电磁波在对流层中传输与散射若干问题研究

论文摘要

电磁波在对流层晴空大气及降雨、降雪、沙尘等气象环境中的传输效应对无线电电子系统有重要的影响,电磁波在对流层中的传播与散射特性研究,是一项既取得了一定的理论和实验成果同时也面临着新挑战的课题。随着无线电电子技术的发展,电波传播工作者开始考虑一些新问题,例如:未来的通信频段和对信号的传输质量要求将会不断提高,那么电磁波在对流层中传输、散射效应的计算及预报模型的精度能否适应新频段、新技术和新精度的要求;空间环境控制和人工改变技术是空间环境军用和民用的重要方面,能否通过某种人为干预手段,改善无线电电子系统通信效果,拓展其在军事、民用等方面的应用,开发新的通信技术;如何结合随机介质中的波传播理论,研究和评估信号在对流层中的传输、散射效应对新的通信技术的影响机理及影响程度,如何对抗这些影响。所以,研究电磁波在对流层中的传输、散射特性,对提高无线电电子系统的性能和发展无线通信技术有重要的理论意义和实用价值,本文就电磁波在对流层中的传输、散射的若干问题展开研究,主要工作及研究成果如下:研究了声波干扰改变晴空大气折射指数起伏特性的机理,推导出了大气折射指数起伏特性与声波参数的关系,得到了声波干扰下单位体积散射截面的计算公式,且做出计算、仿真和讨论。结合降雨、沙尘等离散随机介质的介电特性研究状况,分析了部分现有模型的特点,提出一个改进的计算离散随机介质等效介电常数的计算模型,以降雨环境为例进行了计算、仿真和讨论,并且对模型进行了分析和评估。利用本文得到的等效介电常数计算模型,提出了修正计算雨致特征衰减的ITU-R模型中参数的方法,该方法可以结合特定地区降雨的物理特征,更精确地考虑雨致特征衰减ITU-R计算模型参数受雨滴尺寸、分布和温度等影响,提高对雨衰的计算精度。以Weibull谱为例做了计算、仿真和分析,得出了Weibull谱分布情况下,对ITU-R模型参数的修正结果,利用修正结果计算了雨致特征衰减,并且与实测结果做了比较。拓展了现有文献中利用非一分钟降雨率预报雨衰的建模方法,提出了利用10分钟累积降雨率预报降雨衰减的建模方法。以我国部分地区的10分钟降雨率测量结果和鑫诺I号等卫星参数及雨衰测量结果为例,建立了利用10分钟降雨率预报雨衰的模型,对模型做出评价和分析。分析了降雨和雨衰时间序列的特点,以雨衰时间序列为基础,建立了预报雨衰短期、实时、动态特性的ARIMA预报模型。利用实验测量的雨衰时间序列的频谱特性,对文中预报模型得到的降雨衰减实时、动态序列进行了检验,并且对本文得到的模型进行了评估和分析。以圆柱目标和降雨环境为例研究了随机离散介质环境中目标的信杂比,研究结果表明,信杂比最优化与收、发天线极化状态密切相关,而且雨滴粒子的形状对最优信杂比对应的极化状态影响明显,所以实际应用中需要根据降雨环境物理特征,计算目标回波信号信杂比与收发天线极化状态关系,以便及时调整天线最佳极化状态,使得接收信号信杂比最优化。本文的讨论方法对沙尘和降雪等环境也适用。分析了多径传输环境下接收端信号特点,以及研究接收信号包络概率密度函数的必要性。用随机介质中的波传播理论,研究、分析了降雨、降雪等恶劣气象环境对多径信道包络概率密度的影响机理,分析了在降雨、降雪等环境中多径传输模式可能发生的变化。以降雨环境和全向天线为例仿真、计算了降雨对多径信道包络概率密度的影响。对本文的仿真结果做出了分析,结果表明本文处理问题的方法和研究结果,对于高增益、窄波束天线情况也适用。研究了对流层大气及其中沉降粒子对通信系统噪声的影响机理及重要性。以本文研究结果为基础,仿真了ITU推荐各雨区的降雨特征衰减的年时间统计分布,利用本文得到的雨衰预报模型,以鑫诺I号等卫星参数为例,仿真了我国部分地区降雨导致的噪声温度年时间百分比分布,以及由于降雨影响导致系统G/T下降的年时间百分比分布。研究结果表明,降雨对噪声温度的贡献不可忽略,在具体的通信系统需要结合特定地区降雨、降雪等气象环境的物理特征,精确分析衰减和散射特性,评估它们对系统噪声的影响。探讨了恶劣气象环境如何影响MIMO系统,分析了降雨、降雪等对流层气象环境可能对MIMO系统的影响。从理论角度探讨了降雨、降雪等对流层气象环境对MIMO系统信道容量的影响,以降雨环境和特定的天线结构为例,仿真了降雨衰减对MIMO系统信道容量的影响,结果表明降雨衰减对MIMO系统信道容量的影响明显。因此,对MIMO通信系统的设计过程中有必要考虑对流层气象环境的影响因素。研究了声波干扰下对流层散射通信系统的散射损耗,将声波干扰下的散射损耗与没有声波干扰情况下散射损耗进行了对比,并且对研究结果做出分析、讨论。研究结果表明,声波干扰可以有效减小对流层散射通信散射损耗,声波干扰可以有效改善散射通信系统的性能和稳定性,声波干扰对流层对扩大散射通信系统应用领域可望有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 对流层介电特性研究现状
