微波传输中沙尘衰减的计算与仿真.pdf

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第17卷第8期强激光与粒子束Vol.17,No.82005年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,2005文章编号:

100124322（2005）0821259204微波传输中沙尘衰减的计算与仿真3周旺1,周东方1,2,侯德亭1,胡涛1,翁凌雯1（1.解放军信息工程大学信息工程学院,郑州河南450002;2.浙江大学信息科学与工程学院,浙江杭州310022）摘要:

沙尘衰减对高功率微波在大气中的传播有较大的影响,通过结合干沙的复介电常数公式与Ray提出的水的介电常数公式给出了沙尘衰减的计算模型,利用该模型分析了爆炸沙尘、车扬沙尘和自然沙尘的衰减。

根据数值计算结果,仿真了不同含水量的沙尘衰减率随微波频率的变化,结果表明:

在频率不是太高时,自然风沙和车扬沙尘对微波传输的影响不大,而爆炸环境下的沙尘衰减必须要考虑;沙尘衰减随水含量的增加而明显上升,此效应在较小差别的20%30%水含量中处于饱和状态,这说明在高湿度热带地区的沙尘衰减将比沙漠和半沙漠地区的衰减大得多。

关键词:

介电常数;含水量;沙尘衰减;衰减率中图分类号:

TN011文献标识码:

A沙尘分为沙暴和尘暴两类。

在Bagnold经典著作中,将沙暴和尘暴进行了区分。

除了自然形成的沙尘以外,还有人工形成的沙尘,例如爆炸或车辆行进产生的沙尘,爆炸沙尘的规模、尺寸分布与爆炸区域、爆炸强度有关。

实验证明,战场爆炸环境下,沙尘衰减对毫米波传输的影响是相当严重的。

本文给出了沙尘粒径分布函数、沙尘介电常数计算公式以及沙尘衰减的工程算法。

1沙尘衰减的数值计算1.1沙尘尺寸分布沙粒的形状具有复杂的多样性,它取决于地区环境与沙尘的成因。

沙尘的尺寸分布在几十到几百m范围内。

1986年Bashir提出沙尘粒径分布呈指数模式,假设D0是粒径的平均值,则有N（D）=N02exp（-D/D0）

（1）式中:

N（D）为粒子尺寸分布的密度函数。

测量结果表明:

沙尘粒径分布并不呈指数分布,更加接近于对数正态分布,即N（D）=N0p（D）

（2）p（D）=12Dexp-（lnD-m）222（3）式中:

N0为沙尘的体密度（1/m3）;p（D）为描述粒子的尺寸分布的密度函数;m和为lnD的均值和标准偏差。

对于中国腾格里沙漠和黄河沙滩,沙尘样品的体密度0,lnD的均值m和标准偏差列于表1。

表1沙粒粒径分布的统计参数Table1StatisticalparameterofsizedistributionofsandgrainareatypemN0/cm-3TengGe2lidesertexplosivesand-8.4890.6636.272106sandbenchofYellowRivernaturalsand-9.7180.4051.630105sandbenchofYellowRivervehicularsand-9.4480.4811.8801061.2沙尘的介电常数和衰减算法沙尘的复介电常数是频率和含水量的函数。

干沙的复介电常数的经验公式为s=3s=60=1.810（2lgf-2.8）/f,0.8GHzf80GHz18.2560/f,f80GHz（4）3收稿日期:

2004210208;修订日期:

2005205208基金项目:

国家863计划项目资助课题作者简介:

周旺（1980）,男,硕士研究生,从事高功率微波研究;郑州1001信箱826分箱;E2mail:

wooshzhou。

1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.式中:

s和s分别为沙尘的复介电常数的实部和虚部。

将干沙和水的介电常数代入混合物等效法介电常数的公式中,可求出湿沙尘的复介电常数。

本文先求水的复介电常数。

水的介电特性是由水分子的极性造成的,Debye最早给出了水的复介电常数为w=+s-1+is/（5）式中:

s是静电场的水的相对介电常数,近似于80。

s是松弛波长（m）;是工作波长（m）。

瑞（Ray）研究了许多测量的结果之后,提出了一套与实验相符的经验公式（Ray,1957）,模型实用于t=-2050及=2m500m。

水的复介电常数的实部w和虚部w分别为w=+（s-）1-（s）1-sin21+2（s）1-sin2+（s）2（1-）（6）w=（s-）（s）1-cos21+2（s）1-sin2+（s）2（1-）+w18.84961010（7）式中:

s=78.541-4.57910-3（t-25）+1.1910-5（t-25）2-2.810-8（t-25）3;w=12.5664108Sm-1;=5.27137+0.0216474t-0.00131198t2;=-16.8129/（t+273）+0.0609265;s=0.00033836exp2513.98/（t+273）。

