毫米波在大氣中的傳播

1毫米涉及其特點1.1毫米波傳播模型1.1.1毫米波的概念1.1.1.1毫米波的定義微波波段包括：分米波，厘米波，毫米波和亞毫米波。其中，毫米波〔millimeterwave〕，通常指頻段在30~300GHz，相應(yīng)波長為1~10mm的電磁波，它的工作頻率介于微波與遠紅外波之間，因此兼有兩種波譜的特點。毫米波的理論和技術(shù)分別是微波向高頻的延伸和光波向低頻的開展。圖1.1中直觀地展示出毫米波在整個光譜之中的具體位置。圖1.SEQ圖_1.\*ARABIC1毫米波工作頻率范圍示意圖1.1.1.2毫米波的特點由于毫米波的波長范圍在微波與遠紅外波相交疊處，因此它兼有二者的優(yōu)點?！?〕毫米波相對于微波波段，由于波長較短，所以對于給定的天線尺寸〔孔徑〕，波束寬度較窄，增益較高，能獲得較高的空間分辨率和精度；〔2〕因為毫米波系統(tǒng)天線波束窄，其信號的空間立體角小，不易受到干擾，同時信號也不易被截獲，所以毫米波還具有保密性好、抗干擾能力強、具有很強的偵查和反偵察能力的特點；〔3〕毫米波波段可用頻帶較寬，在每個毫米波大氣傳播窗口都具有極大的帶寬可供使用，由于大氣電磁波具有選擇性吸收，故可以充分利用“大氣窗口”豐富的頻譜資源用于通信、雷達等保密通信，還可利用其帶寬光譜能力來抑制多徑效應(yīng)和雜亂回波，消除系統(tǒng)間的相互干擾；〔4〕毫米波穿透能力強，在“大氣窗口”頻率傳播時，其衰減雖然比微波大，但卻比紅外和激光小很多，它具有穿透云、霧、煙塵以及等離子體的能力，它能對抗惡劣天氣，進行全天候工作，這一特點對環(huán)境遙感和軍事偵察等應(yīng)用是十分重要的；〔5〕毫米波器件具有體積小、重量輕的特點。毫米波波長短，這使得工作于毫米波段的系統(tǒng)天線尺寸可以做得較小，可縮小毫米波原件的尺寸，并且易于集成化、單片化，從而減小毫米波系統(tǒng)的體積和重量。1.3毫米波的開展自1873年Maxwell發(fā)表《電磁學(xué)通論》以來，人們充分利用電磁資源在拓寬平鋪方面作了大量的工作。對于毫米波的研究，早在1889年就已提出，至今已有一個世紀的漫長歲月。毫米波的開展一直時起時落，但對毫米波的研究總是吸引著很多的學(xué)者，從而獲得了大量的根本知識。研究毫米波必須有相應(yīng)的技術(shù)作為支撐，所以此領(lǐng)域的研究一直比擬緩慢，可以說一波三折。但隨著相應(yīng)技術(shù)的開展以及在一些重要場合下紅外和可見光技術(shù)不能提供最正確解決方案的時候，毫米波由于其區(qū)別于普通微波的特點，其潛在的研究和應(yīng)用價值日益突出，所以近年來對毫米波的研究掀起高潮。2毫米波在大氣中的傳播毫米波在通信、雷達、遙感和射電天文等領(lǐng)域有大量的應(yīng)用。要想成功地設(shè)計并研制出性能優(yōu)良的毫米波系統(tǒng)，必須了解毫米波在不同氣象條件下的大氣傳播特性。影響毫米波傳播特性的因素主要有：構(gòu)成大氣成分的分子吸收〔氧氣、水蒸氣等〕、降水〔包括雨、霧、雪、雹、云等〕、大氣中的懸浮物〔塵埃、煙霧等〕以及環(huán)境〔包括植被、地面、障礙物等〕，這些因素的共同作用，會使毫米波信號受到衰減、散射、改變極化和傳播路徑，進而在毫米波系統(tǒng)中引進新的噪聲，著諸多因素將對毫米波系統(tǒng)的工作造成極大地影響，因此我們必須詳細研究毫米波的傳播特性。2.1大氣的吸收毫米波在近地大氣層中的衰減一般要比微波頻段嚴重的多，特別是在大氣成分的吸收譜線附近。在毫米波頻段，大氣衰減的極值出現(xiàn)在60GHz、119GHz〔這是氧氣分子的兩條吸收譜線〕和183GHz〔這是水蒸氣的吸收譜線〕等頻率處。水蒸氣和氧氣之所以造成這么大的影響，是應(yīng)為它們的分子具有極化結(jié)構(gòu)。水蒸氣是電極化分子，氧氣是磁極化分子，這些極化分子與入射波作用產(chǎn)生強烈的吸收，吸收的強弱與環(huán)境的大氣壓力、溫度以及海拔高度有關(guān)。隨著高度的增加，大氣變得稀薄，吸收系數(shù)也迅速減少，即使是同一高度，也會因地區(qū)和時間不同，吸收系數(shù)變化1倍以上，圖2.1給出了毫米波大氣吸收的平均幅值，其中實線是海平面處的吸收系數(shù)，虛線是海拔4km處的吸收系數(shù)。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC1晴朗天氣水平傳播的毫米波的單程衰減可以看出，隨著高度的增加，吸收明顯減弱。在〔km〕的路徑中，總的大氣吸收系數(shù)為(2.1)式中：是氧氣的吸收系數(shù)〔dB/km〕；是水蒸氣的吸收系數(shù)。