz，分析得到了大气结构常数C_n²随高度变化的模型；并根据温度和湿度垂直分布数据计算了对数幅度闪烁σ_x，还与ITU-R和Ortgies模型的预测结果进行了比较，结果表明，在10～30GHz，用该C_n²模型计算的结果和用ITU-R及Ortgies模型预测的值符合较好，且在用C_n²模型计算时考虑了温度和相对湿度随高度变化关系。因此，表明该C_n²模型是可用且更为实际的。根据西安地区气象观测有云覆盖时温度和湿度随高度变化的数据，在10～30GHz，应用该C_n²模型计算了幅度闪烁标准偏差，也与Ortgies模型预测值做了比较；表明该C_n²模型是可用于象西安这样的大陆型气候地区。最后，应用强起伏下引入空间滤波函数的修正Rytov方法，发展了一种易处理且可用于从弱到强起伏地—空路径的高斯波束光波闪烁指数模型；基于ITU-R C_n²模型，预测了准直高斯波束的闪烁指数，其结果和理论分析结果相符。该模型可正确退化到地—空路径平、球面波闪烁指数模型；还可简化到均匀湍流水平视距传播的高斯波束闪烁模型。并修正了已有均匀湍流情况下波束闪烁指数模型的系数。高斯波束的斜径闪烁指数模型的建立发展了湍流闪烁理论，将对地—空路径光通信、成像、遥感、激光制导和强激光系统的设计和应用具有重要的实际意义。

全文目录

第一章绪论  13-27
  1.1 研究背景和意义  13-15
  1.2 地-空路径电磁(光)波传播的若干问题研究概况  15-22
    1.2.1 降雨对地-空路径电波损耗的研究概况  15-18
    1.2.2 融化层对电波损耗的研究概况  18-19
    1.2.3 云对电波损耗的研究概况  19-20
    1.2.4 大气湍流中微波地-空传播幅度闪烁研究概况  20-21
    1.2.5 大气湍流中光波地-空传播强度闪烁研究概况  21-22
  1.3 论文安排和主要贡献  22-27
    1.3.1 论文安排  23-25
    1.3.2 论文主要贡献  25-27
第二章雨的物理特性  27-35
  2.1 引言  27
  2.2 雨滴的形状和雨滴谱模型  27-31
    2.2.1 雨滴的大小和形状  27-29
    2.2.2 雨滴谱模型  29-31
  2.3 水的介电特性  31-33
  2.4 降雨雨顶高度模型  33-35
第三章地-空路径电波雨衰减特性研究  35-45
  3.1 引言  35-36
  3.2 雨滴的散射特性  36-38
  3.3 雨衰减与降雨率关系的计算  38-41
  3.4 上下行链路降雨衰减率研究  41-44
  3.5 小结  44-45
第四章地-空路径融化层的散射与衰减特性研究  45-61
  4.1 引言  45-46
  4.2 融化粒子模型分析  46-48
  4.3 融化粒子的电波散射特性分析  48-54
    4.3.1 理论方法简介  48-50
    4.3.2 融化粒子散射特性分析  50-53
    4.3.3 融化层反照率因子研究  53-54
  4.4 地-空路径融化层衰减与散射损耗研究  54-56
  4.5 分析与结果  56-58
  4.6 小结  58-61
第五章云的衰减和散射特性研究  61-81
  5.1 引言  61-62
  5.2 云的宏观和微观物理特性  62-67
    5.2.1 云的分类类型  63-66
    5.2.2 云滴尺寸分布谱  66-67
  5.3 云的衰减计算  67-71
    5.3.1 云衰减计算的一般方法  67-68
    5.3.2 云的衰减系数模型  68-70
    5.3.3 云中含水量的估算方法  70-71
  5.4 地-空路径云的衰减  71-73
  5.5 云的后向散射机理  73-77
  5.6 云的后向散射数值计算及结果  77-78
  5.7 小结与讨论  78-81
第六章对流层湍流大气中微波地-空传播幅度闪烁研究  81-101
  6.1 引言  81-83
  6.2 大气湍流介质中幅度闪烁理论  83-86
  6.3 对流层闪烁方差的理论和经验模型  86-90
    6.3.1 大气湍流幅度闪烁方差理论简介  86-87
    6.3.2 幅度闪烁标准偏差经验模型  87-89
    6.3.3 ITU-R光波段大气湍流结构参数C_n~2模型  89-90
  6.4 微波波段C_n~2模型的建立  90-93
    6.4.1 已有σ_x模型的预测结果分析  90-92
    6.4.2 微波波段C_n~2模型建立  92-93
  6.5 地-空路径对数幅度闪烁方差的预测结果  93-98
  6.6 小结  98-101
第七章大气强湍流中光波闪烁理论  101-115
  7.1 概述  101
  7.2 马尔可夫近似  101-103
  7.3 场的平均值  103
  7.4 场的二阶矩  103-109
    7.4.1 互相关函数  104-106
    7.4.2 对数幅度方差和协方差  106-108
    7.4.3 波束扩展  108-109
  7.5 场的四阶矩  109-113
    7.5.1 四阶矩的推导  109-111
    7.5.2 强度起伏方差  111-113
  7.6 小结  113-115
第八章大气强湍流中光波地-空路径传播闪烁问题研究  115-133
  8.1 概述  115-116
  8.2 修正Rytov闪烁理论  116-119
  8.3 平面波在弱到强大气湍流中地-空路径传播闪烁指数模型  119-122
    8.3.1 地-空路径平面波大尺度湍流闪烁指数  119-120
    8.3.2 地-空路径平面波小尺度湍流闪烁指数  120
    8.3.3 地-空路径平面波闪烁指数模型  120-122
  8.4 球面波在弱到强大气湍流中地-空路径传播闪烁指数模型  122-124
    8.4.1 地-空传播路径球面波大尺度湍流闪烁指数  122
    8.4.2 地-空传播路径平面波小尺度湍流闪烁指数  122-123
    8.4.3 地-空传播路径球面波闪烁指数模型  123-124
  8.5 平、球面波地-空传播闪烁指数结果分析  124-126
  8.6 波束波在弱到强大气湍流中地-空路径传播闪烁指数研究  126-129
    8.6.1 地-空传播路径波束波大尺度湍流闪烁指数  127
    8.6.2 地-空传播路径波束波小尺度湍流闪烁指数  127-128
    8.6.3 地-空传播路径波束波闪烁指数模型  128-129
  8.7 波束波地-空传播闪烁指数结果分析  129-132
  8.8 小结  132-133
第九章全文总结  133-137
参考文献  137-147
致谢  147-149
攻读博士学位期间发表的论文  149-150

对流层地—空路径电磁（光）波传播的若干问题研究

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