云霧對THz波傳播的衰減研究

云霧對THz波傳播的衰減研究

盧昌勝1吳振森1趙振維2林樂科2張鑫2李海英1

(1.西安電子科技大學物理與光電工程學院,陜西 西安 710071;

2.中國電波傳播研究所 電波環境特性及?；夹g重點實驗室,山東 青島 266107)

摘要基于云霧的粒子尺寸分布,利用Rayleigh近似和Mie理論計算了不同能見度和含水量的云霧對THz波的傳播衰減．結果表明:THz波段的云霧衰減較微波、毫米波段的衰減嚴重得多;THz波段的云霧衰減隨能見度的減小和含水量的增加而增大,對于相同能見度和含水量的云霧衰減并非隨頻率的提高而單調增加;同時溫度對THz波段的云霧衰減影響不大,在整個THz波段并不存在明顯的規律．

關鍵詞THz波;傳播衰減;云霧滴尺寸分布;Rayleigh近似;Mie理論

中圖分類號TN011

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0718-05

AbstractBased on the fog drop size distribution (DSD) model of radiation and advection fog,the propagation attenuation of the fog is obtained in THz band by using Rayleigh absorption approximation and Mie theory. The results show that the fog attenuation in THz band is larger than that in microwave and millimeter band. The attenuation is increases as the water content increases or as the visibility decreases. The attenuation of fog with same water content or visibility varies non-monotonically with frequency increases. Meanwhile, the effect of temperature is not significant during the range fog can presence and has no regular pattern in the THz band.

收稿日期：2014-09-24

作者簡介

Attenuation of Terahertz-wave due to cloud and fog

LU Changsheng1WU Zhensen1ZHAO Zhenwei2LIN Leke2

ZHANG Xin2LI Haiying1

(1.XidianUniversity,SchoolofPhysicsandOptoelectronic

Engineering,Xi’anShaanxi710071,China;

2.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstitute

ofRadioWavePropagation,QingdaoShandong266107,China)

Key wordsTHz; propagation attenuation; fog and clouds DSD; Rayleigh approximation; Mie theory

資助項目: 國家自然科學基金(No.61179003,61401410,61471329)

聯系人： 盧昌勝 E-mail: lcsqmx@163.com

引言

THz波的電磁頻率在0.1～10 THz(1011～1013Hz)之間,介于微波和紅外波段之間,由于處于電子學向光子學的過渡領域,它集成了微波通信與光通信的優點．相比較這兩種通信手段,THz波通信表現出一些特有的優良性質．較微波通信:其通信容量大,波束更窄,方向性好,可以探測更小的目標以及更精確地定位;具有更好的保密性及抗干擾能力．較光通信:THz光子能量低,能量效率更高;THz波具有很好的穿透沙塵的能力,可以在大風沙塵以及濃煙等惡劣環境下進行正常通信工作．然而THz通信也具有明顯的局限性．例如在THz波通過大氣時,水蒸氣等導致的強吸收使得其效率降低．由于THz無線電系統的工作波長與云滴、霧滴的尺度相當,因此云滴、霧滴對THz信息系統的影響較對毫米波系統的影響嚴重得多,這將嚴重制約未來THz頻段信息系統的設計和應用保障．因此需要對云霧的THz波傳播特性進行深入研究．

1云霧的物理特性

霧是由懸浮在近地面空氣中緩慢沉降的水滴或冰晶質點組成的一種集合體,霧也可以看作是與地面接觸受地面阻止其垂直運動的云．根據霧的能見度和含水量的不同又將霧分成不同的類型,能見度低于50 m的為重霧,能見度低于200 m的為濃霧,能見度低于500 m的為大霧,能見度大于1 000 m的霧稱為輕霧或靄[1]．觀測表明,霧滴半徑通常在1～60 μm之間．根據形成霧的地域和形成霧的機理,可把霧分成平流霧和輻射霧．一般認為海霧為平流霧,內陸霧為輻射霧．輻射霧的霧滴直徑通常小于20 μm,而平流霧的平均直徑具有20 μm量級．云具有與霧相類似的特征．

