海面上电波传播环境衰减处理方法的研究与仿真＊

（1.92785部队 秦皇岛 066000）（2.海军装备部 北京 100841）

1 引言

电波在海上低空对流层大气环境中传播时，将受到各种气体、液体凝结物和固体凝结物的影响。气体一般有稳定性气体和可变性气体两种［1］。稳定性气体是指气体含量随时间变化非常小，一般可忽略不计，认为不变。它主要由氨（N2）、氧（O2）、氩（Ar）、氖（Ne）等气体组成，约占大气总量的99.97%。可变性气体是指气体含量随时间和位置变化很大。它主要由二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、水汽（H2O）等气体组成，约占大气总量的0.03%。研究表明对于海上电波传播影响最大的主要是氧气（O2）和水汽（H2O）。大气凝结物主要有水凝结物、沙尘、灰尘等，其中水凝结物主要有云、雾、雨、雪、冰晶体、冻雨等。研究表明对于海上电波传播影响最大的主要是雨即降雨。本文主要研究氧气（O2）、水汽（H2O）和降雨对海上电波传播的影响。

2 水汽吸收的处理方法与仿真

对于水汽吸收的研究，主要是计算水汽吸收衰减率，准确的方法是计算出所有水汽吸收线对应的频率对电波传播的吸收影响。但是这种方法计算量大，不利于实际使用。为了研究方便，人们提出了许多实用的模型。目前主要的计算模型有MPM 模型、简化MPM 模型、CCIR 模型和Gibbins模型。MPM 模型主要适用于频率在1～1000GHz的电波吸收衰减率的计算，计算比较准确，存在的局限性是计算相对比较复杂；简化MPM 模型对MPM 模型进行了简化处理，主要适用于频率在300GHz以下的电波吸收衰减率的计算。CCIR 模型和Gibbins模型主要适用于地表附近空间，频率在350GHz以下的电波吸收衰减率的计算，但Gibbins模型含有绝对湿度的平方项，因而比CCIR 模型计算更准确一些［1～3］。由于本文主要研究海上电波传播，且电波频率在微波频段，综合比较后采用Gibbins模型进行水汽吸收衰减率的计算。

根据Gibbins模型［3］，当大气压为1013hPa，大气温度为15°C时水汽吸收衰减率γw的计算公式为

其中，γw的单位为dB／km；ρ为绝对湿度，单位为g／m3；f为电波频率，单位为GHz；

对于大气温度不等于15℃，可采用温度每升高1℃，γw减小0.6%进行修正，而海面低空大气压一般变化很小，可忽略不计。

实际中气象仪测量的湿度主要是相对湿度，而水汽吸收衰减率γw计算式需要的参数是绝对湿度，因此应将相对湿度转化为绝对湿度。其计算方法如下：

其中，RH为相对湿度；T为大气温度，单位为K；Ra为干空气的气体常数，其值为287.5J·kg-1·K-1；es（T）为气温T时的饱和水汽压，单位为hPa，其表达式为

将上式代入式（2）就可求出大气温度为T时的绝对湿度，将绝对湿度代入式（1）就可求出水汽吸收衰减率γw。

图1 水汽吸收衰减率随电波频率的变化曲线

根据上面的计算方法，可对水汽吸收衰减率进行仿真计算和分析。图1显示了大气压为1013hPa，大气温度为15℃，相对湿度为50%、65%、80%和95%时，水汽吸收衰减率γw随电波频率的变化曲线。从图中可以看出随着电波频率的增加，γw逐渐增大，但频率为22.235GHz附近时，γw有一个极大值，其值比其它频率点大许多；另外相对湿度越大，γw增加的越快。对于相同频率时，相对湿度越大，γw就越大。

图2 水汽吸收衰减率随相对湿度的变化曲线

图2显示了大气压为1013hPa，大气温度为15℃，电波频率为10GHz、

22.235 GHz、40GHz、70GHz

和80GHz时，水汽吸收衰减率γw随相对湿度的变化曲线。从图中可以看出随着相对湿度的增加，γw逐渐增大；不同的电波频率，γw增加的快慢不同，电波频率越大，γw增加的越快。但是当频率为22.235GHz时，γw增加的速度大于其附近其它频率点；如图中所示其变化曲线比频率40GHz的曲线斜率大，因而随相对湿度增加的速度就快。另外相同相对湿度时，电波频率越大，γw就越大；但是当频率为22.235GHz时，其γw值大于其附近其它频率点，如图中所示对于相对湿度为80%，其γw值比频率40GHz对应的γw值大。

3 氧气吸收的处理方法与仿真

与水汽吸收的研究相似，对于氧气吸收的研究主要也是计算氧气吸收衰减率，准确的方法也是计算出所有氧气吸收线对应的频率对电波传播的吸收影响。但是这种方法计算量大，不利于实际使用。为了研究方便，人们提出了许多实用的模型。目前主要的计算模型有MPM 模型、简化模型、频率45GHz以下吸收计算方法和ITU-R P.676-6建议的计算方法［1～2，4］。MPM 模型主要适用于频率在10～1000GHz的电波吸收衰减率的计算，计算比较准确，存在的局限性是计算相对比较复杂；简化模型主要适用于地表附近空间，频率在60GHz以外频段的电波吸收衰减率的计算。频率45GHz以下吸收计算方法主要适用于频率小于45GHz电波吸收衰减率的计算，其计算方法与简化模型相比考虑了大气压的影响。ITU-R P.676-6建议的计算方法主要适用于地表附近空间，频率小于350GHz的电波吸收衰减率的计算。由于本文研究海上电波传播，且电波频率在微波频段，综合比较后采用ITU-R P.676-6建议的计算方法进行氧气吸收衰减率的计算。

