13降雨與云霧衰減預(yù)測模型

1、PAGE 13-PAGE 8第13章降雨與云霧衰減預(yù)測模型雨、云和霧都是水汽的凝結(jié)體，均以液態(tài)水滴的形式存在于大氣之中。在微波頻段，雨對電波的散射與衰減是一個(gè)必須考慮的重要傳播效應(yīng)，特別是對于10 GHz以上的頻率，雨衰減是嚴(yán)重的。降雨還會(huì)引起無線電波的去極化。降雨對10 GHz以下的無線電波散射以及對可見光波的散射效應(yīng)都比較小，但是對于10 GHz以上的無線電波，雨散射是強(qiáng)烈的。雨散射是全方位的，也就是說，不僅僅當(dāng)降雨出現(xiàn)在收、發(fā)點(diǎn)之間大園路徑上的時(shí)候可能引起對其他無線電通信系統(tǒng)的干擾，即使降雨遠(yuǎn)在大園路徑之外也可以引起嚴(yán)重的干擾。雨散射信號的強(qiáng)度與電波的頻率和極化、傳播路徑距離和仰角、降雨

2、強(qiáng)度、雨粒尺寸分布、雨的高度和收發(fā)天線的方向性等因素均有關(guān)系。在數(shù)十吉赫以上的頻率，云、霧對無線電波的衰減變得顯著，。本章也將給出雨衰減的預(yù)測模型。13.1 地面電路雨衰減地面電路的雨衰減與地空電路的雨衰減計(jì)算有重大的差別，使用兩套不同的計(jì)算公式。地面電路的俯仰角很小，電路幾乎平行于地面，雨衰減的計(jì)算相對簡單一些，沒有等效高度的問題，只有等效路徑長度的問題。再者，地面電路通常使用水平極化和垂直極化，而地空電路很常使用圓和橢圓極化。13.1.1 地面電路0.01%時(shí)間被超過的雨衰減降雨對無線電波的散射引起無線電波能量的衰減。在計(jì)算地面電路上任意時(shí)間百分?jǐn)?shù)的雨衰減之前，我們得先計(jì)算該電路上0.01

3、時(shí)間被超過的雨衰減1,2：，dB （13.1）式（13.1）中，為地面電路上的雨衰減率，以dB/km計(jì)：，dB/km （13.2）其中，為地面電路上0.01%時(shí)間被超過的降雨率（雨強(qiáng)），mm/h；和為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與無線電電波的頻率和極化有關(guān)3： （13.3） （13.4）以上兩式中，為頻率，GHz；為極化方式，代表水平極化，代表垂直極化。式（13.1）中，為地面電路路徑長度修正因子： （13.5），km （13.6）其中，地面電路上的0.01%時(shí)間被超過的降雨率（雨強(qiáng)），mm/h；地面等效降雨路徑長度，km 地面電路的路徑距離，km；13.1.2 地面電路%時(shí)間被超過的雨衰減然后，根據(jù)時(shí)間被超過

4、的雨衰減，計(jì)算%時(shí)間被超過的雨衰減，可使用以下公式： （13.7） （13.8）其中，地面電路上0.01時(shí)間被超過的雨衰減，dB；時(shí)間百分?jǐn)?shù)，；發(fā)射站的地理緯度；接收站的地理緯度；地面電路的平均地理緯度。13.2 地空電路雨衰減地空電路的雨衰減計(jì)算要比水平電路復(fù)雜一些，除了降雨率和無線電波頻率之外，我們還要考慮到，大氣中的降雨只發(fā)生在低層大氣中，并且雨強(qiáng)在傳播電路上是不均勻的，這就需要計(jì)算降雨的實(shí)際高度和等效路徑長度；另外，隨著地空電路仰角的變化，電波經(jīng)過低層大氣的路徑長度也有所不同，因此，雨衰減的大小也隨之變化，所以，電路仰角的影響是必須考慮的。地空電路雨衰減的計(jì)算的幾何圖形如圖13.1所示

5、。圖中，B為零度層，零度層以上的空間為冰凍層，零度層以下的空間才可能存在液態(tài)水。所以零度層的海拔高度就是雨的高度，它大概等于5公里左右，與地理緯度有一定關(guān)系。設(shè)地空電路的總長度為，電路通過降雨層的實(shí)際長度是圖中所示的傾斜路徑長度，折算到地面水平路徑上的長度為。圖中，為地空電路的仰角，為地球站的海拔高度。 圖13.1 地空電路雨衰減計(jì)算 A：冰凍層 B：零度層 C：液態(tài)水層 13.2.1 地空電路0.01%時(shí)間被超過的雨衰減在計(jì)算地空電路上任意時(shí)間百分?jǐn)?shù)的雨衰減之前，我們得先計(jì)算該電路上0.01時(shí)間被超過的雨衰減1,2：，dB （13.9）上式中，為地空電路上0.01時(shí)間被超過的雨衰減，以分貝計(jì)

6、；為雨衰減率，以dB/km計(jì)，按以下公式計(jì)算：，dB/km （13.10）其中，為0.01時(shí)間被超過的降雨率，以mm/h計(jì)；系數(shù)和與無線電波的頻率、極化和地空電路的仰角有關(guān)，分別按以下兩式進(jìn)行計(jì)算3： （13.11） （13.12）以上兩式中，頻率，GHz；極化方式；水平極化；垂直極化；地空電路的仰角，如圖13.所示。地空電路上雨衰減表達(dá)式（13.9）中，第二個(gè)因子是地空電路通過降雨層的實(shí)際長度，如圖13.1所示。地空路徑仰角大于5時(shí)，可以直接利用幾何關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，但當(dāng)仰角小于5時(shí)，就必須考慮大氣折射效應(yīng)的影響?？傊?，可以按下式計(jì)算：，km （13.13）其中，為地球站的海拔高度，以米計(jì)；為地