根據實測滴譜分布的不同,人們采用不同的模型來描述云霧滴譜,使用最多的云霧滴譜分布為廣義gamma分布[2]

n(r)=arαexp(-brβ)．

(1)

式中: r為霧滴半徑; n為單位體積、單位半徑間隔內的霧滴數,若霧滴的半徑單位用m,其單位為m-4,若霧滴的半徑單位用μm,其單位為m-3μm-1;其他參數為確定霧滴尺寸分布的參數．被廣泛采用的另一種較為簡單的云霧滴譜模型為α=2,β=1時的Khragian-Mazin霧滴譜模型[3]:

n(r)=ar2exp(-br),

(2)

其單位為m-4．

在這種模型下云霧尺寸分布參數與宏觀物理量之間的關系更為簡潔．趙振維在此基礎上導出了平流霧和輻射霧滴譜分布與能見度V和含水量W之間的關系[4]:

n(r) =1.059·107V1.15r2exp(-0.8359V0.43r)

=3.73·105W-0.804r2exp(-0.2392W-0.301r);

(3)

n(r) =3.104·1010V1.7r2exp(-4.122V0.54r)

=5.400·107W-1.104r2exp(-0.5477W-0.351r)．

(4)

式(3)和(4)中n的單位為m-3μm-1

圖1分別給出了不同能見度和含水量的平流霧粒子尺寸分布．

(a) 不同能見度

(b) 不同含水量 圖1　平流霧粒子分布

影響霧的含水量和能見度主要是霧滴尺度的不同．從圖1可以看出:大尺寸的粒子含量越多,能見度越小;反之,大粒子的含量越少,能見度越大．對于含水量來說,顯而易見,含水量越大,大尺寸的粒子含量越多;反之,大粒子的含量越少,含水量越少．

為了計算云霧在THz波段的輻射衰減,需要知道水的復折射指數．W.J.Ellison在廣泛收集實驗數據的基礎上建立了純水的復折射指數的計算方法[5],該方法適用的頻率范圍為[0, 25]THz,溫度范圍為[0,100]℃．因此,采用該方法計算云霧在整個THz波段的復折射指數．圖2給出在溫度為0 ℃時THz波段的復折射指數分布．

圖2　THz波段純水的復折射指數分布

2云霧對THz波的衰減特性

粒子散射的計算通常引入尺度數α,α=2πr/λ,并按α的大小將散射分為三類:Rayleigh散射、Mie散射和幾何光學散射．當α?1,一般采用Rayleigh散射理論進行計算;當0.1<α<50時,用Mie散射理論進行計算;當α>50時,用幾何光學理論進行計算．由于云霧滴半徑(1～50 μm)與THz波長(30～3 000 μm)比較,在THz波波長低端與云、霧滴尺寸相當,在THz波段波長高端較云、霧滴尺寸大．因此需要根據尺度數的大小靈活選擇．不同頻點和粒子半徑處計算方法的選擇如圖3所示．圖中左上角藍色區域采用Rayleigh近似方法計算,紅色區域采用Mie理論計算．

圖3　云霧在THz波段計算方法選擇

Rayleigh近似時云霧滴的吸收截面遠大于散射截面,體消光系數近似等于體吸收系數,其值為單位體積所有云霧粒子吸收截面值和,因此云霧特征衰減可表示為[4]

(5)

式中: Qa(r)為半徑為r粒子的吸收截面; γ的單位為dB/km．隨著α的增大Rayleigh近似不再適用,需要使用Mie理論計算云霧滴的消光截面Qt(r),此時用Qt(r)代替式(5)中的Qa(r)．