水蒸氣對總吸收系數(shù)的奉獻取決于水蒸氣的含量和溫度。對于一個給定頻率，有(dB/km) (2.2)式中：是海平面的衰減系數(shù)，dB/km；是水蒸氣的濃度，g/m3；T是攝氏溫度，。、、使用多回歸分析導(dǎo)出的與頻率有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)，它們在表2.1中給出，其中地面空氣溫度為14.6C0，平均水蒸氣濃度為11.1g/m3。對地面路徑或靠近地面稍微傾斜的路徑，路徑衰減可表示為 (2.3)式中：是靠近地面的路徑長度公里數(shù)。表2.SEQ表2.\*ARABIC1計算大氣吸收用的經(jīng)驗系數(shù)〔h=0,T=14.6C,=11.1g/m3〕頻率經(jīng)驗系數(shù)f(GHz)301.78691.00192.8032352.63861.00673.6935414.98741.21046.2036458.92451.403810.1835026.561.710025.10855392.652.2016158.467044.8943.189544.2608016.0113.912312.9849011.3184.94727.43979410.6505.40346.408311011.5987.486018.53011520.5758.262618.53012098.5109.3120115.1914012.31812.9323.715116015.26320.6187.8427180112.96179.17-23.75520022.59936.57816.71722022.72031.5661.735624025.80335.654-1.188628033.65749.670-0.6639730037.90862.9128.0767同樣，可用多回歸分析給出從地面到大氣頂層的天頂衰減，對于給定頻率有 (2.4)式中：、、是經(jīng)驗系數(shù)。因上述結(jié)果是用全球數(shù)據(jù)導(dǎo)出的，結(jié)果結(jié)合本地條件，將大大降低計算的不確定性。對于從地面到外層空間的傾斜路徑，就必須在整個路徑上對式(2.1)積分來得到衰減。假設(shè)仰角為，穿過整個大氣層的衰減可用天頂衰減乘以仰角的余割函數(shù)得到 (2.5)式中：，是包括繞射在內(nèi)的斜路徑總長度，單位是km；h=3.2km，是綜合水蒸氣和氧氣吸收衰減后大氣層的標稱高度；Re=8.5*103km，是包括繞射在內(nèi)的地球有效半徑；仰角必須大于60，由于地球外表的彎曲和繞射作用，當時，式(2.5)不適用。圖2.2(a)是計算斜路徑長度的參考圖，圖2.2(b)給出了垂直路徑、仰角的斜路徑和水平路徑的單程衰減。這一衰減模型與實驗數(shù)據(jù)吻合的很好，根本理論已被學(xué)術(shù)界廣泛接受。這些數(shù)據(jù)可用來作系統(tǒng)分析，再結(jié)合本地條件就能夠做出可靠設(shè)計。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC2傾斜路徑的大氣衰減2.2降水引起的毫米波衰減2.2.1雨衰減雨對毫米波的吸收和散射會引起毫米波的嚴重衰減。大雨的時空分布是變化多端而且難以預(yù)測的。處理雨衰減必須考慮隨機過程。研究雨這類媒質(zhì)對電磁波的衰減和散射，必須了解單粒子的各種效應(yīng)。對于非吸收媒質(zhì)，根據(jù)粒子尺寸大小，需要用不同的理論來分析：雨滴直徑小于時，用Royleigh理論分析；當雨滴直徑大于時，用Mei理論分析。在平面波的傳播路徑上有單個介質(zhì)球時將產(chǎn)生散射和吸收。下面用幾種“截面”來描述它們的效應(yīng)。定義： 散射截面Q0＝總散射功率/人射功率密度 (2.6) 吸收截面Q1=轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬目偽展β?人射功率密度 (2.7) 消光截面Qr=人射波總損耗功率/人射功率密度 (2.8)式中：Q是用來描述單個粒子對入射波產(chǎn)生的能量損失，而衰減用來描述大量連續(xù)粒子產(chǎn)生的能量損失。根據(jù)上述定義和能量守恒可知 Qr=Q0+Q1 (2.9)再定義后向散射面：=后向散射功率〔沿入射線方向〕/入射功率密度 (2.10)單個粒子的Q0和Q1是粒子尺寸、形狀和折射系數(shù)的復(fù)雜函數(shù)，同時與入射波的頻率有關(guān)。圖2.3給出了T=18C、波長為4.3mm、水滴直徑為0.04mm~6mm的各種截面的計算結(jié)果。