• 1.2.2 晴空大气中电磁波波传输、散射特性研究现状
• 1.2.3 降雨、沙尘等气象环境中电磁波传输、散射特性研究现状
• 1.3 论文安排及主要工作和创新点
• 1.3.1 论文安排及主要工作
• 1.3.2 论文的创新点
• 第二章 对流层介电特性研究
• 2.1 对流层晴空大气介电特性概述
• 2.1.1 对流层晴空大气及其介电特性描述
• 2.1.2 对流层晴空大气折射指数梯度分布
• 2.1.3 晴空大气折射指数起伏特性
• 2.2 声波干扰改变对流层晴空大气介电特性研究
• 2.2.1 研究背景、意义及国内外研究状况
• 2.2.2 声波干扰改变对流层晴空大气射指数机理
• 2.2.3 仿真和讨论
• 2.3 恶劣气象环境介电特性研究
• 2.3.1 恶劣气象环境介电特性研究现状及分析
• 2.3.2 改进的恶劣气象环境等效介电特性模型
• 2.3.3 仿真和讨论
• 2.4 本章小结
• 第三章 电磁波在对流层中传输、散射特性研究
• 3.1 电磁波在对流层晴空大气中的传输、散射特性
• 3.1.1 电磁波在晴空大气中的传输、散射特性概述
• 3.1.1.1 电磁波在对流层晴空大气中衰减特性
• 3.1.1.2 对流层晴空大气对电磁波的去极化效应
• 3.1.1.3 对流层晴空大气对电磁波的散射效应
• 3.1.2 声波干扰下对流层晴空大气散射特性
• 3.1.3 讨论和分析
• 3.2 电磁波在恶劣气象环境中的传输、散射特性
• 3.2.1 电磁波在恶劣气象环境中散射特性
• 3.2.2 电磁波在恶劣气象环境中衰减、去极化理论
• 3.2.2.1 电磁波在恶劣气象环境中衰减理论
• 3.2.2.2 电磁波在恶劣气象环境中去极化理论
• 3.2.3 电磁波在降雨环境中衰减、去极化实用算法
• 3.2.3.1 降雨特征衰减解析计算模型
• 3.2.3.2 降雨环境下去极化实用计算模型
• 3.3 电磁波降雨衰减的长期统计特性及动态特性
• 3.3.1 降雨衰减长期统计特性预报模型分析
• 3.3.1.1 地面视距链路降雨衰减预报模型
• 3.3.1.2 地-空链路降雨衰减预报模型
• 3.3.1.3 地-空链路降雨衰减预报建模新思路
• 3.3.2 降雨衰减动态特性预报模型
• 3.4 降雨环境中去极化预报模型
• 3.5 恶劣气象环境下目标散射极化特性研究
• 3.5.1 恶劣气象环境的散射矩阵
• 3.5.2 有限长圆柱目标在恶劣气象环境中的散射矩阵及信杂比
• 3.5.3 仿真与讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 恶劣气象环境对多径信道包络概率密度的影响
• 4.1 多径传输信道及接收信号的包络概率密度函数
• 4.2 恶劣气象环境对多径信道包络概率密度影响
• 4.2.1 恶劣气象环境对多径信道包络概率密度的影响机理
• 4.2.2 恶劣气象环境对多径信道包络概率密度影响研究
• 4.3 仿真和讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 大气及沉降粒子对卫星通信系统噪声的影响
• 5.1 噪声温度及天线噪声温度概述
• 5.1.1 噪声温度及大气噪声
• 5.1.2 天线噪声
• 5.2 大气及大气沉降粒子对噪声温度的影响
• 5.2.1 大气气体辐射噪声
• 5.2.2 大气沉降粒子对噪声温度的影响
• 5.3 仿真和讨论
• 5.4 本章小结
• 第六章 恶劣气象环境对MIMO 信道影响
• 6.1 MIMO 信道及恶劣气象环境对MIMO 系统影响
• 6.2 恶劣气象环境对MIMO 信道容量影响
• 6.3 仿真和讨论
• 6.4 本章小节
• 第七章 声波干扰对对流层散射通信系统散射损耗的影响
• 7.1 对流层散射通信简介
• 7.2 对流层散射通信散射损耗
• 7.3 仿真和讨论
• 7.4 本章小结
• 第八章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士期间完成的论文和工作