高功率微波大氣傳輸中的非線性衰減要點(diǎn)

1、收稿日期：2003-10-25 基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2003AA833030作者簡介:牛忠霞（1943-,男，河北棗強(qiáng)人，信息工程大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師, 主要研究方向?yàn)殡姶艌雠c微波技術(shù)、通信工程。總參鄭州科技創(chuàng)新工作站第一屆學(xué)術(shù)交流會論文高功率微波大氣傳輸中的非線性衰減牛忠霞，余道杰,楊建宏，周東方,侯彳惠亭（信息工程大學(xué)信息工程學(xué)院，河南鄭州450002摘要:高功率微波大氣傳輸過程中的衰減分為兩個(gè)部分，一是和中小功率微波相 同的氣體吸收衰減、干涉衍射衰減和雨衰減，另一是由于高功率微波作用導(dǎo)致大氣 電離或擊穿帶來的非線性衰減。本文主要討論非線性引起的衰減，并通過數(shù)值計(jì)算 比較了兩

2、種計(jì)算非線性衰減的算法。關(guān)鍵詞：高功率微波（HPM ;衰減系數(shù)；等離子 體；熱效應(yīng)中圖分類號：TN925文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號：1671-0673（2004 020115-03N on 2Linear Attenuation of H igh Pow er Microw avePropagation in AtmosphereNI U Zhong-xia , Y U Dao-jie , Y , De-ting(Institute of In formation Engineering , Zhengzhou 450002,ChinaAbstract :Attenuation in atm os

3、phere contains tw o parts :one is at 2m ospheric abs , diffraction attenuation and rain attenuation that simulate with medium and sized power microwave ; another is non 2linear attenuation due to air ionization or breakdown coming from high power microwave heating atm osphere IThis paper focuses on

4、non 2linearatten 2uation and com pares tw o kinds of arithmetics by numerical com putation 1K ey w ords :high power microwave ;attenuation index ;plasma ;thermal results1引言高功率微波大氣傳輸機(jī)理的研究，要著重解決兩個(gè)問題：電波折射和衰減。電波折射是解決引起射線彎曲、傳輸速度改變、發(fā)射角修正等問題；另一方面,當(dāng)微波電場引起強(qiáng)電離，雪崩效應(yīng)產(chǎn)生大量的電子，較高的電子濃度會產(chǎn)生非線性吸 收衰減，出現(xiàn)大氣擊穿效應(yīng)時(shí)，衰減更大。研究能

5、量傳輸?shù)乃p問題，對防御外來 HPM入侵、降低或壓制其破壞能力有參考價(jià)值;另一方面對優(yōu)化選擇高功率微波參 數(shù),提高到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的功率密度，提高HPM的作用效果亦有指導(dǎo)意義。高功率微波在大氣中傳播時(shí)，會產(chǎn)生自由空間擴(kuò)散損耗、大氣氣體衰減、水汽凝結(jié)體與沙塵衰減、地(水、海面反射干涉衰減等線性衰減；而由于電場作用引起電子密度的瞬間 急劇增長，同樣可以使微波場強(qiáng)減弱，功率密度減小，此時(shí)的衰減為非線性衰減。衰 減系數(shù)與微波頻率、大氣壓強(qiáng)、等效電場強(qiáng)度有關(guān)，本文從Appleton-Hartree (A-H公式出發(fā)，導(dǎo)出弱非線性條件下微波大氣傳輸中的衰減系數(shù)，并通過數(shù)值計(jì)算與另一公式的結(jié)果進(jìn)行了比較。2非線性

6、衰減系數(shù)非線性衰減來源于HPM與大氣的非線性作用，屬于附加衰減，其大小由電子和 其他粒子的動量轉(zhuǎn)移頻率、微波頻率決定第5卷 第2期信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)Vol. 5No. 2 2004 年 6 月Journal of In formation Engineering UniversityJun. 2004對于非磁化的碰撞等離子體，由Appleton-Hartree (A-H公式知，等效介電常數(shù)e具有以下形式：£ e = -j r £r (1其中 £ r + e 'r表達(dá)式如下：£ r =1 2 2+ u 2me' r = ucdcd2 2+ u