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC318C時水珠的截面積〔波長為4.3mm〕事實上我們感興趣的是，在一個給定區(qū)域內(nèi)，粒子尺寸連續(xù)分布情況下所產(chǎn)生的反射截面和衰減截面。如果粒子尺寸的分布的話，我們就可用相應(yīng)的理論來計算了。表2.2給出了各種氣象條件下水滴的尺寸范圍。因為雨是由包括及更大尺寸的水滴組成的，所以對毫米波來說，必須用Mei散射理淪，霾、霧、云的水滴很小，可用Royleigh近似。根據(jù)Mei散射理論，雨的后向散射截面為 (2.11)式中：是直徑為D的單粒子后向散射截面；N(D)dD是直徑在(D，D+dD)范圍內(nèi)的單位體積粒子數(shù)；是單位體積的后向散射截面。表2.SEQ表2.\*ARABIC2各種氣象條件下水滴尺寸的范圍氣象條件水滴尺寸范圍()霾0.01~3霧0.01~100云1~5毛毛雨0.25mm/hr3~800中雨4.2mm/hr3~1500大雨16mm/hr3~3000類似地，衰減定義為 (2.12)式中：Qr(D)是直徑為D的單個粒子的消光面積，雨滴尺寸分布圖在圖2.4中給出，它與測量結(jié)果非常吻合。已經(jīng)發(fā)飆了各種基于Mei散射理論的雨模型。典型的衰減公式為 (2.13)式中：是衰減率(dB/km)，對于給定頻率的雨溫度，a和b是常數(shù)，R是降雨量〔mm/hr〕。為了計算需要知道在特定雨溫度、雨滴末速度和雨滴尺寸分布下的水復(fù)折射率。Ray給出了冰和水復(fù)折射率的公式在3MHz~1000GHz頻率范圍內(nèi)、-20C~+50C溫度范圍內(nèi)都是有效地，用球形介質(zhì)模型可得到準確值，如圖2.4所示的雨滴尺寸譜是統(tǒng)計平均值，已被廣泛測量和證明。降雨量和雨滴尺寸之間有很好的相關(guān)性，在各種大氣條件下典型的雨滴尺寸見表2.3，降雨量可表示為 (2.14)式中：N(D)是雨滴數(shù)密度〔滴/cm3〕，是末速度〔cm/s〕。D是雨滴直徑〔cm〕。Gunn和Kinzer精確測量了標準溫度和壓強下靜止空氣中水滴的降速，也可以解析表示： (2.15)式中：C是用最小二乘法確定的，在表2.3中給出了三種多項式C值以及的最大誤差。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC4各種降雨量情況下雨滴的尺寸分布表2.SEQ表2.\*ARABIC3雨滴末速度的多項式系數(shù)CiM=3M=5M=90-0.19274-0.31682-0.08573154014.96255.45063.32658622-0.904411.38064.384357830.065840.23612-6.88134144-0.0287814.75702055-0.006486-1.90466016-0.463399787-0.0676078988-0.00544554809-0.00018631087最大誤差0.11m/sec0.07m/sec0.03m/secOlsen等計算了各種情況下毫米波頻段式(2.13)中的a和b的值。對于偏球形雨滴，T=20C和Laws與Parsons分布條件下，水平極化波a和b的近似值ah和bh、垂直極化波的a和b的近似值和在表2.5中給出。其他頻率下的a和b的值可用線性內(nèi)插法得到。對于線極化和圓極化波用下式計算，而、、和用表2.5中的數(shù)值給出：(2.16) (2.17)式中：是路徑仰角，是相對于水平方向的極化傾角〔對圓極化波，〕。降雨的理論衰減系數(shù)隨頻率的變化如圖2.4所示。表2.SEQ表2.\*ARABIC4計算衰減的回歸系數(shù)頻率〔GHz〕300.1871.020.1671.00350.2630.9700.2330.963400.2500.9310.3100.929450.4420.9030.3930.897500.5360.8730.4790.868600.7070.8260.6420.824700.8510.7930.7840.793800.9750.7690.9060.769901.060.7530.9990.7541001.120.7431.060.7441201.180.7311.130.7321501.310.7101.270.7112001.450.6891.120.6903001.360.6881.350.689圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC5降雨的理論衰減系數(shù)隨頻率的變化1945年Ryde等第一次深人研究了雨衰減問題。圖2.6給出了70GH毫米波的雨單程衰減。