下面分別從能見度、含水量和溫度三方面研究云霧對THz波的傳播衰減．首先研究霧的能見度和含水量對THz波的傳播影響．圖4給出了能見度V為30、100、200、500m及含水量W為10、1、0.1、0.01gm-3時平流霧在環境溫度為0℃時的特征衰減．

(a) 不同能見度

(b) 不同含水量 圖4　平流霧的特征衰減

從圖4可以看出,THz波段云霧衰減較微波、毫米波段的衰減要嚴重得多．能見度為30m的平流霧(重霧)在THz波段的高端特征衰減甚至達到了700dB/km．能見度為500m的平流霧(大霧)的特征衰減也達到了30dB/km．

從圖4還可以看出,霧的THz波傳播衰減不是頻率的單調函數．在薄霧時,衰減隨頻率的增加而單調增加;重霧時,在THz波段低端霧衰減隨頻率的增加而增大,但在THz波段的高端霧衰減隨頻率的增加略有下降．這是因為在THz波段低端,波長較霧滴尺度大得多,對其計算采用Rayleigh近似,其衰減與頻率成正比,與波長成反比,因此特征衰減隨頻率的增加而增大;在THz波段高端,霧滴的尺度與波長相當,其散射處于Mie散射的振蕩區域．其平均消光截面大于光學極限值(2πr2),隨著頻率增加,波長變短,其衰減趨于光學極限,造成衰減隨波長的變短而略有減?。芤姸容^大和含水量較少的霧含有更多的小尺寸粒子,在整個THz波段其衰減主要由Rayleigh近似計算結果決定,因此這些霧的衰減隨頻率的提高而單調增大．

從圖5可以看出,具有相同能見度的平流霧衰減大于輻射霧衰減．這是由于在相同能見度條件下,輻射霧的霧滴小而多,而平流霧的霧滴大而少．

由于水的復折射指數是溫度的函數,因此云霧的特征衰減也應是溫度t的函數．圖6給出了相同含水量(W=0.1gm-3)的輻射霧在不同環境溫度下的變化曲線．

圖5　輻射霧和平流霧的衰減比較

圖6　溫度對霧衰減的影響

從圖6可以看出,在THz波段低頻區域,特征衰減隨溫度的增加而減小,而區域邊界又與霧的含水量和能見度有關．同時,溫度變化對特征衰減的影響在不同的含水量和能見度條件下也是不同的．因此,在THz波段中云霧的特征衰減隨溫度的變化沒有明顯的規律．

在THz波段云霧的傳播衰減隨頻率的提高而增大,而大粒子含量較多的重霧在THz高頻段的衰減隨頻率提高略有降低．另外云霧衰減隨能見度的減小和含水量的增加而增大．在云霧存在的溫度范圍內,溫度對云霧衰減的影響較小且在整個THz波段不存在明顯的變化規律．

3結論

通過本文的研究表明THz波段云霧衰減較微波、毫米波段的衰減嚴重得多．云霧衰減隨能見度的減小和含水量的增加而增大．對于相同能見度和含水量的云霧衰減并非隨頻率的提高而單調增加．同時,環境溫度對THz波段的云霧衰減影響不大．本文通過對云霧在THz波段傳播特性的研究可以為THz信息系統的設計提供基本信息．下一步則需要通過收集不同氣象條件下的傳播數據建立傳播模型為系統的余量設計、運行和維護提供技術支持．

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盧昌勝(1983-),男,甘肅人,西安電子科技大學博士研究生,主要從事毫米波、太赫茲波大氣傳播特性方面的研究．

吳振森(1946-),男,湖北人,西安電子科技大學教授,主要從事無線電物理、光學以及等離子體方面的研究．

趙振維(1965-),男,河北人,研究員,博士,中國電子科技集團公司首席專家,中國電波傳播研究所副總工程師,電波環境特性及其?；夹g重點實驗室常務副主任,長期從事電波環境及其傳播特性的研究和國際標準的制定．

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