7、 2m(2其中，的微波角頻率，單位是H z ; cop =(N e e 2/m e 0為等離子體角頻率；e為電子電量；m為電子質(zhì)量；e為真空中的介電常數(shù)；N e =N 0e viTp為傳輸一個(gè)脈沖后的電子密度，單位是1/m 3; N 0為初始電子密度，單位是1/m 3,日間可用下式近似計(jì)算h <25kmN 0=108M07X6018(3般來說，25km以下空氣中自由電子數(shù)量相當(dāng)稀少，大約在011 ： 10/m 3之間,季節(jié)、晝夜、，準(zhǔn)確的給出其與高度的關(guān)系有很大困難.iQBai Au4PfB- Jtvnri IMMiE h*W Hufc *11 tam，但其對衰減的影響僅以高階小量形式出

8、現(xiàn)，因而自由電子密度的不確定性對 HPM大氣擊穿及衰減的研究不會帶來太大的誤差，而且在有較高精度要求時(shí)，可根 據(jù)實(shí)測大氣剖面值來計(jì)算。電子的動量轉(zhuǎn)移頻率u m與大氣壓強(qiáng)、外加等效電場強(qiáng)度的大小、粒子密度等 因素有關(guān)，一般采1994-2007 China Audemk: Journal ElectL n f li： ( iau In tin A用的分段經(jīng)驗(yàn)公式為U p =8( 1+0104(E e /p 30P054up =8( 1+01041(E e /p54P < 120(4 up=512M08(E e /p2120p0 3000H 中 p =760e -h/H為大氣壓強(qiáng)，單位是T o

9、rr (托，為氣壓的均質(zhì)大氣高度，一般取km。Ee是由做功相等得到的等效電場，表達(dá)式 如下(E m為交變電場幅值:E e =? u 22+ u 2m (5強(qiáng)微波產(chǎn)生的等離子體中的傳播常數(shù)是一個(gè)復(fù)函數(shù)，具有形式k =k 0e 二ce =k r -jk i(6式中，k 0=是自由空間的波數(shù)，而k r、k i分別為波數(shù)的實(shí)部和虛部，將(1式代入(6式得r-k 2i =k 20 £ r2k r k i =k 20 e ' r(7而 K 2r +k 2i =k 202r + & ' 12以K i = c2r+ e ' 2r -2 =a K r =c 2r+ e

10、' 2r +2= B (8時(shí) E y =E 0e -ax e j 0 x,表示波通過吸收介質(zhì)時(shí)場的衰減速率，而B表示電磁波的空間波動速率。在只考慮彈性碰撞的情況下，衰減系數(shù)a還可按下式簡化計(jì)算a =2U £ 0( CD 2 U 2m =5汨 102+U 2m(9Ne m o圖1 (8式數(shù)值分析圖2 (9式數(shù)值分析611信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)2004 年3模擬計(jì)算及分析直接從數(shù)學(xué)方法上比較兩種計(jì)算方法的差異比較困難，這里采用數(shù)值計(jì)算分析，將(2、(4式代入式(8、(9，做出吸收系數(shù)隨電場強(qiáng)度的變化曲線，結(jié)果如圖1、圖2所示。線性衰減和非線性衰減在HPM大氣傳輸過程中同時(shí)存在。對一固定

