微波斜径传播对流层大气湍流结构常数模型

微波斜径传播对流层大气湍流结构常数模型
杨瑞科! ) 吴振森! ) 赵振维&
（ !* 西安电子科技大学理学院， 西安 +!""+! ； &* 中国电波传播研究所， 青岛 &%%"+! ）
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摘) 要： ) 在微波遥感和卫星通信领域内， 对流层湍流大气引起的信号闪烁现象的研究是至关重要的一个问 题。引起接收信号闪烁的大气折射率起伏一般由大气结构常数 ! " & 来度量。根据 ,-.$/ 光波波段的 ! " & 模型及 建立了微波波段的 ! " & 模型。其 ,-.$/ 幅度闪烁标准偏差 ! " 的经验模型讨论了在微波波段影响 ! " & 的主要因素； 优点是考虑了大气温度和湿度随高度的变化。根据湍流的幅度闪烁理论， 在频率分别为 !&012， &"012 和 ’"012 并与 ,-.$/ 和 3456789 模型的预测结果进行了比较， 结果表明一致性较好， 说明该 ! " & 模 时， 用该 ! " & 模型计算了 ! " ， 型是实用的。 关键词： ) 斜程传播， 对流层， 相对湿度， 大气结构常数模型， 幅度闪烁
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收稿日期： &""&$"W$&% ； 定稿日期： &""’$"&$&( )
万方数据
第 5J 卷第 " 期
杨瑞科等： 微波斜径传播对流层大气湍流结构常数模型
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行对流层闪烁的预测， 设计和使用地!空通信系统， 对象我国这样缺少相应卫星通信实验信道的国家和地区 尤为重要。 国际电 大气中温度、 湿度和压力的变化引起折射率的变化， 是影响 ! " " 的主要因素。对于 ! " " 的研究，
!" 幅度闪烁理论和大气结构常数现有的模型
由于接收信号的对数幅度闪烁是由湍流大气的折射率起伏引起的， 而对流层湍流大气折射率起伏主要 决定于大气结构常数。因此， 下面介绍一下对数幅度闪烁理论。 ! ) #" 对数幅度闪烁理论
［ "］ 对流层湍流大气的折射率起伏会引起接收信号的幅度起伏， 根据 $*+*,-./ 湍流介质中的波传播理论 ，
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直接从一般可得到的气象参量确定像 ! " " 这样的参数 式中的 ! " " 是沿地!空路径变化的量。沿给定斜路径， 值是不容易的。故上式的计算存在一定的困难。目前， 为了获得对数幅度闪烁方差还没有应用该式直接进 行积分的。对于象我国这样缺少通信实验信道的国家和地区， 无法直接测量 !" 但通过建立 # 的垂直变化， ! " " 模型不仅可以预测将要建立站点处的大气结构及 !" 而且可以大大减少资金和时间。因此， 非常有必要 #， 建立斜路径上湍流结构常数 ! " " 的模型。 !$ !" %&’() 的 ! " ! 模型 #$%!& 在 "445 年提供了在光波波段计算斜路径上湍流结构常数 ! " " 随高度变化的模型公式， 其表示形
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［ ’］ 信联盟无线电通信部 （ #$%!&） 已给出了 ! " " 随高度变化的模型 。该模型应用于光波波段的地!空通信相当 ［ (］ 好 ， 但不能直接应用于微波波段。而在微波波段对于 ! " " 的研究开展的还不多。本文将在分析微波波段
幅度闪烁模型的基础上， 根据对流层湍流幅度闪烁的基本理论， 考虑温度和湿度的垂直变化来讨论微波波段 的 ! " " 随高度变化的模型。
议至少可应用到 34012。!"#$% 信号幅度起伏的标准偏差预测公式为：
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第 !M 卷第 & 期 ) ) ) ) ) ) ) ) ) &""’ 年 % 月 文章编号： !""#$%!&& （ &""’ ） "&$""%($"#
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微) 波) 学) 报