7、空電路的仰角；上式中的另外兩個(gè)參數(shù)，即雨的高度和等效地球半徑，可分別由以下公式算出：，km （13.14） （13.15）其中，地球站的地理緯度；等效地球半徑因子；地球的真實(shí)半徑，通常取為6370 km。地空電路上雨衰減表達(dá)式（13.9）中，第三個(gè)因子是個(gè)距離修正因子，按以下公式進(jìn)行計(jì)算： （13.16）其中，為地面電路等效降雨路徑長度，km；為地空電路通過降雨層的長度在地面上的投影，以km計(jì)。它們分別表示為：，km （13.17），km （13.18）其中，為地球站的0.01時(shí)間不被超過的降雨率，以mm/h計(jì)；為電路仰角。13.2.2 地空電路%時(shí)間被超過的雨衰減最后，任意%時(shí)間被超過的雨衰

8、減可由下式計(jì)算： （13.18）其中，時(shí)間被超過的雨衰減，dB；如（13.9）所示的、時(shí)間被超過的雨衰減，dB；時(shí)間百分?jǐn)?shù)，。13.3 云、霧衰減預(yù)測模型1,413.3.1 云、霧物理模型無線電波的頻率高于10GHz時(shí)，需要考慮云和霧對電波的衰減，但是，只有當(dāng)頻率高于50GHz時(shí)，云、霧對電波的衰減才顯得重要。云、霧是由微小水滴子組成的，水滴子的直徑在0.001 mm0.4 mm之間，但是，通常情況下，云、霧水滴子的直徑要小于0.01 cm，這對于200GHz以下的頻率來說，可以滿足雷利散射的條件。云層的底部高度一般為百米到數(shù)百米，云層頂部的高度很少超過3000米。云層的液態(tài)水含量在0.1 g

9、/cm30.65 g/cm3之間，總體上比霧的液態(tài)水含量高得多。云層的厚度可達(dá)到數(shù)千米。霧可以看作為底部高度為零（貼著地面）的云，霧的頂部高度通常從數(shù)十米到一百多米，濃霧的高度可達(dá)150米。霧的液態(tài)水密度通常為0.05g/m3，但濃霧的液態(tài)水密度可高達(dá)0.19g/m30.37g/m3，對于中等程度的霧，其液態(tài)水密度僅為0.02 g/cm30.06 g/cm3，比云的水含量低很多。幾種典型云、霧的液態(tài)水密度與高度見表16.1。一般而言，云只影響地空電路的無線電波傳播，而霧既影響地面電路的無線電波傳播，也影響地空電路的無線電波傳播。表16.1 中緯度地區(qū)云、霧模型云型液態(tài)水密度，g/m3相對于地面

10、的高度，m底部頂部濃霧1（能見度大約為50米）0.370150濃霧20.190150中霧1（能見度大約為300米）0.06075中霧20.02075層云1型0.42160660層云2型0.293301000層積云10.556601320層積云20.30160660積云0.106602700雨層云10.656602700雨層云20.611601000高層云0.4124002900堆積云0.57660340013.3.2 云、霧衰減率在200GHz以下頻率，云、霧水滴子對無線電波的散射服從雷利散射原理，云和霧的衰減率正比于單位體積內(nèi)的水份總含量（液態(tài)水密度）：，dB/km （13.19）該公式適用

11、于高達(dá)1000 GHz的頻率，式中，無線電波在云霧內(nèi)的衰減率，dB/km；云霧衰減率系數(shù)，(dB/km)/(g/m3)；云霧的液態(tài)水密度，g/m3。衰減率系數(shù)可由下式算出：，(dB/km)/(g/m3) （13.20） （13.21）其中，為無線電波的頻率，以GHz計(jì)；和分別為水的復(fù)介電常數(shù)的實(shí)項(xiàng)和虛項(xiàng)： （13.22） （13.23）其中， （13.24） （13.25） （13.26） （13.27） （13.28）以上公式中，相關(guān)參數(shù)的意義說明如下：絕對溫度，K；主弛豫頻率，GHz；次弛豫頻率，GHz。對于不同的溫度，衰減率系數(shù)與頻率的關(guān)系示于圖13.2。對云而言，其衰減率系數(shù)應(yīng)取溫度為

12、0的那條曲線。13.3.3 云、霧衰減預(yù)測模型云和霧對無線電波傳播產(chǎn)生的衰減可以表示為： （13.29）其中，為無線電波在云、霧中所歷經(jīng)的實(shí)際路徑長度，以km計(jì)；為云、霧的衰減率，以dB/km計(jì)；為衰減率系數(shù)，(dB/km)/(g/m3)；為液態(tài)水密度，g/m3。頻率，GHz 圖13.2 云、霧的衰減率系數(shù) 衰減率系數(shù)，(dB/km)/(g/m3) 對于地空傾斜電路，無線電波穿越霧層和云層，在這種情況下，如果令云層或霧層的高度為，我們有： （13.30）其中，為地空傾斜電路的仰角。注意到，如果假定云層和霧層的水份密度是均勻的，那末，便有， （13.31）其中，為底面積為單位面積（1平方米）的垂

13、直圓柱體內(nèi)的總的液態(tài)水含量。因此，對于地空傳播傾斜電路的情況，云、霧衰減的計(jì)算也可以使用以下公式： （13.32）參考文獻(xiàn)1 Xie Yixi, J. Lavergnat, J. P. S.Mon, M. Sylvain and Jin Huiqun, Microwave and millimeter wave propagation, Chapter 11 Scattering and absorption of electromagnetic waves by hydrometeors, International Academic publishers, 1995.2 ITU-R, Specific attenuation model for rain for use in pre