11、脈寬的微 波來講，當(dāng)電場相對較小時(shí)，線性衰減占主導(dǎo)地位，非線性衰減的量很小，可忽略不計(jì)；而當(dāng)場強(qiáng)足夠大，引起大氣的大量高速電離而產(chǎn)生尾蝕或擊 穿。非線性衰減的量級可和線性衰減相比時(shí)，非線性效應(yīng)必須加以考慮。從給出的 兩種計(jì)算方法的數(shù)值分析結(jié)果至少可以得到以下結(jié)論 ：兩種方法得到的非線性衰減系數(shù)的大小一般均在10-8102之間達(dá)到同一衰減量，脈寬越窄，等效電場值越低，脈寬越寬，相應(yīng)的等效電場值較 大；即對場強(qiáng)一定的微波壓縮脈寬傳輸能夠降低衰減。兩種計(jì)算方法在強(qiáng)電場和高空(50km以上的條件下吻合較好，但在低場強(qiáng)時(shí) (9式的收斂性不如(8式。參考文獻(xiàn)：1段耀勇，陳雨生1高功率微波大氣擊穿及其對能量

12、傳輸?shù)挠绊慗.微波學(xué)報(bào),2000,16(3 :260-26412John M Myers and T ai Tsun Wu. Designing a high-power ar 2ray for a target in the upper atm osphere J Intense Mi 2crowave Pulses ,1993,1872(15 :15-24.3徐家鸞，金尚憲1等離子體物理學(xué)M.北京:原子能出版社，198114熊皓1無線電波傳播M .北京:電子工業(yè)出版社，199815F orrest J Agee and John A G audet. Progress in High P

13、owerMicrowave Basic Research at Air F orce Research Labora 2Intense ,2000,4031(7 :1- 7.(上接第110頁&S i , i =S i ,其中己中,&S i , i +1。在東西方向,第j點(diǎn)與第j +1點(diǎn) 之間的高程異常差為&S j , j +1=-4中 &S j , j +1（21其中”中為此兩點(diǎn)垂線偏差卯酉分量的中數(shù)，&S j , j +1為此兩點(diǎn)之間的水 平距離。由此可以計(jì)算得到格網(wǎng)點(diǎn)之間的高程異常差。如圖£*i2所示，當(dāng)在區(qū)域內(nèi)有G PS冰準(zhǔn)點(diǎn)A、B、時(shí)，

14、首先按（15、（16式計(jì)算出 該點(diǎn)所在的小格網(wǎng)4個(gè)角點(diǎn)與該點(diǎn)的高程異常差，然后以這些G PS冰準(zhǔn)點(diǎn)為控制 對整個(gè)區(qū)域進(jìn)行平差，得到該區(qū)域以格網(wǎng)點(diǎn)表示的大地水準(zhǔn)面數(shù)值模型。5結(jié)論CGG M2000是我國大地測量基礎(chǔ)建設(shè)的一項(xiàng)重大成果。其精度和分辨率已經(jīng)接近世界發(fā)達(dá)國家的最好水平，特別是在我國西部地區(qū)的精度改進(jìn)非常明顯。這對于大多數(shù)比 例尺的測圖、武器作戰(zhàn)保障、天文大地網(wǎng)的歸算等應(yīng)用已滿足了需。本文提出的在現(xiàn)已獲得我國高分辨率垂線偏差數(shù)值模型基礎(chǔ)上改進(jìn)相對大地 水準(zhǔn)面精度的方法，是為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)所做的一些探討，其可行性還有待作進(jìn)一步的 數(shù)值驗(yàn)證。我國大地水準(zhǔn)面精化的任務(wù)還很重，有關(guān)部門正在啟動一些

15、新的重大工 程，以實(shí)現(xiàn)我國厘米級精度大地水準(zhǔn)面的目標(biāo)，由此見，2000中國重力場與大地水準(zhǔn) 面模型是這一偉大進(jìn)程中的前奏和序曲。參考文獻(xiàn):1Heiskanen W A. M oritz H. Physical G eodesyM.1967. 2M oritz H. Advanced Physical G eodesyM.1980.3S ideris M G. FFT G eoid C omputation in C onada IG es BullJ.1995, (4 :105-114.4Wang YM. C omments on Proper Use of the T errain C orrection