沙尘颗粒系统对电磁波衰减的Monte Carlo模拟

论文摘要

随着电磁波技术的飞速发展,无线电波、雷达和遥感等通信技术在大气测量中得到广泛的应用。在沙尘暴地区,一般利用电磁波技术观测沙尘的能见度、颗粒密度等,而这些测量技术主要利用电磁波的散射特性,包括由沙尘暴引起的电磁波的吸收、散射和衰减。另一方面,沙尘可见度和沙粒表面带电量等参数都会导致电磁波能量的损耗进而影响电磁信号质量和监测结果,为了保证沙尘地区通信运行的准确性和可靠性,本论文基于电磁散射理论对带电沙尘颗粒系统的散射相函数、带电沙尘颗粒系统的多次散射模拟和透射率的计算以及带电沙尘颗粒系统对电磁波的衰减展开研究,主要工作如下:首先,基于Mie散射理论导出了带电沙尘颗粒系统对电磁波散射相函数和非对称参数,发现沙粒对电磁波散射相函数随颗粒带电量和电磁波入射频率不同而不同,特别是随着沙粒带电量和电磁波入射波长的增加,电磁波后向散射相函数值也随之增加;通过关联带电沙粒对电磁波散射的相函数和非对称参数,给出了散射相函数的近似表达式,是非对称参数的函数。然后,我们利用Monte Carlo方法模拟电磁波在沙尘介质中的辐射传输过程,用修正后的HG相函数近似表示带电沙尘颗粒系统对电磁波的散射相函数,导出考虑多次散射后电磁波在沙尘介质中的透射率,从而利用Beer-Lambert定律研究了考虑颗粒多次散射效应穿行于沙尘系统中的电磁波衰减。通过比较相同条件下,仅考虑独立散射和考虑颗粒对电磁波的多次散射下,电磁波的透射率,发现当能见度比较低、电磁波频率较高且穿行于沙尘系统的距离较远时,必须考虑颗粒对电磁波的多次散射效应,特别是沙粒表面带电量会增加多次散射效应。比较独立散射和多次散射两种方法计算的衰减,结果表明计算和预测电磁波在沙尘天气下的衰减时,特别是在低可见度沙尘天气下,多次散射效应不可忽略,沙粒表面的带电量影响电磁波的衰减,沙尘颗粒面电荷密度越大,电磁波衰减也越大,并且沙粒表面带电量对电磁波的衰减影响在低频率、小粒径下更为显著。同时,我们给出了中国典型通讯基站间传输的电磁波信号衰减,以及需要考虑沙粒多次散射效应的最高能见度,是沙粒带电量和电磁波入射频率的函数。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 颗粒对电磁波散射的相函数
•     1.2.2 电磁波在沙尘系统中辐射传输的求解
•     1.2.3 带电沙尘颗粒系统对电磁波的衰减
•   1.3 本文的研究内容及安排
• 第二章 带电沙尘颗粒系统的散射相函数
•   2.1 单个颗粒的散射相函数
•   2.2 颗粒系统的散射相函数
•   2.3 HG近似散射相函数
•   2.4 本章小结
• 第三章 电磁波在沙尘颗粒系统中传输的Monte Carlo模拟
•   3.1 Monte Carlo方法和电磁波透射率的计算
•   3.2 电磁波多次散射的Monte Carlo模拟过程
•   3.3 电磁波透射率和临界可见度
•     3.3.1 透过率的可靠性分析
•     3.3.2 电磁波通过沙尘系统两种透射率的计算方法
•     3.3.3 考虑多次散射的沙尘天气临界可见度
•   3.4 本章小结
• 第四章 带电沙粒系统对电磁波衰减的Monte Carlo模拟
•   4.1 沙尘暴天气的参数特征
•     4.1.1 沙尘能见度
•     4.1.2 沙粒大小和分布
•     4.1.3 相对介电常数和相对折射率
•   4.2 电磁波被沙尘粒子衰减的预测模型
•     4.2.1 考虑独立散射电磁波的衰减
•     4.2.2 考虑多次散射效应电磁波的衰减
•   4.3 带电沙尘颗粒系统对电磁波的衰减
•     4.3.1 颗粒带电对电磁波衰减的影响
•     4.3.2 电磁波衰减计算值与实验测量结果
•   4.4 本章小结
• 第五章 结束语
•   5.1 主要结论
•   5.2 研究中的不足与展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杜志新

导师: 谢莉

关键词: 带电沙尘颗粒系统,散射相函数,多次散射,电磁波衰减,模拟

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 兰州大学

基金: 国家自然科学基金委创新群体(No.11421062,No.11472122),面上基(No.11472122,No.11272139)

分类号: P412

总页数: 52

文件大小: 2822K

下载量: 74