基于抛物方程的复杂气象环境电磁建模及仿真研究

发布时间：2017-06-23 02:03

  本文关键词：基于抛物方程的复杂气象环境电磁建模及仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：毫米波技术已广泛应用于通信、雷达、制导、遥感等军用和民用各领域之中。但由于其波长较短,毫米波在对流层传播时容易受到气象环境的影响,产生的传播衰减主要包括大气气体吸收、降雨、降雾衰减和沙尘暴衰减。且当出现降雨、降雾或沙尘暴等恶劣天气现象时,由大气吸收和恶劣环境共同作用产生的传播衰减较为严重,从而影响毫米波系统的工作性能。因此研究毫米波在对流层复杂气象环境中的传播具有重要意义。在现有的对流层电波传播模型中,抛物方程法本身就体现了电波传播的折射和绕射效应,能同时描述复杂地表环境和复杂媒质因素的变化情况,特别是采用分步傅里叶变换算法后,可以快速得到公里级大区域的电磁数据,因此在对流层电波传播问题中得到了广泛的应用和研究。本文的研究围绕着抛物方程的复杂气象环境电磁建模展开,研究了雨、雾及沙尘暴媒质的等效介电常数,并基于这些等效介电常数,形成了以抛物方程为核心的大区域复杂地理和气象环境的电波传播模型,为毫米波传播特性的研究和发展提供理论依据和研究思路,本文的主要研究工作如下：第一,详细介绍了抛物方程的基本原理,分步傅里叶变换算法的计算流程,以及不规则地形和粗糙海面的建模方法。在此基础上,提出了求解毫米波大气吸收衰减的抛物方程方法。根据大气压强、温度和湿度三个气象参数,利用大气复折射率模型计算每个步进上的大气折射率,将其引入到抛物方程的折射项,就可以实现利用抛物方程法分析传播路径上的大气吸收衰减。同时,应用该模型研究了毫米波在海面环境中的传播问题。第二,本文将传播路径上的恶劣气象环境等效为填充颗粒(雨滴、雾滴和沙粒)与空气形成的混合物,根据介质的极化理论,研究了混合媒质等效介电常数的求解方法,该方法中不但考虑了气象环境的物理特性,如形状、大小、温度、分布情况等,同时也考虑了退极化场对粒子内部场和外部场的影响。应用上述方法计算了沙尘暴环境的等效介电常数,分析了其随温度、能见度及电磁波频率的变化规律。利用得到的等效介电常数,提出了计算毫米波沙尘暴衰减的抛物方程方法,应用该方法研究了毫米波在均匀分布和非均匀分布的沙尘暴环境中的传播问题。第三,研究了降雾环境中毫米波波传播的抛物方程模型,将抛物方程用于复杂环境中毫米波雾衰减的计算,采用Rayleigh模型对其计算精度进行了验证,并分析了粗糙海面环境、不规则地形环境中的毫米波雾衰减。针对海雾与大气波导同时存在的情况,研究了海雾与悬空波导混合环境中的毫米波传播特性,结果表明抛物方程方法能够同时体现毫米波传播的波导效应以及雾衰减特性。第四,将雨介质等效为球形小雨滴和椭球形大雨滴与空气形成的各向异性媒质,本文对雨介质的电磁建模技术展开了研究,提出的雨介质等效介电常数模型考虑了降雨强度、雨滴的大小、分布、温度、形状以及电磁波的频率和极化方式的影响,并讨论了雨滴在电磁波作用下辐射能量的影响。基于雨介质的等效介电常数,首次提出了利用抛物方程方法研究复杂环境中的毫米波雨衰减特性,其计算精度与ITU-R模型可比拟,而且同时体现了毫米波传播的多径效应。同时,基于以上研究成果,构建了以抛物方程模型为核心的电波传播模型,该模型包含不规则地形、粗糙海面等复杂地理结构以及降雨、降雾、沙尘暴、大气波导等多种气象环境,适用于大区域多种地理和气象环境中电波传播问题的求解,在实际工程应用中具有较大的参考价值。第五,研究了适用于电磁脉冲传播问题的抛物方程方法。本文利用频域抛物方程计算带宽内单频点的电磁场,忽略非频带内频点的影响,从而提高了计算效率,再通过Fourier逆变换得到接收点的脉冲信号。讨论了Fourier变换尺度的选择方法,同时提出了基于OpenMP的并行计算方案,通过充分利用计算机资源进一步提高了计算效率,最后分析了复杂地表环境中的脉冲信号传播衰减。
【关键词】：抛物方程 电波传播 复杂环境 等效介电常数 毫米波衰减 大气吸收
