微波大气吸收衰减特d性分析及分层数值算法

第16卷 第10期强激光与粒子束Vol.16,No.10 2004年10月HIGH POWER LASER AND PARTIC LE BE AMS Oct.,2004

文章编号:1001 4322(2004)10 1321 04

微波大气吸收衰减特性分析及分层数值算法

毛天鹏, 周东方, 牛忠霞, 林竞羽

(信息工程大学信息工程学院通信工程系,河南郑州450002)

摘 要:给出了微波在大气中传输受气体分子吸收导致衰减的较精确计算模型,该模型扩展了传统计算模

式忽略温度、湿度、压力变化及传播距离受限制的近似算法。结合我国某地区的实测气象数据模拟计算了该地

区的大气吸收衰减,最后根据数值计算结果分析了微波随频率、发射角度以及月份(季度)变化的传播特性,并

简要说明了此研究在微波遥感中的实际意义。

关键词: 微波; 氧衰减率; 水汽衰减率; 大气吸收衰减

中图分类号: TN011 文献标识码: A

众所周知,微波在大气中传输,除了因电磁波的绕射、折射、反射等引起的衰减外,还存在另外两种和大气特性有关的衰减,一种是气体分子的吸收衰减,另一种是大气沉降物(雨、云、雾)对电磁波的散射和吸收效应引起的衰减。在电磁波的作用下,气体分子从一种能级状态跃迁至另一种能级状态,电磁能量转变为分子的内能,在其固有的吸收频率上产生吸收使微波能量衰减。这种现象在频率较高的波段更为显著,因而研究该波段的大气吸收具有重要意义。

大气主要成份是氮气、氧气(干空气)和水汽。大气吸收衰减与多方面因素有关,但主要源于氧气、水汽的吸收和散射。而氧吸收和水汽吸收的衰减率与微波频率、大气温度、水汽密度、大气压强等参数有关,并在某些频段存在吸收峰值。这些吸收峰值构成了大气不透明度频率特性曲线,这对于大气遥感探测有实际意义。传统的数值计算,通常采用一种近似的算法,即忽略射线轨迹上温度、湿度、压力等参量的变化,采取平均计算的模式,而且一般只适合于近地水平路径衰减、低空倾斜路径衰减和地空衰减的模型。本文在大气吸收衰减复折射率模型的基础上,结合微波射线弯曲的折射率抛面模式,建立了1~1000GHz频段的大气吸收衰减分层计算模型,并将以往卫星通信链路地对空衰减模型扩展到空间中任意发射点和目标点的衰减计算。该模型将大气层按折射指数分层,结合数据库中相应层面的温度、湿度、压力统计数据计算出微波在该层面传播时的衰减率和传播距离,从而确定整个轨迹上的衰减。这种算法可以很好地反映电波空间传播的真实情况,计算精度高,便于计算机语言实现。最后根据计算仿真结果简要分析微波大气吸收衰减的特性及研究意义。

1 微波大气吸收衰减率模型

大气吸收衰减率 /(dB km-1),主要由大气复折射率N(f)的虚部决定

= d+ w=0.182fN(f)(1)式中: d, w分别为干空气衰减率和水汽衰减率;f为微波频率(GHz);N(f)为复折射率色散项N(f)的虚部, N(f)的解析式为

N(f)=!i S i F i+N d(f)+N w(f)(2) S i为第i条吸收谱线强度;F i为吸收谱线形状因子的虚部;N d(f),N w(f)分别为频率高于1THz干空气和水汽的连续吸收谱贡献的虚部。吸收谱线强度S i[2]的气象经验公式为

S i=a1?10-7?p? 3exp[a2(1- )], for oxygen

b1?10-1?p vap? 3.5exp[b2(1- )], for water vapour

(3)

式中:p为大气压强(hPa);p vap为水汽分压强(hPa),可由水汽密度(g/m3)求得,p vap=T/216.7; =300/T,T 为大气温度(K);系数a1,a2,b1,b2以及下面(5)和(6)式中的a3~a6和b3~b6分别为氧气吸收谱线参数和水汽

收稿日期:2004 00 0; 修订日期:2004 06 03

基金项目:国家863计划项目资助课题

作者简介:毛天鹏(1979#),男,山东泰安人,硕士,主要从事电磁场与微波技术、高功率微波技术研究;郑州1001信箱825分箱;

