高功率微波大氣傳輸中的非線性衰減要點

1、收稿日期：2003-10-25 基金項目：國家863計劃資助項目（2003AA833030作者簡介:牛忠霞（1943-,男，河北棗強人，信息工程大學教授,博士生導師, 主要研究方向為電磁場與微波技術、通信工程?？倕⑧嵵菘萍紕?chuàng)新工作站第一屆學術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（信息工程大學信息工程學院，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，并通過數值計算 比較了兩

2、種計算非線性衰減的算法。關鍵詞：高功率微波（HPM ;衰減系數；等離子 體；熱效應中圖分類號：TN925文獻標識碼: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理的研究，要著重解決兩個問題：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,當微波電場引起強電離，雪崩效應產生大量的電子，較高的電子濃度會產生非線性吸 收衰減，出現大氣擊穿效應時，衰減更大。研究能

5、量傳輸的衰減問題，對防御外來 HPM入侵、降低或壓制其破壞能力有參考價值;另一方面對優(yōu)化選擇高功率微波參 數,提高到達目標點的功率密度，提高HPM的作用效果亦有指導意義。高功率微波在大氣中傳播時，會產生自由空間擴散損耗、大氣氣體衰減、水汽凝結體與沙塵衰減、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減弱，功率密度減小，此時的衰減為非線性衰減。衰 減系數與微波頻率、大氣壓強、等效電場強度有關，本文從Appleton-Hartree (A-H公式出發(fā)，導出弱非線性條件下微波大氣傳輸中的衰減系數，并通過數值計算與另一公式的結果進行了比較。2非線性

6、衰減系數非線性衰減來源于HPM與大氣的非線性作用，屬于附加衰減，其大小由電子和 其他粒子的動量轉移頻率、微波頻率決定第5卷 第2期信息工程大學學報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e具有以下形式：£ e = -j r £r (1其中 £ r + e 'r表達式如下：£ 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為電子質量；e為真空中的介電常數；N e =N 0e viTp為傳輸一個脈沖后的電子密度，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算h <25kmN 0=108M07X6018(3般來說，25km以下空氣中自由電子數量相當稀少，大約在011 ： 10/m 3之間,季節(jié)、晝夜、，準確的給出其與高度的關系有很大困難.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，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，可根 據實測大氣剖面值來計算。電子的動量轉移頻率u m與大氣壓強、外加等效電場強度的大小、粒子密度等 因素有關，一般采1994-2007 China Audemk: Journal ElectL n f li： ( iau In tin A用的分段經驗公式為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，單位是T o

9、rr (托，為氣壓的均質大氣高度，一般取km。Ee是由做功相等得到的等效電場，表達式 如下(E m為交變電場幅值:E e =? u 22+ u 2m (5強微波產生的等離子體中的傳播常數是一個復函數，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，而k r、k i分別為波數的實部和虛部，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 E y =E 0e -ax e j 0 x,表示波通過吸收介質時場的衰減速率，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a還可按下式簡化計算a =2U £ 0( CD 2 U 2m =5汨 102+U 2m(9Ne m o圖1 (8式數值分析圖2 (9式數值分析611信息工程大學學報2004 年3模擬計算及分析直接從數學方法上比較兩種計算方法的差異比較困難，這里采用數值計算分析，將(2、(4式代入式(8、(9，做出吸收系數隨電場強度的變化曲線，結果如圖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存在。對一固定

11、脈寬的微 波來講，當電場相對較小時，線性衰減占主導地位，非線性衰減的量很小，可忽略不計；而當場強足夠大，引起大氣的大量高速電離而產生尾蝕或擊 穿。非線性衰減的量級可和線性衰減相比時，非線性效應必須加以考慮。從給出的 兩種計算方法的數值分析結果至少可以得到以下結論 ：兩種方法得到的非線性衰減系數的大小一般均在10-8102之間達到同一衰減量，脈寬越窄，等效電場值越低，脈寬越寬，相應的等效電場值較 大；即對場強一定的微波壓縮脈寬傳輸能夠降低衰減。兩種計算方法在強電場和高空(50km以上的條件下吻合較好，但在低場強時 (9式的收斂性不如(8式。參考文獻：1段耀勇，陳雨生1高功率微波大氣擊穿及其對能量

12、傳輸的影響J.微波學報,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點與第j +1點 之間的高程異常差為&S j , j +1=-4中 &S j , j +1（21其中”中為此兩點垂線偏差卯酉分量的中數，&S j , j +1為此兩點之間的水 平距離。由此可以計算得到格網點之間的高程異常差。如圖£*i2所示，當在區(qū)域內有G PS冰準點A、B、時，

14、首先按（15、（16式計算出 該點所在的小格網4個角點與該點的高程異常差，然后以這些G PS冰準點為控制 對整個區(qū)域進行平差，得到該區(qū)域以格網點表示的大地水準面數值模型。5結論CGG M2000是我國大地測量基礎建設的一項重大成果。其精度和分辨率已經接近世界發(fā)達國家的最好水平，特別是在我國西部地區(qū)的精度改進非常明顯。這對于大多數比 例尺的測圖、武器作戰(zhàn)保障、天文大地網的歸算等應用已滿足了需。本文提出的在現已獲得我國高分辨率垂線偏差數值模型基礎上改進相對大地 水準面精度的方法，是為實現上述目標所做的一些探討，其可行性還有待作進一步的 數值驗證。我國大地水準面精化的任務還很重，有關部門正在啟動一些

15、新的重大工 程，以實現我國厘米級精度大地水準面的目標，由此見，2000中國重力場與大地水準 面模型是這一偉大進程中的前奏和序曲。參考文獻: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