基于抛物方程的对流层电磁波超视距传播研究

论文摘要

无线通讯主要是利用电磁波传递信号,电波在对流层大气中传播需要经过折射、绕射、散射和吸收等过程。目前的通信不仅在视距的范围内使用,在超视距传播与应用上也有着一定的需求:在军事上,雷达的超视距探测距离有利于对敌信息的收集;在民用上,超视距电波传播也影响着船舶之间的通讯。由非正常视距传播方式（主要是大气湍流散射）产生的干扰也会对通信系统性能产生明显影响。因此研究电磁波在对流层中的超视距传播具有重要的现实意义。抛物方程模型是由波动方程推导而来的确定性电波传播预测模型。抛物方程计算电波在对流层中传播问题,能够同时考虑到大气环境引起的折射、散射、吸收和不规则地形、地表媒质引起的反射、绕射效应;在采取快速傅里叶变换之后,可快速计算百公里级超视距区域的电磁分布。本文基于抛物方程传播模型,研究了大气波导和大气湍流的电波超视距传播效应,本文主要研究工作如下:第一,详细的介绍了二维抛物方程基本原理,对其自由空间的电波传播进行模拟并与双射线模型对比验证,证明了本文抛物方程算法的正确性。研究了大气波导的基本模型及其对应的陷获波长和陷获角度。在蒸发波导中,对不同频率、发射源高度的电磁波传播特性进行研究,发现其发射高度越低,大气波导陷获的能量越多;针对实际大气环境中的大气结构呈现不均匀分布的特点,考虑不同位置的折射率剖面不同,采用差值算法对中间距离位置进行填充,构建非均匀波导结构,分析蒸发波导存在15km断层情形下的超视距效应分布,研究可探测区与探测盲区的分布特点;结合数字地图模拟了悬空波导对有地形阻挡的超视距传播情况;并考虑了海洋环境中水气密度、湿度大,水气吸收对超视距传输有着重要的影响,可为雷达探测提供一定的指导依据。第二,本文基于准三维抛物方程法,利用二维抛物方程快速模拟三维空间中的电波传播。考虑温度、湿度以及风速等气象参数对大气湍流的影响,同时包含复杂地形以及微波波段的大气结构模型对湍流超视距传播的影响情况。本文基于PE的散射模型与MOM和文献测试数据对比,证明了本文算法正确性。利用本文模型对美国某一地形（W93.57–W95.64,N30.68-N32.68）上空电波的大气湍流散射超视距传播进行预测分析,结果表明在视距区大气湍流对路径损耗的影响较小。而在超视距区,大气湍流引起的电磁散射显著影响信号接收电平,产生超视距现象。随着传播距离的增加,电波的多径效应趋于明显,沿传播方向的场强幅度出现随机的起伏;大气散射效应随着高度的增加而减弱,主要对远距离的低空位置产生影响;大气散射的超视距效应随着电波频率的升高而减弱;大气湍流对大气波导的传输影响比较小,只是会影响大气波导的部分泄露。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 国内外大气波导中的超视距研究
•     1.2.2 国内外大气湍流散射超视距研究
•     1.2.3 国内外抛物方程研究
•   1.3 论文的主要工作和结构安排
• 第2章 抛物方程基本理论
•   2.1 二维抛物方程理论推导
•   2.2 二维SSFT步进迭代算法
•   2.3 电波的初始源
•   2.4 边界条件
•   2.5 地球平坦变换
•   2.6 传播损耗与传播因子
•   2.7 抛物方程模型验证与总结
•   本章小结
• 第3章 大气波导中的超视距传播
•   3.1 对流层环境与超视距传播简述
•   3.2 大气波导超视距传播条件
•   3.3 大气波导中的大气衰减模型
•   3.4 超视距传播模拟
•     3.4.1 一般波导的超视距传播分析
•     3.4.2 非均匀大气波导的超视距模拟
•     3.4.3 大气波导超视距传播的大气吸收模型
•   本章小结
• 第4章 大气湍流引起的超视距传播
•   4.1 大气湍流数学模型
•   4.2 准三维抛物方程法
•   4.3 大气湍流超视距仿真研究
•   本章小结
• 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
•   学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 樊文科

导师: 周海京

关键词: 抛物方程,电波传播预测,大气波导,湍流,超视距传播

来源: 西南交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 数学,物理学,无线电电子学

单位: 西南交通大学

分类号: TN011;O175.26

DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.002402

总页数: 64

文件大小: 20042K

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