蒸发波导环境下风浪对电磁波传播影响的数值模拟研究
发布时间：2021-09-06 01:27
蒸发波导是一种特殊的大气波导,在其中传播的电磁波信号会被陷获在近海大气层中,实现超视距传播。受海表面温度、湿度、风速、微波频率等因素的影响,海洋蒸发波导环境中的微波传播特性起伏变化很大,规律十分复杂。以往的工作主要通过计算这些气象因素对蒸发波导条件下大气折射率剖面的影响来分析它们对路径损失的作用,其结果与实验数据仍有较大差异。本文在一定的蒸发波导条件下,利用一维分形海面模型产生海面"地形",将其作为抛物方程电磁波传播模型的边界条件进行计算,得到相应的路径损失,并与传统计算方法进行对比,分析了不同蒸发波导高度、不同频率及不同接收天线高度时的数值模拟情况,可为舰艇通信系统或者雷达系统的设计提供相应的依据。
【文章来源】：海洋与湖沼. 2020,51(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
蒸发波导修正折射率剖面Fig.3Modifiedrefractiveindexprofileoftheevaporationduct
16海洋与湖沼51卷图3蒸发波导修正折射率剖面Fig.3Modifiedrefractiveindexprofileoftheevaporationduct数值模拟参数设定为:电磁波频率8GHz,天线高度3m,天线极化方式为水平极化,最远计算距离为100km。将生成的海浪模型作为地形信息,与计算得到的修正折射率剖面作为抛物方程模型的输入,计算可得到风浪影响情况下的近海面传播路径损失,如图4所示。图4考虑风浪时蒸发波导中微波传播的路径损失Fig.4Thepathlossofmicrowavepropagationintheevaporationductinconsiderationofthetopographyofseasurface为了与不考虑风浪地形影响时的情况进行对比,我们计算了后者的电磁波传播路径损失如图5。图5不考虑风浪时蒸发波导中的微波传播的路径损失Fig.5Thepathlossofmicrowavepropagationintheevaporationductinnoconsiderationofthetopographyofseasurface对比图4与图5,可看出,考虑风浪地形影响时,蒸发波导陷获层以内的电磁波能量随距离衰减更快,大约60km后路径损失就增大到170dB以上;对于蒸发波导高度以上的区域,由于海浪表面的遮挡及反射等,电磁波互相干涉产生不平滑的条纹。图6给出了若干个接收高度处,电磁波传播路径损失随距离变化的曲线。其中图6a是考虑风浪地形影响时的情况,图6b为不考虑时的情况。从二者的对比可以看出,无论接收天线高度为3、5或7m,考虑风浪影响时的路径损失都会大于不考虑时。在传播距离较近时,两种情况的差值较小,40km处对应的差值大约为8dB;随着传播距离的增大,两种情况的差值会逐渐变大,在100km处达到了约
1期闫西荡等:蒸发波导环境下风浪对电磁波传播影响的数值模拟研究17比较平缓,而考虑风浪地形时曲线多了很多起伏,并且曲线上毛刺的起伏程度随着接收天线的高度增加而有所增加。图7给出了若干个接收距离处,电磁波传播路径损失随高度变化的曲线。其中图7a是考虑风浪地形影响时的情况,图7b为不考虑时的情况。从图中可以看出,在近海面低高度的十几米的范围内,无论接收天线距离为40或100km,考虑风浪影响时的路径损失都会大于不考虑时,并且两种情况下路径损失随高度变化的曲线起伏都比较校超过一定的高度范围后,两种情况路径损失的最小值差距并不大,但有风浪影响时的路径损失却会在某些高度处有一些比较大的起伏,与无风浪影响时的差值可能达到30dB以上。由于模拟海面的随机性,这些较大路径损失出现的高度并不稳定,也会给接收信号强度带来比较强的随机性。图7考虑海浪(a)与不考虑海浪(b)时不同接收距离上电磁波路径损失随高度变化曲线Fig.7Thepathlossofelectromagneticwaveversusheightatdifferentreceivingdistances为了深入分析风速海浪地形对传播的影响,本文继续采用更多的参数设置,以研究不同频率、不同风速等条件下的路径损失分布。(1)考虑风浪地形时,不同蒸发波导高度对微波传播路径损失的影响(情况1);(2)风浪地形对不同频率微波传输的影响(情况2);(3)不同风速产生的海浪对微波传播的影响(情况3)。三种条件下抛物方程模型的数值模拟输入参数如表1所示,蒸发波导中其他环境条件则与图3中一致。表1蒸发波导风浪影响数值模拟输入参数Tab.1Simulationconf
【参考文献】：
期刊论文
[1]On analyzing space-time distribution of evaporation duct height over the global ocean[J]. YANG Kunde,ZHANG Qi,SHI Yang,HE Zhengyao,LEI Bo,HAN Yina. Acta Oceanologica Sinica. 2016(07)
[2]A New Evaporation Duct Climatology over the South China Sea[J]. 史阳,杨坤德,杨益新,马远良. Journal of Meteorological Research. 2015(05)
[3]改进的一维分形模型在海面电磁散射中的应用[J]. 王运华,郭立新,吴振森. 电子学报. 2007(03)
[4]蒸发波导中雷达异常性能的仿真与分析[J]. 黄小毛,张永刚,王华,唐海川. 系统仿真学报. 2006(02)