圖中還給出了Grane用Mei散射理論計算的結(jié)果，與Hogg所給的測量結(jié)果比擬說明，理論預(yù)測與實測結(jié)果吻合得很好。在一般情況下可以用理論值作系統(tǒng)設(shè)計。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC670GHz電磁波在雨中的單程衰減圖2.7給出了35GHz、70GHz和94GHz等幾個窗口頻率下的雨中單程衰減，圖中還給出了頻率為15.5GHz的雨中衰減曲線作以比擬。在4mm/hr的雨中，94GHz的單程衰減約為28dB，70GHz的衰減約為23dB，35GHz的衰減約為10dB，而15.5GHz的衰減不到0.2dB。降雨使毫米波不可能傳播的很遠。降雨的后向散射截面，在X頻段一下，一般用Rayleigh散射近似可以得到很好的結(jié)果，當頻率高于X頻段時，Rayleigh近似的誤差比擬大。圖2.8給出了Grane用Mei散射理論得到的結(jié)果，其中還包括2mm/hr和3.8mm/hr的測量結(jié)果。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC7毫米波的雨中單程衰減圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC8對70GHz電磁波單位體積降雨的后向散射截面積盡管粗看起來雨衰減阻礙毫米波高可靠性通信聯(lián)絡(luò)，事實上在60GHz、25mm/hr的大雨中，雨衰減僅為10dB/km，考慮到并不是經(jīng)常碰到降大雨的情況，而且降大雨區(qū)域在水平區(qū)域的延伸僅為2公里~3公里，因此一個毫米波鏈路并不會遭受過高的雨衰減。需要指出的是：理論預(yù)測僅是粗略的傾向性估計，并是長期的統(tǒng)計平均結(jié)果，不能夠揭示任何短期行為，設(shè)計者在用這些結(jié)果時應(yīng)結(jié)合具體環(huán)境和應(yīng)用要求作適當修正。分析雨衰減還必須考慮諸如反向多徑散射、溫度變化、雨滴變形以及有限波束寬度等因素的影響，在毫米波頻段，由于雨滴稀疏分布的物理間距〔用波長表示〕變化范圍相當大，背景多徑散射分量的相位近似是隨機均勻的。散射過程實際上是不相關(guān)的，多徑散射對衰減的影響與10C~20C溫度變化產(chǎn)生的影響相比小幾個數(shù)量級。雨衰減對溫度的依賴性要強得多，特別是頻率較低時溫度的影響更大。在30GHz~100GHz范圍內(nèi)的變化有幾個dB，在更高頻段的變化要遠低于這個值。雨衰減還與雨滴的形狀有關(guān)，非球形雨滴的衰減要大于同體積球形雨滴的衰減，例如主軸在水平方向的扁雨滴，在50GHz~100GHz頻率范圍內(nèi)對水平極化波的衰減比垂直極化波大10%~15%，當雨滴尺寸變大時，其形狀更加偏離球形。這一畸變對兩種極化波的影響，使二者的衰減之差最大可到達20%，只有當頻率比擬高時可以忽略雨滴的形狀畸變。另外，圖2.5中的曲線是假定在平面波照射下得到的。實際上，天線輻射波束都是有限寬的。Lin和Ishimaru證明，在同樣降雨量和相同雨滴尺寸分布情況下，高斯波束的衰減大于平面波的衰減，這是比擬了降雨量〔直到100mm/hr〕、頻率〔直到100GHz〕等各種情況得到的結(jié)論，例如頻率為33GHz的高斯波束比平面波的衰減大30%以上。2.2.2霧霧是大氣中水蒸氣凝結(jié)為水滴并仍然懸浮在空氣中的一種狀態(tài)，它所產(chǎn)生的云、水滴或冰晶包圍觀察者，并且水平可視距離不超過1km。蒸發(fā)和冷卻是形成霧的主要過程。霧主要分為兩類，即對流霧和輻射霧。對流霧是由溫度或其他物理參數(shù)變化產(chǎn)生的空氣水平運動形成的〔又稱海岸霧〕。輻射霧又稱內(nèi)陸霧，是白天地面附近空氣受熱，晚上失去輻射熱而形成的，經(jīng)常在低凹沼澤地帶、平靜的河流附近形成。這兩類霧的特性在表2.5中給出，注意到對流霧有較高的液態(tài)水含量，而其能見度又較輻射霧要大。一般來說，水含量是在一個很大范圍內(nèi)變化的，一般不超過0.25g/m3，在極少情況下會超過0.49/m3甚至到達1g/m3。表2.SEQ表2.\*ARABIC5霧的物理特性輻射霧對流霧平均水滴直徑10um20um水滴尺寸范圍5um-35um7um-65um液態(tài)水含量0.11g/m30.17g/m3水滴濃度200cm-340cm能見度100m200m因為形成霧的水滴尺寸很小，因此可以用Rayleigh近似理論，Altlas用Rayleigh散射給出單程衰減系數(shù)為(dB/km) (2.18)式中：M是霧單位體積內(nèi)的水分含量，g/m3；Im(-k)是吸收系數(shù)；；m是復(fù)折射系數(shù)；是波長，單位為mm；是水滴密度，單位為g/cm4。