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN011
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 研究背景和意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-20
• 1.2.1 抛物方程的起源及发展14-17
• 1.2.2 国外研究现状17-18
• 1.2.3 国内研究现状18-20
• 1.3 论文的主要工作和研究内容20-23
• 第2章 抛物方程的基本原理及大气衰减模型23-44
• 2.1 二维抛物方程模型23-36
• 2.1.1 抛物方程模型及SSFT算法23-28
• 2.1.2 WAPE模型的精度验证28-30
• 2.1.3 不规则地形的建模方法30-34
• 2.1.4 粗糙海面的建模方法34-36
• 2.2 大气吸收的WAPE模型36-41
• 2.3 海面环境中的电波传播模拟41-42
• 2.4 本章小结42-44
• 第3章 混合媒质电磁建模方法及沙尘暴衰减的仿真研究44-56
• 3.1 合媒质等效介电常数模型44-47
• 3.1.1 等效介电常数模型的建立44-45
• 3.1.2 Maxwell Garnett公式45-47
• 3.2 沙尘暴的等效介电常数47-51
• 3.2.1 沙尘暴的物理特性47-48
• 3.2.2 沙尘粒子的介电常数48-50
• 3.2.3 沙尘暴等效介电常数50-51
• 3.3 沙尘暴环境的抛物方程模型及其验证51-52
• 3.4 复杂地理环境中沙尘暴衰减的仿真分析52-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第4章 毫米波在降雾环境中的传播特性研究56-69
• 4.1 雾介质的电磁建模56-59
• 4.1.1 雾的物理特性56-57
• 4.1.2 雾介质等效介电常数模型57-59
• 4.1.3 雾霾的等效电磁参数模型初探59
• 4.2 雾衰减的预测模型59-61
• 4.2.1 Rayleigh近似法及经验模型59-61
• 4.2.2 预测雾衰减的抛物方程模型61
• 4.3 复杂环境中雾衰减的仿真分析61-64
• 4.3.1 粗糙海面上的平流雾衰减62-63
• 4.3.2 不规则地形环境中的辐射雾衰减63-64
• 4.4 海雾与大气波导混合环境中的毫米波传播特性64-68
• 4.4.1 大气波导环境中的电波传播64-66
• 4.4.2 海雾与大气波导混合环境中的毫米波传播66-68
• 4.5 本章小结68-69
• 第5章 雨介质的电磁建模及仿真研究69-82
• 5.1 雨介质等效介电常数69-73
• 5.1.1 雨的物理特征69-70
• 5.1.2 雨介质的等效介电常数70-73
• 5.2 降雨环境中的抛物方程模型73-75
• 5.3 复杂环境中雨衰减的仿真分析75-77
• 5.4 综合复杂地理和气象环境电波传播77-80
• 5.5 本章小结80-82
• 第6章 电磁脉冲传播的抛物方程模型82-92
• 6.1 电磁脉冲传播的计算方法82-84
• 6.2 OpenMP并行计算84-87
• 6.3 复杂环境中的脉冲传播87-90
• 6.3.1 不规则地形环境87-89
• 6.3.2 综合环境89-90
• 6.4 本章小结90-92
• 第7章 总结与展望92-95
• 7.1 本文工作总结92-93
• 7.2 研究展望93-95
• 致谢95-96
• 参考文献96-107
• 攻读博士学位期间发表的论文及承担的科研项目107-108
• 学术论文107-108
• 科研项目

【参考文献】

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  本文关键词：基于抛物方程的复杂气象环境电磁建模及仿真研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：473628