本文關(guān)鍵詞：基于拋物方程的復雜氣象環(huán)境電磁建模及仿真研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：毫米波技術(shù)已廣泛應用于通信、雷達、制導、遙感等軍用和民用各領域之中。但由于其波長較短,毫米波在對流層傳播時容易受到氣象環(huán)境的影響,產(chǎn)生的傳播衰減主要包括大氣氣體吸收、降雨、降霧衰減和沙塵暴衰減。且當出現(xiàn)降雨、降霧或沙塵暴等惡劣天氣現(xiàn)象時,由大氣吸收和惡劣環(huán)境共同作用產(chǎn)生的傳播衰減較為嚴重,從而影響毫米波系統(tǒng)的工作性能。因此研究毫米波在對流層復雜氣象環(huán)境中的傳播具有重要意義。在現(xiàn)有的對流層電波傳播模型中,拋物方程法本身就體現(xiàn)了電波傳播的折射和繞射效應,能同時描述復雜地表環(huán)境和復雜媒質(zhì)因素的變化情況,特別是采用分步傅里葉變換算法后,可以快速得到公里級大區(qū)域的電磁數(shù)據(jù),因此在對流層電波傳播問題中得到了廣泛的應用和研究。本文的研究圍繞著拋物方程的復雜氣象環(huán)境電磁建模展開,研究了雨、霧及沙塵暴媒質(zhì)的等效介電常數(shù),并基于這些等效介電常數(shù),形成了以拋物方程為核心的大區(qū)域復雜地理和氣象環(huán)境的電波傳播模型,為毫米波傳播特性的研究和發(fā)展提供理論依據(jù)和研究思路,本文的主要研究工作如下：第一,詳細介紹了拋物方程的基本原理,分步傅里葉變換算法的計算流程,以及不規(guī)則地形和粗糙海面的建模方法。在此基礎上,提出了求解毫米波大氣吸收衰減的拋物方程方法。根據(jù)大氣壓強、溫度和濕度三個氣象參數(shù),利用大氣復折射率模型計算每個步進上的大氣折射率,將其引入到拋物方程的折射項,就可以實現(xiàn)利用拋物方程法分析傳播路徑上的大氣吸收衰減。同時,應用該模型研究了毫米波在海面環(huán)境中的傳播問題。第二,本文將傳播路徑上的惡劣氣象環(huán)境等效為填充顆粒(雨滴、霧滴和沙粒)與空氣形成的混合物,根據(jù)介質(zhì)的極化理論,研究了混合媒質(zhì)等效介電常數(shù)的求解方法,該方法中不但考慮了氣象環(huán)境的物理特性,如形狀、大小、溫度、分布情況等,同時也考慮了退極化場對粒子內(nèi)部場和外部場的影響。應用上述方法計算了沙塵暴環(huán)境的等效介電常數(shù),分析了其隨溫度、能見度及電磁波頻率的變化規(guī)律。利用得到的等效介電常數(shù),提出了計算毫米波沙塵暴衰減的拋物方程方法,應用該方法研究了毫米波在均勻分布和非均勻分布的沙塵暴環(huán)境中的傳播問題。第三,研究了降霧環(huán)境中毫米波波傳播的拋物方程模型,將拋物方程用于復雜環(huán)境中毫米波霧衰減的計算,采用Rayleigh模型對其計算精度進行了驗證,并分析了粗糙海面環(huán)境、不規(guī)則地形環(huán)境中的毫米波霧衰減。針對海霧與大氣波導同時存在的情況,研究了海霧與懸空波導混合環(huán)境中的毫米波傳播特性,結(jié)果表明拋物方程方法能夠同時體現(xiàn)毫米波傳播的波導效應以及霧衰減特性。第四,將雨介質(zhì)等效為球形小雨滴和橢球形大雨滴與空氣形成的各向異性媒質(zhì),本文對雨介質(zhì)的電磁建模技術(shù)展開了研究,提出的雨介質(zhì)等效介電常數(shù)模型考慮了降雨強度、雨滴的大小、分布、溫度、形狀以及電磁波的頻率和極化方式的影響,并討論了雨滴在電磁波作用下輻射能量的影響。基于雨介質(zhì)的等效介電常數(shù),首次提出了利用拋物方程方法研究復雜環(huán)境中的毫米波雨衰減特性,其計算精度與ITU-R模型可比擬,而且同時體現(xiàn)了毫米波傳播的多徑效應。同時,基于以上研究成果,構(gòu)建了以拋物方程模型為核心的電波傳播模型,該模型包含不規(guī)則地形、粗糙海面等復雜地理結(jié)構(gòu)以及降雨、降霧、沙塵暴、大氣波導等多種氣象環(huán)境,適用于大區(qū)域多種地理和氣象環(huán)境中電波傳播問題的求解,在實際工程應用中具有較大的參考價值。第五,研究了適用于電磁脈沖傳播問題的拋物方程方法。本文利用頻域拋物方程計算帶寬內(nèi)單頻點的電磁場,忽略非頻帶內(nèi)頻點的影響,從而提高了計算效率,再通過Fourier逆變換得到接收點的脈沖信號。討論了Fourier變換尺度的選擇方法,同時提出了基于OpenMP的并行計算方案,通過充分利用計算機資源進一步提高了計算效率,最后分析了復雜地表環(huán)境中的脈沖信號傳播衰減。
【關(guān)鍵詞】：拋物方程 電波傳播 復雜環(huán)境 等效介電常數(shù) 毫米波衰減 大氣吸收