在各種溫度條件下，一般假定=1g/cm3，因此在0~40C范圍內(nèi)，其變化不大于0.78%。在Rayleigh散射區(qū)域，衰減主要是吸收造成的。為了計算霧的吸收系數(shù)，必須先確定毫米波區(qū)域水的折射系數(shù)，復(fù)折射系數(shù)m可用復(fù)介電常數(shù)給出： (2.19)式中：是介電常數(shù)的實部；是其虛部。根據(jù)Debye公式有 (2.20)式中：、和是經(jīng)驗常數(shù)。表2.6中給出根據(jù)式(2.19)和(2.20)計算的在35GHz、70GHz和94GHz不同頻率下水的復(fù)射系數(shù)。表2.SEQ表2.\*ARABIC6不同頻率水下的復(fù)射系數(shù)溫度〔C〕35GHz/8.6mm70GHz/4.3mm94GHz/3.2mm010203040將表2.6給出的復(fù)射系數(shù)帶入Im(-k)就可以得到35GHz、70GHz和94GHz在0~40C范圍內(nèi)的吸收系數(shù)。計算結(jié)果在表2.7中給出。表2.SEQ表2.\*ARABIC7不同和頻率下水的吸收系數(shù)溫度〔C〕吸收系數(shù)35GHz70GHz94GHz00.1140.1720.183100.0790.1370.162200.0580.1070.133300.0140.0850.109400.0360.0690.090從表2.7中可以看出，吸收系數(shù)對溫度的變化還是很敏感的。假設(shè)水的含量為1g/m3，那么各頻率下霧的衰減系數(shù)為dB/km (2.21)dB/km (2.22)dB/km (2.23)根據(jù)式(2.21)~式(2.23)的計算結(jié)果〔在圖2.9中給出〕可以看到0C時的衰減要比10C時的衰減要大；另一方面，頻率愈高，霧引起的衰減也愈大。霧通常用光學(xué)的能見度表示，對于毫米波的衰減特性，最有用的還是霧中液態(tài)水的含量。根據(jù)Rayleigh散射理論近似可以得到霧的反向散射截面為 (2.24)式中：是反射系數(shù)；是波長(mm)；Z是反射因子。對于輻射霧，Atlas給出的反射因子為 (2.25)對于流霧： (2.26)式中：M是霧的液態(tài)水含量，單位為g/m3；Z的單位為g2/m3。從上述關(guān)系可以得到，對流霧會出現(xiàn)最大反射截面，在35GHz~94GHz的毫米波頻段，霧的最大反射截面小于1.0mm2/m3。它比雨的反射截面小兩個數(shù)量級，因此在系統(tǒng)設(shè)計時可以忽略霧對系統(tǒng)性能的影響。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC9霧中毫米波的單程衰減2.2.3雪、雹和極化盡管雨衰減是影響毫米波傳播的主要因素，但是還需要了解其他水象對毫米波傳播的影響，如雪、雹等。因為冰的介電常數(shù)比液態(tài)水要小許多，所以雪花、冰晶、冰雹等等的散射截面比同尺寸的液態(tài)水滴的散射截面小許多。冰顆粒的吸收也比同體積的雨滴小許多，因此在相同降水量的情況下，雪和雹產(chǎn)生的衰減比雨衰減小很多。可以預(yù)計濕雪產(chǎn)生的衰減比冰高許多，特別是在融化區(qū)域，雪花外表有一層水，其反向散射比雨高10dB~15dB。在毫米波譜的低端，干雪的衰減作用很小，測量說明只是在較高的頻率上雪衰減才有一定的作用。一般來說，無淪是測量結(jié)果還是理論預(yù)測，對下雪來說都還不是十分有效的。有一點可以肯定，實驗說明，雪和冰雹的形狀都不是球形，因此它使得毫米波去極化。去極化效應(yīng)是由于雨、雪、雹的形狀是非球形的，而傳播的波又是各種極化的。交叉極化對于通信應(yīng)用非常重要，在通信中用了兩種線極化，交叉極化會引起交叉調(diào)制，在雷達系統(tǒng)中情況類似。對于各種降水現(xiàn)象，極化改變程度是與入射波的極化、降水量的大小、形狀和指向等因素有關(guān)的。關(guān)于雨的去極化作用，已有很好的分析及實驗數(shù)據(jù)可用。高空冰粒子也會對毫米波產(chǎn)生去極化作用，已觀察到云霧中冰粒子產(chǎn)生的不規(guī)那么去極化現(xiàn)象。發(fā)生去極化時一般并不伴隨著信號衰減。還觀察到冰粒子去極化作用快速變化時與雷電有關(guān)，這是因為冰粒子的指向受到雷電電場的作用。云也會產(chǎn)生去極化，這是因為云中有水滴和冰粒子。在雷雨云以及積雨云中也觀察到顯著的不規(guī)那么去極化現(xiàn)象，一般它們都含有大量冰粒子，冰雹的去極化作用與之類似。