云对通信信号传播损耗的研究--毕业设计

云对通信信号传播损耗的研究

[摘要]分析了云的基本特性，讨论了云与通信信号的相互作用机理，基于Mie散射理论，数值计算了云中球形粒子对电磁信号散射的散射特征量；结合云粒子谱分布函数，利用低空中的晴空大气对电磁波信号传播损耗经验公式，数值计算了几种常见云对电磁信号的衰减。同时基于Rayleigh散射理论，结合云对电磁波衰减系数的经验计算公式，给出了云对电磁信号衰减的数值结果，并将所得结果与Mie散射计算的结果相比较，分析了两者的差异，所得结果可为正确理解电磁信号在云中的传输特性提供参考和技术支持。

[关键词]通信信号；传播损耗；散射理论；衰减

Research on the propagation attenuation of signal of

communication caused by clouds

Abstract: Analyzing the basic characteristics of clouds, and the interaction mechanics between clouds and signal of communication is discussed, Based on Mie scattering theory, the scattering characteristical quantity of spherical particles in clouds action with electromagnetic signal are numerical calculated. Combining with the spectral distribution function of particles in clouds and using the experiment formula of propagation attenuation of electromagnetic signal in low atmospheric with clear sky, the author numerical calculating the attenuation of electromagnetic signal caused by several common clouds. Meanwhile, based on Rayleigh scattering theory and combining with the experiment formula of attenuation coefficient of electromagnetic wave caused by clouds, the numerical results of attenuation of electromagnetic signal caused by clouds are given. The results which calculated by Mie theory and Rayleigh individually are compared and their difference is analyzed, this can provide conference and technology support for correct understand the propagation characteristics of electromagnetic signal through clouds.

Key words:communication signals, propagation attenuation, scattering theory, attenuation

目录

引言 (1)

1 云的形成、种类及基本特性 (1)

1.1云的形成 (1)

1.2云的种类 (2)

1.2云的特性 (2)

2 通信信号与大气粒子的相互作用 (5)

2.1大气分子对通信信号影响 (5)

2.2大气气溶胶粒子对通信信号的影响 (5)

2.2.1气溶胶对通信信号的散射作用 (5)

2.2.2气溶胶对通信信号的吸收作用 (6)

2.3大气湍流对通信信号的影响 (6)

2.3.1大气湍流的形成 (6)

2.3.2大气湍流对通信信号的影响 (6)

2.4大气对水平方向通信信号的吸收 (6)

2.5大气对斜路通信信号的吸收 (9)

2.6地空路径干湿空气的吸收 (10)

3 云对通信信号衰减的计算 (13)

3.1 相关参数的概念 (13)

3.2Mie散射理论下的云的衰减 (16)

3.2.1.Mie散射理论的特点 (16)

3.2.2云对电磁信号的衰减计算 (18)

3.3 Rayleigh散射的概念及特点 (21)

3.3.1Rayleigh近似理论 (21)

3.3.2云对电磁信号的Rayleigh近似 (22)

3.4两种理论下结果的比较 (24)

4 结语 (25)

致谢 (25)

参考文献 (26)

附录-外文翻译 (27)

引言

随着社会的进步和科学技术的飞速发展，人类已经进入信息社会，各种信息的传递已成为主流话题，移动通信作为现代人们之间交流和联系的一种主要手段，已经和人们的生活息息相关，如何提高移动通信中的传输质量就成为当前移动通信中急需解决的问题。移动通信信号传输质量的提高不仅取决于信号发射和接收装置的性能，而且还取决于信号的传输环境。作为成分复杂，变化多样的大气，是移动通信信号传播的主要通道，云成分的复杂性和多变性是对通信信号传输质量面临的严重问题，一方面云会吸收通信信号的能量，降低信号的传输质量。另一方面，云的分子和粒子会散射通信信号，改变通信信号的传输方向，影响信号的传输质量。研究云对通信信号的影响对提高通信信号的传输质量具有重要的意义。

无线移的实质是携带有用户所需信息的电磁波经过发射、传输最后被用户接收，电磁波在传输过程中不可避免的会与各种介质相互作用，一旦携带有用户所需信息的电磁波与介质相互作用，势必会引起通信信号的各种衰减，从而影响通信质量，因此研究通信信号的衰减特性对提高通信质量具有重要的应用价值。大气空间作为无线通信的主要传输环境，其对通信信号的影响已成为当前研究的热点和难点问题，主要原因在于大气环境是瞬变且具有非常不稳定的因素，大气环境中的大气分子、气溶胶粒子以及云等各种介质都会影响通信信号的传输质量，一旦通信信号和这些介质相互作用，必将导致通信信号的衰减。

云对电波传播的影响研究开始与20世纪60年代美国国防部，他们不仅进行了理论上的研究，而且也做了大量的实验工作，得到了大量实验数据，后来Chairls等人使用这些数据证实了一种理论传播模型，该模型证明当电波频率低于200MHZ时，长距离通过电波传播主要是通过表面波进行，后来由于宽带数字通信的迅速发展，移动通信的频率主要在UFH频段，这已经不同于以前的通信模型。为适应新的通信领域的需求，大量学者使用实际测量的方法建立电波经过云层时的传播模型，其中比较成熟和适用范围较广的是Okumura-Hata模型，见参考文献[1-2]。该模型是在东京城区和郊区通过大量树林进行实际测量，对所得的数据进行统计分析所得。该模型适用范围较大，一度成为人们普遍采用的标准，但随着人们对电波传播深度的研究，许多学者试图从理论上得出解析解，80年代后期，S.seker等人已通过介电常数对云层中的数字脉冲信号的电波传播进行了深入的研究，并得到了云中电磁信号传播近似的解析解[3-4]。

本文主要研究云对通信信号的影响，云衰减是电波在云中传播的时候由于云的吸收和散射而造成的影响。当电波的的波长远大于云的直径的时候，衰减主要由云的吸收引起。当电波的波长变小或云的直径变大时，散射衰减的作用就增大。为了有效地传播通信信号，就必须研究云对通信信号在各个不同状况下的影响。

本文主要由四大部分组成，第一部分主要阐述云的形成、分类及其基本特性；第二部分分析了通信信号与大气粒子的相互作用机理；第三部分给出通信信号在云中衰减的数值结果并得出相关结论；最后得出结论在较低频率范围内，Rayleigh散射和Mie散射衰减差值不是很大，但是在大于20GHZ时，利用Mie散射理论和Rayleigh散射理论计算的衰减差值较大。

1 云的形成、种类及基本特性

1.1云的形成

云的形成过程是地球上水文循环的一个环节。由于海洋、湖泊、河川、土壤及动植物均无时无刻将水份蒸发至空气中，水汽凝结后，即成为微细的小水滴或冰晶，再凝聚浮悬于空中而成为肉眼可见的云。云随着气流的推移，时聚时散，云量过多水滴变大即以降雨、冰雹或下雪的方式回归至地表。如此周而复始的循环，衍生出各种天气变化，同时变化多端的云也将天空衬托得变化莫测、多彩多姿。水汽凝结成小水滴是附着在凝结核之上，最能发挥凝结核作用的是盐和燃烧物的微粒。而凝结核的含量以海洋上最多，通常都市也多于乡村。如果温度降得很低，在-40度C以下，水汽就直接升华为冰晶，冰晶所依附的中心核为升华核，