[5]一种预测低层大气折射率剖面的实用方法[J]. 刘成国,潘中伟,蔺发军,杨玉萍,郭丽. 电波科学学报. 1998(04)
博士论文
[1]蒸发波导建模及微波传输特性研究[D]. 史阳.西北工业大学 2017
[2]蒸发波导环境特性和传播特性及其应用研究[D]. 刘成国.西安电子科技大学 2003
本文编号：3386460
【文章来源】：海洋与湖沼. 2020,51(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
蒸发波导修正折射率剖面Fig.3Modifiedrefractiveindexprofileoftheevaporationduct
16海洋与湖沼51卷图3蒸发波导修正折射率剖面Fig.3Modifiedrefractiveindexprofileoftheevaporationduct数值模拟参数设定为:电磁波频率8GHz,天线高度3m,天线极化方式为水平极化,最远计算距离为100km。将生成的海浪模型作为地形信息,与计算得到的修正折射率剖面作为抛物方程模型的输入,计算可得到风浪影响情况下的近海面传播路径损失,如图4所示。图4考虑风浪时蒸发波导中微波传播的路径损失Fig.4Thepathlossofmicrowavepropagationintheevaporationductinconsiderationofthetopographyofseasurface为了与不考虑风浪地形影响时的情况进行对比,我们计算了后者的电磁波传播路径损失如图5。图5不考虑风浪时蒸发波导中的微波传播的路径损失Fig.5Thepathlossofmicrowavepropagationintheevaporationductinnoconsiderationofthetopographyofseasurface对比图4与图5,可看出,考虑风浪地形影响时,蒸发波导陷获层以内的电磁波能量随距离衰减更快,大约60km后路径损失就增大到170dB以上;对于蒸发波导高度以上的区域,由于海浪表面的遮挡及反射等,电磁波互相干涉产生不平滑的条纹。图6给出了若干个接收高度处,电磁波传播路径损失随距离变化的曲线。其中图6a是考虑风浪地形影响时的情况,图6b为不考虑时的情况。从二者的对比可以看出,无论接收天线高度为3、5或7m,考虑风浪影响时的路径损失都会大于不考虑时。在传播距离较近时,两种情况的差值较小,40km处对应的差值大约为8dB;随着传播距离的增大,两种情况的差值会逐渐变大,在100km处达到了约
1期闫西荡等:蒸发波导环境下风浪对电磁波传播影响的数值模拟研究17比较平缓,而考虑风浪地形时曲线多了很多起伏,并且曲线上毛刺的起伏程度随着接收天线的高度增加而有所增加。图7给出了若干个接收距离处,电磁波传播路径损失随高度变化的曲线。其中图7a是考虑风浪地形影响时的情况,图7b为不考虑时的情况。从图中可以看出,在近海面低高度的十几米的范围内,无论接收天线距离为40或100km,考虑风浪影响时的路径损失都会大于不考虑时,并且两种情况下路径损失随高度变化的曲线起伏都比较校超过一定的高度范围后,两种情况路径损失的最小值差距并不大,但有风浪影响时的路径损失却会在某些高度处有一些比较大的起伏,与无风浪影响时的差值可能达到30dB以上。由于模拟海面的随机性,这些较大路径损失出现的高度并不稳定,也会给接收信号强度带来比较强的随机性。图7考虑海浪(a)与不考虑海浪(b)时不同接收距离上电磁波路径损失随高度变化曲线Fig.7Thepathlossofelectromagneticwaveversusheightatdifferentreceivingdistances为了深入分析风速海浪地形对传播的影响,本文继续采用更多的参数设置,以研究不同频率、不同风速等条件下的路径损失分布。(1)考虑风浪地形时,不同蒸发波导高度对微波传播路径损失的影响(情况1);(2)风浪地形对不同频率微波传输的影响(情况2);(3)不同风速产生的海浪对微波传播的影响(情况3)。三种条件下抛物方程模型的数值模拟输入参数如表1所示,蒸发波导中其他环境条件则与图3中一致。表1蒸发波导风浪影响数值模拟输入参数Tab.1Simulationconf
【参考文献】：
期刊论文
[1]On analyzing space-time distribution of evaporation duct height over the global ocean[J]. YANG Kunde,ZHANG Qi,SHI Yang,HE Zhengyao,LEI Bo,HAN Yina. Acta Oceanologica Sinica. 2016(07)
[2]A New Evaporation Duct Climatology over the South China Sea[J]. 史阳,杨坤德,杨益新,马远良. Journal of Meteorological Research. 2015(05)
[3]改进的一维分形模型在海面电磁散射中的应用[J]. 王运华,郭立新,吴振森. 电子学报. 2007(03)
[4]蒸发波导中雷达异常性能的仿真与分析[J]. 黄小毛,张永刚,王华,唐海川. 系统仿真学报. 2006(02)
[5]一种预测低层大气折射率剖面的实用方法[J]. 刘成国,潘中伟,蔺发军,杨玉萍,郭丽. 电波科学学报. 1998(04)
博士论文
[1]蒸发波导建模及微波传输特性研究[D]. 史阳.西北工业大学 2017
[2]蒸发波导环境特性和传播特性及其应用研究[D]. 刘成国.西安电子科技大学 2003
本文编号：3386460
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