去極化作用可用交叉極化比來描述．它定義為CPR=20lg(交叉極化信號幅值/共極化信號幅值) (2.27)理論上計算雨的去極化作用，需要知道雨滴尺寸、形狀、斜角以及形狀分布等參數(shù)。當然要給出一個正確的模型是非常困難的,但交叉極化比(CPR)很容易根據(jù)實驗數(shù)據(jù)來計算。2.3其他大氣效應(yīng)除了大氣成分氣體〔O2、H2O等〕、雨、雪、雹、云等的吸收和散射造成毫米波衰減和去極化外，還有一些大氣現(xiàn)象是我們所關(guān)心的，這包括各種晴空效應(yīng)，如大氣波導(dǎo)、超折射、折射率變化、雨和云的反射、大氣熱噪聲等。這些因素單獨作用與雨衰減比擬或許其影響并不顯著，為了正確設(shè)計毫米波系統(tǒng)，就必須充分了解它們。2.3.1晴空效應(yīng)大氣的特性可用折射率剖面來描述，其定義為 (2.28)式中：z是彎曲地外表之上的高度(m)；N(z)為 (2.29)P是大氣壓強〔毫帕〕；T是絕對溫度(K)；e是水蒸氣的壓強〔毫帕〕。對于海平面標準大氣壓，N隨高度的增加面降低，其降低速率為0.04/m，M(z)與高度是線性關(guān)系。對于枯燥大氣，在整個電磁頻譜范圍內(nèi)折射率差不多是常數(shù)。然而水蒸氣是極化分子，其分子偶極矩會隨電場而改變，它引起了折射率的改變。隨著氣象條件的變化，折射效應(yīng)的變化范圍非常寬。在某些異常情況下，波急劇向下彎曲〔超折射〕、向上彎曲〔亞折射〕或被導(dǎo)入大氣波導(dǎo)。折射引起的信號損失完全不同于大氣衰減，因為直線傳播的波被彎曲，改變了波的到達角，如果預(yù)先知道波的彎曲，它是可以補償回來的。Richter等用波導(dǎo)模式理論分析過大氣外表波導(dǎo)的傳播，F(xiàn)ruchtenicht用幾何光學(xué)分析過大氣外表波導(dǎo)的傳播。一個典型的大氣波導(dǎo)高約10m，它可以支持數(shù)百個毫米波模式，用波導(dǎo)模式理論計算是十分困難的。當波長較短時，用射線理論分析大氣波導(dǎo)中毫米波的傳播要更精確一些。大氣折射率的變化會引起多徑效應(yīng)，當不同路徑相差半波長時會產(chǎn)生嚴重的衰落，對于長度僅有幾公里的毫米波鏈路，這個問題不是非常嚴重。Ruthroff分析過折射衰落理論，對于超過10km的路徑，大氣異常引起衰落20dB的概率在37.5GHz時為2.25*10-4在75GHz時為4.5*10-4，分別相應(yīng)于2小時和4小時時間周期。衰落達30dB的概率約為衰落20dB概率的十分之一。折射率小范圍不規(guī)那么起伏會產(chǎn)生很大的相位和幅度變化，造成閃爍效應(yīng)，使可用帶寬明顯變窄。穿過主波束的水蒸氣云層也會造成閃爍。隨著頻率增加，閃爍作用趨強，但是缺乏毫米波頻段的有關(guān)數(shù)據(jù)，閃爍型衰落在潮濕條件下特別重要。傳播路徑的地上高度、當?shù)氐牡匦翁匦砸约按髿馓卣鲗Q定衰落的強弱。相位閃爍可能很強．引起接收天線增益降低，在大多數(shù)晴朗天氣，相位閃爍一般不是太嚴重，并且隨高度的增加而迅速降低。2.3.2大氣熱噪聲大氣中氣體和沉降物輻射的熱噪聲稱為天空噪聲。天空噪聲可用天線溫度或天空溫度來表示。對熱平衡下的平均媒質(zhì)，黑體輻射理論說明，良好的吸收體也是一個良好的發(fā)射體，大氣就可近似為這類媒質(zhì)。絕對溫度為T的理想吸收體或發(fā)射體輻射的噪聲功率為P： P=kTB (2.30)式中：k是Baltzmann常數(shù)；B是接受帶寬。對于非理想吸收體有 (2.31)式中：是媒質(zhì)的吸收系數(shù)；那么是天空額噪聲溫度。當T=300K，理想吸收輻射的噪聲功率約為，對非理想吸收體，將在0~300K之間變化，相應(yīng)于無吸收和輻射，相應(yīng)于強吸收核和輻射?？捎傻暮蚑的值計算或用輻射計測量得到。圖2.10給出了窄波束系統(tǒng)各種仰角時的天空噪聲溫度，其中理論模型為晴朗天氣，地面濕度為20C，地平面上水蒸氣含量為10g/m3。如果出現(xiàn)降雨或潮濕云層，噪聲功率將會顯著增加，測量天空噪聲和傳播路徑上的溫度分布，就可以計算出大氣造成的總衰減。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC10天空噪聲溫度隨頻率變化關(guān)系大氣熱噪聲給高靈敏接收機的射電天文用的低噪聲輻射計設(shè)置了一個靈敏度極限，還會影響到探測車輛位置和地形的熱成像系統(tǒng)的性能。其他一些因素如目標噪聲、溫度及其在目標上的分布，目標對噪聲的散射和反射，大氣輻射的噪聲以及大氣對目標噪聲的衰減等都需要考慮。