海面上電波傳播環(huán)境衰減處理方法的研究與仿真＊

（1.92785部隊 秦皇島 066000）（2.海軍裝備部 北京 100841）

1 引言

電波在海上低空對流層大氣環(huán)境中傳播時，將受到各種氣體、液體凝結物和固體凝結物的影響。氣體一般有穩(wěn)定性氣體和可變性氣體兩種［1］。穩(wěn)定性氣體是指氣體含量隨時間變化非常小，一般可忽略不計，認為不變。它主要由氨（N2）、氧（O2）、氬（Ar）、氖（Ne）等氣體組成，約占大氣總量的99.97%?？勺冃詺怏w是指氣體含量隨時間和位置變化很大。它主要由二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、水汽（H2O）等氣體組成，約占大氣總量的0.03%。研究表明對于海上電波傳播影響最大的主要是氧氣（O2）和水汽（H2O）。大氣凝結物主要有水凝結物、沙塵、灰塵等，其中水凝結物主要有云、霧、雨、雪、冰晶體、凍雨等。研究表明對于海上電波傳播影響最大的主要是雨即降雨。本文主要研究氧氣（O2）、水汽（H2O）和降雨對海上電波傳播的影響。

2 水汽吸收的處理方法與仿真

對于水汽吸收的研究，主要是計算水汽吸收衰減率，準確的方法是計算出所有水汽吸收線對應的頻率對電波傳播的吸收影響。但是這種方法計算量大，不利于實際使用。為了研究方便，人們提出了許多實用的模型。目前主要的計算模型有MPM 模型、簡化MPM 模型、CCIR 模型和Gibbins模型。MPM 模型主要適用于頻率在1～1000GHz的電波吸收衰減率的計算，計算比較準確，存在的局限性是計算相對比較復雜；簡化MPM 模型對MPM 模型進行了簡化處理，主要適用于頻率在300GHz以下的電波吸收衰減率的計算。CCIR 模型和Gibbins模型主要適用于地表附近空間，頻率在350GHz以下的電波吸收衰減率的計算，但Gibbins模型含有絕對濕度的平方項，因而比CCIR 模型計算更準確一些［1～3］。由于本文主要研究海上電波傳播，且電波頻率在微波頻段，綜合比較后采用Gibbins模型進行水汽吸收衰減率的計算。

根據(jù)Gibbins模型［3］，當大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15°C時水汽吸收衰減率γw的計算公式為

其中，γw的單位為dB／km；ρ為絕對濕度，單位為g／m3；f為電波頻率，單位為GHz；

對于大氣溫度不等于15℃，可采用溫度每升高1℃，γw減小0.6%進行修正，而海面低空大氣壓一般變化很小，可忽略不計。

實際中氣象儀測量的濕度主要是相對濕度，而水汽吸收衰減率γw計算式需要的參數(shù)是絕對濕度，因此應將相對濕度轉(zhuǎn)化為絕對濕度。其計算方法如下：

其中，RH為相對濕度；T為大氣溫度，單位為K；Ra為干空氣的氣體常數(shù)，其值為287.5J·kg-1·K-1；es（T）為氣溫T時的飽和水汽壓，單位為hPa，其表達式為

將上式代入式（2）就可求出大氣溫度為T時的絕對濕度，將絕對濕度代入式（1）就可求出水汽吸收衰減率γw。

圖1 水汽吸收衰減率隨電波頻率的變化曲線

根據(jù)上面的計算方法，可對水汽吸收衰減率進行仿真計算和分析。圖1顯示了大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15℃，相對濕度為50%、65%、80%和95%時，水汽吸收衰減率γw隨電波頻率的變化曲線。從圖中可以看出隨著電波頻率的增加，γw逐漸增大，但頻率為22.235GHz附近時，γw有一個極大值，其值比其它頻率點大許多；另外相對濕度越大，γw增加的越快。對于相同頻率時，相對濕度越大，γw就越大。

圖2 水汽吸收衰減率隨相對濕度的變化曲線

圖2顯示了大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15℃，電波頻率為10GHz、

22.235 GHz、40GHz、70GHz

和80GHz時，水汽吸收衰減率γw隨相對濕度的變化曲線。從圖中可以看出隨著相對濕度的增加，γw逐漸增大；不同的電波頻率，γw增加的快慢不同，電波頻率越大，γw增加的越快。但是當頻率為22.235GHz時，γw增加的速度大于其附近其它頻率點；如圖中所示其變化曲線比頻率40GHz的曲線斜率大，因而隨相對濕度增加的速度就快。另外相同相對濕度時，電波頻率越大，γw就越大；但是當頻率為22.235GHz時，其γw值大于其附近其它頻率點，如圖中所示對于相對濕度為80%，其γw值比頻率40GHz對應的γw值大。

3 氧氣吸收的處理方法與仿真

與水汽吸收的研究相似，對于氧氣吸收的研究主要也是計算氧氣吸收衰減率，準確的方法也是計算出所有氧氣吸收線對應的頻率對電波傳播的吸收影響。但是這種方法計算量大，不利于實際使用。為了研究方便，人們提出了許多實用的模型。目前主要的計算模型有MPM 模型、簡化模型、頻率45GHz以下吸收計算方法和ITU-R P.676-6建議的計算方法［1～2，4］。MPM 模型主要適用于頻率在10～1000GHz的電波吸收衰減率的計算，計算比較準確，存在的局限性是計算相對比較復雜；簡化模型主要適用于地表附近空間，頻率在60GHz以外頻段的電波吸收衰減率的計算。頻率45GHz以下吸收計算方法主要適用于頻率小于45GHz電波吸收衰減率的計算，其計算方法與簡化模型相比考慮了大氣壓的影響。ITU-R P.676-6建議的計算方法主要適用于地表附近空間，頻率小于350GHz的電波吸收衰減率的計算。由于本文研究海上電波傳播，且電波頻率在微波頻段，綜合比較后采用ITU-R P.676-6建議的計算方法進行氧氣吸收衰減率的計算。