图1表示温度为0,10和25的水复介电常数的实部和虚部的曲线,其频率范围从0.11000GHz。

由图可见,在频率为2030GHz范围内折射率的虚部有一个峰值,这反映在这个频段有一个吸收峰,这与分子吸收理论一致。

Fig.1Realandimaginarypartofwatercomplexdielectricconstant图1水的复介电常数的实部和虚部由麦克斯韦2格尼特（Garnet）公式可以计算非均匀的水凝体的介电常数e=s1+3pw-sw+2s1-pw-sw+2s（8）式中:

e为湿沙的复介电常数;s和w分别为干沙和水的复介电常数;p为水的体积百分数。

从图2可以看出湿沙复介电常数的实部在16.5范围内变化,复介电常数的虚部随沙尘含水量的增加而增加。

2沙尘衰减的仿真由粒子散射产生的衰减率（dB/km）和相移率（/km）为:

=8.6861032k2Dm0ReS（0）N（D）dD,=57.2961032k2Dm0ImS（0）N（D）dD（9）0621强激光与粒子束第17卷1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.Fig.2Realandimaginarypartofcomplexdielectricconstantofsandwithdifferentwatercontent图2湿沙不同含水量的复介电常数的实部和虚部式中:

k为自由空间传播常数（m-1）;N（D）为粒子尺寸分布密度;D为粒子直径（mm）。

求得沙尘衰减率的表达式s=8.6861032k20ReS（0）N（D）dD（10）考虑到沙尘粒径远小于波长,前向散射幅度S（0）可用瑞利近似公式表示,并将对数正态分布函数代入（10）式,可得不含积分的沙尘衰减率表达式s=0.42881063（+2）2+2fN0exp（3m+4.52）（11）爆炸引起的沙尘,它类似于大型的沙暴,称之为爆炸沙尘。

车辆行进扬起的风沙,称之为车扬风沙。

刮风引起的沙尘,称之为自然风沙。

图3分别给出三种沙尘环境的衰减率随频率变化的计算曲线。

计算条件为采用六种含水量（5%,10%,15%,20%,25%,30%）沙尘的复介电常数值;沙尘粒径统计参数为表1对应的沙尘体密度N0,lnD均值m和标准偏差。

Fig.3VariationofAttenuationratewithfrequencyunderexplosive,vehicularandnaturalsand图3爆炸、车扬沙尘与自然风沙衰减率与频率的关系3结论分析本文仿真结果可以看出,爆炸沙尘的衰减率要远远高于车扬沙尘和自然风沙的衰减率。

计算结果还表明,衰减随水含量的增加而明显上升,此效应在较小差别的20%30%水含量中处于饱和状态。

因此,可以认为,在高湿度的热带地区,沙尘衰减将比沙漠和半沙漠地区的衰减大得多。

参考文献:

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微波传输中沙尘衰减的计算与仿真1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.3McEwanNJ,BashirSO.Microwavepropagationinsandandduststorms:

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电子工业出版社,1998.（XiongH.Radiowavepropagation.Beijing:

PublishingHouseofElectronicsIndus2try,1998）CalculationandsimulationofsandanddustattenuationinmicrowavepropagationZHOUWang1,ZHOUDong2fang1,2,HOUDe2ting1,HUTao1,WENGLing2wen1（1.InformationandEngineeringCollege,PLAInformationEngineeringUniversity,P.O.Box10012826,Zhengzhou450002,China;2.CollegeofInformationScienceandEnginerring,ZhejiangUniversity,Hangzhou310022,China）Abstract:

Thesandanddustattenuationhasagreateffectonthemicrowavepropagationintheair.Thecalculationmodelofthesandanddustattenuationwasgot,combiningtheformulaofthecomplexdielectricconstantofdrysandwiththedielectricconstantofwater.Themodelanalysedtheattenuationofsandanddustproducedbyexplosion,vehicleandnature,andsimulatedattenuationrateofsandwithdifferentcontentofwater.Theresultofnumericalcalculationshowsthatnaturalsandandvehicularsandhavelittleeffectonmicrowavewhenthefrequencyisnotveryhigh,buttheattenuationofexplosivesandcouldnotbeig2nored.Italsoshowstheattenuationofexplosivesandrisesquicklyalongwiththeincreaseofwatercontent.Thiseffectreachessaturatedstatewhenthehumidityrangesfrom20%to30%.Therefore,thesandanddustattenuationofhighmoisturetropicalareaisgreaterthanthatofdesertorhalf2desert.Keywords:

Dielectricconstant;Waterpercent;Sandanddustattenuation;Attenuationrate2621强激光与粒子束第17卷1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.