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN011
【目錄】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 緒論13-23
• 1.1 研究背景和意義13-14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-20
• 1.2.1 拋物方程的起源及發(fā)展14-17
• 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀17-18
• 1.2.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3 論文的主要工作和研究內(nèi)容20-23
• 第2章 拋物方程的基本原理及大氣衰減模型23-44
• 2.1 二維拋物方程模型23-36
• 2.1.1 拋物方程模型及SSFT算法23-28
• 2.1.2 WAPE模型的精度驗證28-30
• 2.1.3 不規(guī)則地形的建模方法30-34
• 2.1.4 粗糙海面的建模方法34-36
• 2.2 大氣吸收的WAPE模型36-41
• 2.3 海面環(huán)境中的電波傳播模擬41-42
• 2.4 本章小結(jié)42-44
• 第3章 混合媒質(zhì)電磁建模方法及沙塵暴衰減的仿真研究44-56
• 3.1 合媒質(zhì)等效介電常數(shù)模型44-47
• 3.1.1 等效介電常數(shù)模型的建立44-45
• 3.1.2 Maxwell Garnett公式45-47
• 3.2 沙塵暴的等效介電常數(shù)47-51
• 3.2.1 沙塵暴的物理特性47-48
• 3.2.2 沙塵粒子的介電常數(shù)48-50
• 3.2.3 沙塵暴等效介電常數(shù)50-51
• 3.3 沙塵暴環(huán)境的拋物方程模型及其驗證51-52
• 3.4 復雜地理環(huán)境中沙塵暴衰減的仿真分析52-55
• 3.5 本章小結(jié)55-56
• 第4章 毫米波在降霧環(huán)境中的傳播特性研究56-69
• 4.1 霧介質(zhì)的電磁建模56-59
• 4.1.1 霧的物理特性56-57
• 4.1.2 霧介質(zhì)等效介電常數(shù)模型57-59
• 4.1.3 霧霾的等效電磁參數(shù)模型初探59
• 4.2 霧衰減的預測模型59-61
• 4.2.1 Rayleigh近似法及經(jīng)驗模型59-61
• 4.2.2 預測霧衰減的拋物方程模型61
• 4.3 復雜環(huán)境中霧衰減的仿真分析61-64
• 4.3.1 粗糙海面上的平流霧衰減62-63
• 4.3.2 不規(guī)則地形環(huán)境中的輻射霧衰減63-64
• 4.4 海霧與大氣波導混合環(huán)境中的毫米波傳播特性64-68
• 4.4.1 大氣波導環(huán)境中的電波傳播64-66
• 4.4.2 海霧與大氣波導混合環(huán)境中的毫米波傳播66-68
• 4.5 本章小結(jié)68-69
• 第5章 雨介質(zhì)的電磁建模及仿真研究69-82
• 5.1 雨介質(zhì)等效介電常數(shù)69-73
• 5.1.1 雨的物理特征69-70
• 5.1.2 雨介質(zhì)的等效介電常數(shù)70-73
• 5.2 降雨環(huán)境中的拋物方程模型73-75
• 5.3 復雜環(huán)境中雨衰減的仿真分析75-77
• 5.4 綜合復雜地理和氣象環(huán)境電波傳播77-80
• 5.5 本章小結(jié)80-82
• 第6章 電磁脈沖傳播的拋物方程模型82-92
• 6.1 電磁脈沖傳播的計算方法82-84
• 6.2 OpenMP并行計算84-87
• 6.3 復雜環(huán)境中的脈沖傳播87-90
• 6.3.1 不規(guī)則地形環(huán)境87-89
• 6.3.2 綜合環(huán)境89-90
• 6.4 本章小結(jié)90-92
• 第7章 總結(jié)與展望92-95
• 7.1 本文工作總結(jié)92-93
• 7.2 研究展望93-95
• 致謝95-96
• 參考文獻96-107
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文及承擔的科研項目107-108
• 學術(shù)論文107-108
• 科研項目

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本文編號：473628