根據(jù)ITU-R P.676-6建議，當大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15℃時氧氣吸收衰減率γo的簡單計算方法為

其中，γo的單位為dB／km；f為電波頻率，單位為GHz；

對于大氣溫度不等與15℃，可采用溫度每升高1℃，γo減小1%進行修正，而海面低空大氣壓一般變化很小，可忽略不計。

圖3 氧氣吸收衰減率隨電波頻率的變化曲線

根據(jù)上面的計算方法，可對氧氣吸收衰減率進行仿真計算和分析。圖3顯示了大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15℃，氧氣吸收衰減率γo隨電波頻率的變化曲線。從圖中可以看出隨著電波頻率的增加，γo逐漸增大；但電波頻率在60GHz和118GHz附近時，γo有兩個極大值區(qū)域，其值遠大于其它頻率點，此時γo的值可達幾到十幾，對電波衰減很大。

4 降雨衰減的處理方法與仿真

降雨的衰減主要是由于雨滴對電波的吸收與散射引起的。雨滴對電波的吸收常采用雨滴的吸收截面來表示，雨滴對電波的散射常采用雨滴的散射截面來表示；而降雨對電波傳播影響常采用雨滴的消光截面來表示，它是雨滴的吸收截面和散射截面的和［4］。因此降雨的衰減率γr可表示為

其中γr的單位為dB／km，Qex（D）是直徑為D的雨滴消光截面，N（D）為雨滴的尺寸分布概率密度函數(shù)。研究雨滴尺寸分布的模型有許多，其中對于一般尺寸的雨滴，最常用的模型主要有L-P（Lows-Parsons）分布和M-P（Marshall-Palmer）分布；另外還經(jīng)常使用Joss提出的用于暴雨的J-T 分布和用于小雨的J-D 分布等［1］。當已知雨滴尺寸分布的概率密度函數(shù)時，依據(jù)式（5）可求出對應的降雨衰減率γr，但是這種方法計算復雜，不利于實際使用。為了研究方便，對于海上低空對流層電波傳播，通常采用以下的計算方法：

其中R為降雨強度，其單位為mm／h；a和b為關于雨滴尺寸、電波頻率、雨溫等的求解系數(shù)。水平極化波和垂直極化波系數(shù)可分別表示為aH、aV、bH和bV，根據(jù)文獻可知系數(shù)a和b的值［5～6］。表1給出了水平極化波和垂直極化波在不同頻率條件下的系數(shù)a和b的值。

表1 系數(shù)a和b 的值

已知系數(shù)a和b在垂直和水平極化波時的值，可依據(jù)式（6）計算出降雨的衰減率γr。圖4給出了降雨強度R為0.25mm／h、5mm／h、50mm／h 和100mm／h 時，水平極化波和垂直極化波降雨的衰減率隨電波頻率的變化曲線。從圖中可以看出，隨著頻率的增加，降雨的衰減率逐漸增大；當頻率較小時，降雨的衰減率值比較小，可忽略其影響；當頻率較大時，降雨的衰減率很大，必須考慮其對電波傳播的影響。另外隨著降雨強度R的增大，降雨的衰減率迅速增大。對比圖4中的（a）和（b），可以發(fā)現(xiàn)水平極化波比垂直極化波降雨的衰減率大一些，因此降雨對水平極化波影響稍大。

圖5給出了電波頻率為1GHz、4GHz、10GHz 和40GHz時，水平極化波和垂直極化波降雨的衰減率隨降雨強度的變化曲線。從圖中可以看出，隨著降雨強度的增加，降雨的衰減率迅速增大；電波頻率為1GHz和4GHz時，即使降雨強度R很大，降雨的衰減率也很??；但是電波頻率為10GHz和40GHz時，降雨的衰減率都很大。將圖5中的（a）和（b）進行比較，也可以看出水平極化波比垂直極化波降雨的衰減率稍大一些。

圖4 水平極化波（a）和垂直極化波（b）降雨衰減率隨電波頻率的變化曲線

圖5 水平極化波（a）和垂直極化波（b）降雨衰減率隨降雨強度的變化曲線

5 海面上電波傳播環(huán)境衰減的計算方法

綜合上面討論的海上電波傳播環(huán)境中大氣和降雨對電波傳播的影響，可以將其吸收和衰減作用看作一個整體衰減因子進行考慮。該因子可包含水汽、氧氣和降雨對電波傳播的衰減，定義因子對電波的衰減率為γ，則

在實際使用中，只要知道電波的頻率、傳播的距離和傳播環(huán)境氣象參數(shù)，就可以計算出水汽、氧氣和降雨的衰減率，進而求出傳播衰減因子的衰減率γ和電波傳播環(huán)境衰減。另外通過上面的研究和分析，總的來說對于10GHz以下電波，大氣和降雨對電波傳播的影響比較小；而對于10GHz以上電波，其影響比較大。

6 結語

本文主要研究了海上環(huán)境對電波傳播衰減的處理方法，分析得出了用于計算衰減率的有效方法，運用該方法仿真分析了海上環(huán)境對電波傳播的影響。本文雖然對海上環(huán)境對電波傳播的影響進行了一些研究，但是還需要進一步的加強和完善。如海上環(huán)境對電波傳播衰減的影響規(guī)律，現(xiàn)有衰減率計算模型在海面上運用時的驗證與修正等。這些方面進一步的研究，必將會加深海上環(huán)境對電波傳播衰減的研究。

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