金屬外表的噪聲溫度約為幾度〔K〕，水外表的噪聲溫度約為170K，大多數(shù)自然物體〔樹木、草地、混凝土等等〕的噪聲溫度約為230K~290K，因此在低噪聲溫度目標檢測中，大氣或天空噪聲就成為重要的限制因素。2.3.3雨、霧、云的反射對于氣象雷達和其他雷達應(yīng)用，雨、霧和云的反射還是很總要的。圖2.11給出了不同降雨量下雨的反射系數(shù)。圖中給出了幾個重要毫米波頻率35GHz、70GHz和95GHz降雨的反射系數(shù)，還給出了頻率為9.375GHz降雨的反射系數(shù)作為比擬。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC11降雨反射系數(shù)的測量值Crane應(yīng)用Mei散射理論對降雨反射做了分析，如圖2.12所示。理論預(yù)測35GHz、70GHz和95GHz三條曲線在9mm/hr降雨量交于一點，實測35GHz與95GHz的曲線交于20mm/hr，35GHz與70GHz的曲線交于70mm/hr，而且實測反射曲線中70GHz的曲線始終比95GHz高。從這里可以看出Mei散射理論的局限性，在定量的估算上理論值與實測值還是根本吻合的。圖2.13給出了5種降雨量下頻率從10GHz到1000GHz降雨的反射系數(shù)的計算值，并給出了少數(shù)實測結(jié)果，可作為系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用。云的反射取決于云中含液態(tài)水的多少，總的來說，云的反射比降雨反射小許多。霧的反射比降雨的反射在幅度上低兩倍。對系統(tǒng)性能影響很小。在同樣降水量情況下，雪的反射與雨的反射相當或稍大一些。由于測量困難，其他大氣粒子的信息很少，即使有些測量數(shù)據(jù)也只是針對少數(shù)頻率或特定的極化形式。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC12將與反射系數(shù)的理論值圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC13降雨反射系數(shù)隨頻率的變化2.4煙、塵和多徑效應(yīng)降雨的吸收和衰減時毫米波大氣傳播碰到的主要問題。大氣中的懸浮物如砂、塵粒子、地面和障礙物對毫米波的影響、毫米波在植被中的傳播等問題對毫米波系統(tǒng)的應(yīng)用也是非常重要的。2.4.1煙、塵引起的衰減砂、塵和煙對毫米波傳播的作用可用Mei散射理論來估算。直徑為a、介電常數(shù)為的粒子其散射截面為 (2.32)式中：是工作波長。假設(shè)單位體積內(nèi)有個粒子，那么單位長度上的衰減(dB)為 (2.33)把式(2.32)代入式(2.33)并用 (2.34)式中：是質(zhì)量濃度；是密度；V是直徑為D的粒子體積。于是有 (2.35)式中：的單位是。在毫米波頻段各種懸浮粒子產(chǎn)生的衰減都是可以忽略的。只有在強風(fēng)暴中和掠射情況下的鏈路衰減可能要大些。毫米波實際上能無衰減地穿過各種煙、塵和巖屑傳播是它的主要優(yōu)點之一，因為在戰(zhàn)場條件下就希望系統(tǒng)有這種能力。甚至在有爆炸和金屬屑產(chǎn)生的高密度散射分布情況下，如果有衰落的話，其持續(xù)期也很短，隨著粒子散開和安定下來，不會產(chǎn)生明顯的阻斷。車輛產(chǎn)生的飛塵對毫米波的衰減和上述情況類似，其衰減較小可以忽略。Lindbert還研究過近地核爆炸產(chǎn)生的大氣離子、折射率起伏、塵埃、污染和巖屑對毫米波傳播的影響。這些結(jié)果說明在大多數(shù)劇烈戰(zhàn)場條件下，采用毫米波系統(tǒng)信號損失僅是很短暫的〔幾秒到幾分鐘〕。在典型戰(zhàn)場煙霧和模糊條件下，對雷達在各種工作頻率的傳輸性能作了廣泛的測試研究，這包括六氯乙烷、白磷和紅磷的晶體、霧、油、塑性白磷、白磷和磷碎片、強烈爆炸產(chǎn)生的塵埃等等。測量說明，這些一般都不能阻礙毫米波傳感器工作。實際上不可能對每一種情況都加以分析計算，這方面還需要做很多工作。94GHz雷達在典型炮火密度情況下計算得到的檢測時間百分比在表2.8中給出，這些數(shù)據(jù)已被實驗所證明。這些數(shù)據(jù)說明在戰(zhàn)場環(huán)境下，毫米波雷達檢測能力的下降是很小的，證明了毫米波傳感器在真實戰(zhàn)場條件下的優(yōu)良特性。表2.SEQ表2.