根据ITU-R P.676-6建议，当大气压为1013hPa，大气温度为15℃时氧气吸收衰减率γo的简单计算方法为

其中，γo的单位为dB／km；f为电波频率，单位为GHz；

对于大气温度不等与15℃，可采用温度每升高1℃，γo减小1%进行修正，而海面低空大气压一般变化很小，可忽略不计。

图3 氧气吸收衰减率随电波频率的变化曲线

根据上面的计算方法，可对氧气吸收衰减率进行仿真计算和分析。图3显示了大气压为1013hPa，大气温度为15℃，氧气吸收衰减率γo随电波频率的变化曲线。从图中可以看出随着电波频率的增加，γo逐渐增大；但电波频率在60GHz和118GHz附近时，γo有两个极大值区域，其值远大于其它频率点，此时γo的值可达几到十几，对电波衰减很大。

4 降雨衰减的处理方法与仿真

降雨的衰减主要是由于雨滴对电波的吸收与散射引起的。雨滴对电波的吸收常采用雨滴的吸收截面来表示，雨滴对电波的散射常采用雨滴的散射截面来表示；而降雨对电波传播影响常采用雨滴的消光截面来表示，它是雨滴的吸收截面和散射截面的和［4］。因此降雨的衰减率γr可表示为

其中γr的单位为dB／km，Qex（D）是直径为D的雨滴消光截面，N（D）为雨滴的尺寸分布概率密度函数。研究雨滴尺寸分布的模型有许多，其中对于一般尺寸的雨滴，最常用的模型主要有L-P（Lows-Parsons）分布和M-P（Marshall-Palmer）分布；另外还经常使用Joss提出的用于暴雨的J-T 分布和用于小雨的J-D 分布等［1］。当已知雨滴尺寸分布的概率密度函数时，依据式（5）可求出对应的降雨衰减率γr，但是这种方法计算复杂，不利于实际使用。为了研究方便，对于海上低空对流层电波传播，通常采用以下的计算方法：

其中R为降雨强度，其单位为mm／h；a和b为关于雨滴尺寸、电波频率、雨温等的求解系数。水平极化波和垂直极化波系数可分别表示为aH、aV、bH和bV，根据文献可知系数a和b的值［5～6］。表1给出了水平极化波和垂直极化波在不同频率条件下的系数a和b的值。

表1 系数a和b 的值

已知系数a和b在垂直和水平极化波时的值，可依据式（6）计算出降雨的衰减率γr。图4给出了降雨强度R为0.25mm／h、5mm／h、50mm／h 和100mm／h 时，水平极化波和垂直极化波降雨的衰减率随电波频率的变化曲线。从图中可以看出，随着频率的增加，降雨的衰减率逐渐增大；当频率较小时，降雨的衰减率值比较小，可忽略其影响；当频率较大时，降雨的衰减率很大，必须考虑其对电波传播的影响。另外随着降雨强度R的增大，降雨的衰减率迅速增大。对比图4中的（a）和（b），可以发现水平极化波比垂直极化波降雨的衰减率大一些，因此降雨对水平极化波影响稍大。

图5给出了电波频率为1GHz、4GHz、10GHz 和40GHz时，水平极化波和垂直极化波降雨的衰减率随降雨强度的变化曲线。从图中可以看出，随着降雨强度的增加，降雨的衰减率迅速增大；电波频率为1GHz和4GHz时，即使降雨强度R很大，降雨的衰减率也很小；但是电波频率为10GHz和40GHz时，降雨的衰减率都很大。将图5中的（a）和（b）进行比较，也可以看出水平极化波比垂直极化波降雨的衰减率稍大一些。

图4 水平极化波（a）和垂直极化波（b）降雨衰减率随电波频率的变化曲线

图5 水平极化波（a）和垂直极化波（b）降雨衰减率随降雨强度的变化曲线

5 海面上电波传播环境衰减的计算方法

综合上面讨论的海上电波传播环境中大气和降雨对电波传播的影响，可以将其吸收和衰减作用看作一个整体衰减因子进行考虑。该因子可包含水汽、氧气和降雨对电波传播的衰减，定义因子对电波的衰减率为γ，则

在实际使用中，只要知道电波的频率、传播的距离和传播环境气象参数，就可以计算出水汽、氧气和降雨的衰减率，进而求出传播衰减因子的衰减率γ和电波传播环境衰减。另外通过上面的研究和分析，总的来说对于10GHz以下电波，大气和降雨对电波传播的影响比较小；而对于10GHz以上电波，其影响比较大。

6 结语

本文主要研究了海上环境对电波传播衰减的处理方法，分析得出了用于计算衰减率的有效方法，运用该方法仿真分析了海上环境对电波传播的影响。本文虽然对海上环境对电波传播的影响进行了一些研究，但是还需要进一步的加强和完善。如海上环境对电波传播衰减的影响规律，现有衰减率计算模型在海面上运用时的验证与修正等。这些方面进一步的研究，必将会加深海上环境对电波传播衰减的研究。

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