E mail:tp_mao@https://www.wendangku.net/doc/934452770.html,。

吸收谱线参数,其值详见参考文献[1]。

由修正范弗莱克 威斯科福模型可求吸收谱线形状因子的虚部F i 为

F i =f f i !f -?(f i -f )(f i -f )2+!f 2+!f -?(f i +f )(f i +f )2+!f 2

(4)f i 表示氧吸收和水汽吸收谱线频率(GHz)[1];!f 表示谱线的线宽度;?为重叠修正因子。谱线宽度参数!f 可通过下式求得

!f =a 3?10-4(p (0.8-a 4)+1.1p vap ), for oxygen b 3?10-4(p b 4+b 5p vap b 6), for water vapour (5)

重叠修正因子?的表达式为

?=(a 5+a 6 )?10-4p 0.8, for oxygen 0, for water vapour

(6) 另外求出频率高于1THz 干燥空气连续吸收谱贡献的虚部N

d (f )为N d (f )=fp 2

6.14?10-5d[1+(f /d )2]+1.4?10-12(1-1.2?10-5f 1.5)p 1.5(7)式中:d =5.6?10-4(p +1.1p vap ) ;对于频率高于1THz 水汽的连续吸收谱贡献的虚部N w (f )为N w (f

)=f (3.57 7.5p vap +0.113p )10-7p vap 3(8)

将(3)、(4)、(7)、(8)式代入(2)式,并由(1)式就可得到气体的衰减率 。

2 微波大气吸收衰减分层计算模型

Fig.1 M icrowave progagati on locus 图1 电波传播轨迹示意图

大气吸收衰减一般可通过气体衰减率与传播距离来确

定,即A gas = d ;微波在实际大气环境中传输,微波射线要

受到大气折射的影响,从而使传播轨迹发生弯曲,传播速度

改变。这样在计算衰减时,就有必要将大气层按折射指数

进行分层,从而确定整个传输路径中所经过的每个层结点

的位置,分层计算微波在该层传播时的传输距离,及该层实

际大气气象因素所决定的衰减率,最终确定发射点和目标

点总的衰减。下面结合南京气象学院大气资料服务中心所

提供的大气特性参数(温度、湿度、压力和折射指数),并在

插值计算建立的91层分层结构的基础上,扩展了以往卫星

通信链路地对空的衰减模式,进而计算空间中任意收发两

点的衰减。

微波在大气中传播,射线弯曲如图1所示,d n 为电波

在第n 层传播的路径长度;?n 为折射指数为n n 的层的厚度;#n ,?n 分别为射线的入射角和折射角;r n 为地球中心到第n 层开始点的距离。计算中,将发射点高度所对应的层面视作第一层,并且该层的起始点高度定位于发射点高度,最后一层为目标点高度所对应的层面,并且将目标点的高度视为最后一层结束点的高度。

根据电波折射理论,在第n 层传播的路径长度d n 为

d n =-r n cos ?n +12

4r 2n cos 2?n +8r n ?n +4?2n (9)入射角#n 表达式为

#n =%-arcos -d 2n -2r n ?n -?2n 2d n r n +2d n ?n (10)

?1为发射角 的余角。?n +1可根据Snell 定律求得

?n+1=arcsin [(n n /n n+1)sin #n ]

(11)式中:n n 和n n +1分别为第n 层和第n +1层的折射指数。1322强激光与粒子束第16卷

于是我们得到卫星通信链路总的衰减为

A gas =

!k n=1d n n (12)

式中: n 为各层计算所得衰减率。3 大气吸收衰减数值计算结果分析及结论

上述建立的大气吸收复折射率模型是频率的函数,又与大气特性参数(温度、湿度、压强)有关。它具有很强的区域特性。下面结合我国某一地区历年探空气象数据的统计平均值和大气分层各层面折射指数的统计平均值,模拟计算该地区卫星通信链路大气吸收衰减。为便于比较,依据I TU #R2001最新建议书,本文采用典型参数值,微波频率f 为1~1000GHz 的频段,海平面温度t 为15?;水汽密度为7.5g/m 3;大气压强p 为101.3kPa 。计算所得的氧气和水汽吸收衰减率随微波频率变化的典型曲线如图2和图3