\*ARABIC8典型炮火密度情況下的目標檢測炮火類型密度〔輪次/秒，公里〕總炮轟時間檢測百分比襲擊重點4.591.9殲滅區(qū)1.597.3中立區(qū)0.599.12.4.2植被對于雷達應(yīng)用來說，覆蓋在地面上的雪或樹葉等會衰減毫米波的能量，使目標披上一層偽裝；同時雷達回波信號的變化也反映了整個植被類型的改變，從而提供了一個描述自然界各種植物結(jié)構(gòu)類型的方法。地面散射受外表粗糙程度、復(fù)介電常數(shù)、頻率和入射角的影響，其中外表粗糙程度和復(fù)介電常數(shù)直接與反射地面有關(guān)。一般外表粗糙程度對散射的影響要大一些。因為它指定了散射范圍。實驗數(shù)據(jù)說明，稠密植物覆蓋區(qū)域是漫散射外表，其行為類似于粗糙外表。關(guān)于毫米波頻段樹葉的滲透性和衰減的數(shù)據(jù)比擬少。Currie等給出了一些掠射角為30的結(jié)果。圖2.14給出了頻率為35GHz和95GHz時樹葉造成的雙程衰減，可以看到，隨著樹葉深度的增加，總衰減是加速增加的，即曲線斜率也增加了。必須指明的是：圖2.14是一組平均結(jié)果，而且會隨氣候、環(huán)境等條件不同而變化。圖2.SEQ圖_2.\*ARABIC14樹葉的雙重衰減與樹葉深度的關(guān)系2.4.3多徑效應(yīng)對于毫米波雷達和毫米波通信，必須考慮電磁波傳播路徑中地面和障礙物造成的多徑效應(yīng)。在雷達系統(tǒng)中多徑效應(yīng)會造成后向散射起伏和前向散射干擾，在通信系統(tǒng)中多徑效應(yīng)一般都要產(chǎn)生干擾。干擾效果一般與外表粗糙因子R有關(guān)： (2.36)式中：是反射點附近的路徑上外表不規(guī)那么，相對于平均外表高度的標準偏差；是法線和入射線之間的入射角；是工作波長。對于小反射系數(shù)來說，當R<0.1時，認為外表是光滑的；當R>10時，外表是粗糙外表。在毫米波范圍內(nèi)，地面一般表現(xiàn)為粗糙外表，因此對視線傳播系統(tǒng)，繞射損耗是很大的。在粗糙外表上，頻率愈高，信號損失愈顯著。折射率變化形成的大氣波導(dǎo)效應(yīng)也會造成實現(xiàn)傳播系統(tǒng)信號電平的削弱。如海面上大氣波導(dǎo)現(xiàn)象更經(jīng)常、范圍更廣泛，產(chǎn)生很大的干擾。大氣波導(dǎo)泄漏造成的信號損失、粗糙海面散射造成的信號損失以及海面高濕度造成的信號損失都隨頻率而增加。對于雷達應(yīng)用，背景雜散干擾是相當明顯的。表2.9和表2.10給出了不同地面和海面的平均反射。表2.SEQ表2.\*ARABIC9陸地雜散干擾的平均特性波長下降角單位面積RCS(dB)濕樹林干樹林干草地濕雪地硬殼雪地8.620-222880-22-20-10150-18-8300-15-19450-11-183.220-228017150<-10<-10300-11-8450-7-5表2.SEQ表2.\*ARABIC10海面平均后向散射特性〔1.40下降角〕波長(mm)波浪高度(m)風(fēng)速(km/hr)單位面積平均RCS(dB)水平極化垂直極化8.60.18063.7-59.80.300-41.8-43.60.5019.3-44.1-37.31.1017.73.26.4-38-43.011.235-43.019.3-35-38.0一般來說，毫米波頻段干擾雜波是隨頻率和下降角〔入射線與地平線的夾角〕的增加而增加的，對于海面雜波干擾也是這樣。海面雜波特性與地面雜波特性不同，海面氣象以及雷達接收機噪聲也不相同，海面雜波包括非瑞利振幅分布、極化因素、距離因素、自協(xié)方差和頻譜、海面前向散射以及風(fēng)向和頻率等因素。盡管有一些關(guān)于陸地和海面雜波的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)還需要大大擴展。關(guān)于樹林掠入射的反射數(shù)據(jù)，關(guān)于道路、建筑物、河流、不同水面情況下的湖泊、風(fēng)速、樹葉深度以及目標的幾何形狀等等的數(shù)據(jù)，對于深刻理解毫米波行為特征和設(shè)計毫米波系統(tǒng)都是必需的。視線路徑上的障礙物如樹叢或建筑物作為不透明物體，它們產(chǎn)生的衰減可近似為(dB) (2.37)式中：是視線之上的障礙物的高度；是波長；是折射角?？拷撩撞ㄦ溌返母叽蠼ㄖ锏纳⑸鋾鸲鄰絺鞑ナд?。散射信號的大小與系統(tǒng)的幾何位置有關(guān)，如果毫米波系統(tǒng)采用高增益天線，多徑效應(yīng)將被削弱。高增益天線削弱了從主波瓣進人的多徑散射，但副波瓣和尾波瓣仍然引起散射失真。目標和雜亂散射產(chǎn)生的雷達回波的統(tǒng)汁特性使雷達檢測問題變得復(fù)雜了。應(yīng)當指出，在大多數(shù)情況下，障礙物的作用沒有各種條件下大氣衰