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［ !］ >L ； 因此， 对于设计低仰角卫星通信系统来说， 闪烁现象的量化研究就更为必要 。然而， 对流层闪烁大小 ［ &］ 通常由大气折射率起伏的结构常数 （ !" & ） 来度量 ； 而更重要的是， ! " & 与接收信号的质量有关， 会直接影响
因此， 建立较好的 ! " & 模型进 接 收信号的幅度及系统的信噪比。 对于 ! " & 的直接测量一般是比较困难的，
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［ ’］ 式为 ： " ) 2> " !（ / ,9- -54 CDE （ ) - * 5444 ）0 " ( = . 54 )5> CDE （ ) - * 5244 ）0 !4 CDE （ ) - * 544 ） （ ( ） " - ） % B ( 5(B . 54
其中， - 是从地面算起的高度， !4 是 ! " " 在地面处的标称值 （ 典型值为 5) = F 54 G 5( 9 G " H ’ ） 。 / ,9- 为沿垂直路径 的均方根风速， 典型值为 / ,9- I "59 H -。 这个 ! " " 模型可应用于地球上任何点处的一般的系统设计。然而， 从一地区到另一地区， ! " " 会有一定 的变化， 因此， 对一个地区 ! " " 特性的了解是重要的且应先于系统的发展。 ! ) *" 预测幅度起伏标准偏差的经验模型
折射率起伏引起的接收信号幅度起伏强度一般可用信号对数幅度起伏的方差 !" 其单位是 01" 。对 # 来表示，
［ 2］ 于路径长度为 $ 的均匀湍流或局部均匀湍流， 假设为点接收时， 对数幅度变化的方差 !" ： # 可由下式给出 3
0" ! % " ! & $ "’（ $（ " "） # "）
4
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[
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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3 3 其中 # 是波的频率， 以 012 为单位； ’5 ! ’ ! 在 （-） 式中 - ! + % 33 ’（ $ 是有效天线直 5 # $ . ） ! 4 % 4;>/ /’ 5 $ . ， 径， ’ 为天线的实际直径， 根据实测所得， 一般取值为 4D / . 4D - ， 在此取为 4D ; 。. 是湍 $ 是天线的效率因子，
[
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（"）
这里 +4 和 $4 分别为湍流的内尺度和外尺度。 其中 & 为波数， 对于微波区域， +4 * & A $1$4 * & 是有效的， 对于一般的路径， ! " " 不是一个常量， 尤其对于地!空路径， ! " " 随高度的变化是显著的。因此， 对于大气 是非均匀的斜径传播路径， ! " " 需要沿路径进行积分。则对数幅度起伏方差 !" # 可表示为：
流中的斜径长度， . ! 30
3
（>）
)BC # ) 3 0 $ 1 5 ) )BC# ! 该模型包含了气象参数 + （ 相对湿度E ） 和, （ 平均温度F ） ， 且假定湍流层的高度为 +444G。 3D <D 38 H(=BI5) 经验模型 JD KD L’(2’CM 等人根据从 !=’N)’= 卫星获得的实验数据， 对 !"#$%、 &’(’)’*’ 和 H(=IB5) 模型在 +4 . <4012
万方数据 ") ’) 5@ #$% 预测模型
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微8 波8 学8 报
344< 年 , 月
［ +］ !"#$% 根据传播实验数据， 基于日本 &’(’)’*’ 等人提出的模型 ， 建立了一个预测地$空路径上由于闪 ［ ,］ 。该模型在频率为 - . +/012 范围内已被实验验证， 并建 烁引起信号对数振幅起伏的标准偏差 ! " 的模型
G ) 引言
在卫星通信和微波遥感的地$空路径上， 对流层大气湍流引起大气折射率的起伏， 当微波信号在其中传 播时， 会引起接收信号的闪烁， 即引起接收信号电平的振幅和相位起伏。当信号频率高于 !"012 时， 对流层 闪烁现象的研究是一个相当重要的实际问题； 尤其在低仰角传播路径上， 闪烁产生的衰落可能会达到几个