所示。

Fig.2 Specific attenuati on at frequencies up to 1000GHz

图2 1~1000G Hz

频段衰减率与频率的关系Fig.3 Speci fic attenuati on in the range 50~70G Hz

图3 50~70G Hz 频段衰减率与频率的关系

从图2中可以看出,大气吸收衰减率是由若干个尖峰形状的曲线组成。其尖峰称为大气吸收峰,是由气体分子吸收谱线形成的。在1000GHz 范围内,较强的水汽吸收峰有11个,较强的氧气吸收峰有8个,并以60GHz 的氧吸收峰为氧气中最强的吸收峰。图3表明,在50~70GHz 频段内,大气吸收特性明显存在压力展宽效应。在此频带中含有39条氧吸收谱线,即平均每0.5MHz 频带含有一条吸收谱线。当大气压强为海平面值时,谱线宽度远大于谱线间隔,谱线相互重叠,形成一连续的氧吸收带。当大气压强为高海拔值时,谱线宽度远小于谱线间隔,连续的吸收带分裂成许多独立的吸收谱线。

采用发射点和目标点高度分别为0和10km,微波在大气中传播17.083km,

我国某地区春季的气象数据计算

Fig.4 Path attenuation at frequencies up to 1000GHz

图4

大气吸收衰减随频率变化曲线Fig.5 Path attenuation vs month 图5 大气气体衰减随月份变化曲线得到的吸收衰减与微波频率的关系曲线如图4所示。微波在实际大气环境中传输时,微波能在气体吸收谱线1323第10期 毛天鹏等:微波大气吸收衰减特性分析及分层数值算法

上将产生很大的衰减而且水汽吸收要比干空气吸收更为普遍,但在60GHz氧的强吸收带上,氧衰减将起主导作用。这在微波遥感中有实际意义。利用水汽(22.2和183.3G Hz处)和氧(在50~70GHz范围内和118.7GHz 处)的吸收谐振,通过在最大吸收处及其附近频率的辐射测量可以确定大气的水蒸汽和温度沿高度的剖面分布。在吸收最大值之间存在若干适合于地物观测的低衰减的%大气窗口&,特别是35GHz窗口。

图5是根据该地区各月份的气象数据计算得到的大气吸收衰减随季节变化的关系曲线。由图可见,衰减值以夏季值最大,冬季值最小(微波频率60GHz的情况相反);频率越高,随季节变化越大。

表1给出了收发点高度分别为58km和0km时,电波衰减与发射仰角的计算数值。高于58km时为电离层,其中干空气和水汽的密度大大下降,我们认为大气吸收衰减可以忽略。

表1 大气层气体单程总衰减/dB

T able1 S ingle pas s attenuation by atmospheric gases

frequency/GHz

elevation angle/(?)

310456090

58.788 2.7840.6870.5610.486

109.118 2.8910.7140.5830.505

602141.263780.301196.815160.796139.296

10036.60111.779 2.914 2.379 2.061

300315.119101.26325.04620.45317.714

致 谢 本文的实测大气探空剖面数据来源于由南京气象学院整理的NCEP(美国国家环境预报中心)和NCAR(国家大气研究中心)联合执行的全球大气40年逐日资料以及国内某站点的5年观测记录,特此对该单位表示感谢!

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Absorption and attenuation characteristic of microwave in

atmosphere and delaminating algorithm

MAO T ian peng, ZHOU Dong fang, NIU Zhong x ia, LIN Jing yu

(Communication Engineering Department,Institute of In f ormation Engineering,

In formation Engineerin g University,Zheng z hou450002,China)

Abstract: This paper gives an accurate calculati on model of microwave being absorbed i n atmosphere which expands the tradi tional approx imate algori thm that ignores the change of temperature,humidity and pressure and is li mi ted by transmission distance,simulates the absorption at tenuation in atmosphere of a certain area in our country according to its weather data from actual measurements,and finally analyses the propaga ti on characteristic of microwave changing wi th frequency,elevation angle and season,and briefly explai ns the practical significance of this research in microwave remote sensing.

Key words: Microwave; Oxygen attenuation ratio; Water vapor attenuation ratio; Gaseous attenuation

1324强激光与粒子束第16卷