沙尘天气对无线电测控设备性能的影响研究

葛铁志，钟水和，黄龙呈，马 鹤

(中国酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750)



沙尘天气对无线电测控设备性能的影响研究

葛铁志，钟水和，黄龙呈，马 鹤

(中国酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 732750)

针对无线电测控设备系统G/T值测试数据在晴朗天气和沙尘天气下的差异，从沙尘粒子的特性出发，结合干沙与水的复介电常数公式，获得了沙粒的等效介电常数模型，建立了沙尘粒子引起微波衰减的计算模型，对该设备G/T值测试结果受沙尘天气影响的现象进行了分析。结果表明：沙尘天气对设备G/T值测试结果有明显的影响。沙尘粒子密度越小，沙尘衰减越轻微；沙尘粒子密度越大，沙尘衰减越严重。给出了沙尘天气对无线电测控设备性能的影响程度。

等效介电常数；沙尘粒子；沙尘衰减；G/T值

0 引言

考虑到设备的不同工作环境，电磁波传输难免会受到大气、海面、地面、高大建筑物、山峰的折射和绕射等影响，导致电磁波信号衰落和失真，甚至中断，其相关研究较多。对于布站在戈壁的无线电测控设备，春秋季沙尘天气较多，沙尘粒子对无线电测控设备性能的具体影响还需要进一步分析。而且在未来通信和其他微波传输方面的应用中，若要实现全天候、各种气象条件下的信号收发，沙尘衰减对微波传输的影响就必须考虑。

较早的沙尘暴对雷达信号的影响研究中，有学者通过理论计算估算了沙尘暴对电磁波传播的影响程度，如Gary基于Rayleigh近似计算结果认为沙尘暴对微波通信信号的衰减可以忽略[1]。然而，随着测量手段和技术的进步，也有许多学者发现沙尘暴对电磁波传播的影响是不能忽视的。如Goldhirsh用1～10GHz频率的雷达测量沙尘暴对入射电磁波的衰减影响。结果表明，在质量浓度约40～60mg/m3时，10km的路径上衰减最大约44dB，按照这种衰减程度，晴天探测距离为400km的雷达在这种沙尘暴中传播距离仅仅为210km[2]。可以看出，沙尘对微波的衰减还是相当可观的。

从国内来说，周旺等人给出了微波传输中沙尘衰减的计算模型[3]，利用该模型分析了不同类型沙尘的衰减。其研究表明，在频率不是太高时，自然风沙和车扬沙尘对微波传输的影响不大，而爆炸环境下的沙尘衰减必须要考虑[4]。董群锋等人给出了对数分布模型下的带电沙尘粒子引起微波的衰减计算模型，并进行了分析和仿真计算[5]。其研究表明，带电沙粒比不带电沙粒对微波信号衰减的影响明显增大，带电沙粒所带表面电荷越集中，对微波的衰减影响越大，微波衰减随能见度的增大而减小[6]。郑晓静、李兴财等人研究了沙尘暴对电磁波的交叉去极化效应[7]。其研究表明，颗粒表面电荷显著改变了颗粒内外电磁场的分布规律及其强度，从而影响粒子的电磁散射性质，在沙尘暴中的电磁波传输必须考虑到沙粒带电对信号的去极化影响[8]。

本文根据系统G/T值测试中发现沙尘衰减对无线测控设备性能影响的现象，建立了沙尘粒子引起微波信号衰减的计算模型，分析了无线测控设备在晴朗天气条件和不同能见度沙尘天气条件下的系统G/T值测试数据，给出了沙尘天气对无线电测控设备性能的影响程度。

1 沙尘特性分析

沙尘天气是我国北方重要的灾害性天气现象之一，按强度和影响分为浮尘、扬沙和沙尘暴3种。随着卫星通信和地面微波系统的使用[9]，沙尘对微波信号的影响已引起人们的普遍关注[10]。

1.1 沙尘粒子尺度分布

沙尘粒子的形状具有复杂的多样性，取决于地区环境与沙尘的成因。实际测量结果表明：沙尘粒子的尺寸分布在几十μm到几百μm，粒径分布接近于对数正态分布[3]。对数正态分布为：

式中，a为沙尘粒子的粒径(粒径尺度参数依据测量而定)；m和σ为lna的均值和标准差；p(a)为描述沙尘粒子的尺寸分布的密度函数。

则沙尘粒子尺寸分布密度N(a)为：

N(a) =N0p(a)。

式中，N0为沙尘粒子的体密度。

通常用光学能见度Vb来描述沙尘暴的数密度，Vb与介质的光学衰减系数α0成反比，

文献[4]中给出了不同情况下，腾格里沙漠和黄河沙滩中沙尘样品的体密度、均值和标准偏差，如表 1所示。

表1 沙粒粒径分布的统计参数

1.2 沙尘粒子的介电常数

沙尘粒子是由沙和所含水分组成的复合介质，其复介电常数由沙和水的介电常数决定，且随频率变化。因此，沙尘粒子的介电常数是含水量和频率的函数，可用Maxwell-Garnett公式来计算其等效介电常数。其等效介电常数为：

式中，ε为沙尘的复介电常数；εs和εw分别为干沙和水的复介电常数；p为水在沙尘中的体积百分数。

干沙的复介电常数的经验公式为：

式中，εsj=78.54×[1-4.579×10-3(t-25)+1.19×10-5(t-25)2-2.8×10-8(t-25)3，是静电场水的介电常数；ε=5.27137+0.021647t-0.00131198t2；λs=3.3836×10-6exp[2513.98/(t+273)]，为松弛波长；λ为工作波长；α=-16.8129/(t-273)+0.060926；σw=12.5664×108。该经验公式适用于t在-20～50 ℃范围内及λ的取值范围为2 μm～500 m。

2 沙尘衰减的计算模型

沙尘粒子尺寸比较小，频率不太高时，满足ka≤1的条件(k为波数)，可采用Rayleigh近似计算，带电沙粒的前向散射振幅为[5]：

引入散射介质的等效复折射指数ne为[7]：

式中，k0为自由空间传播常数(m-1)。令k0ne=α+iβ，则散射介质的衰减α和相移率β为：

α=k0Re[ne]，β=k0Im[ne]。

故沙尘粒子散射产生的衰减率α(dB·km-1)和相移率β(()/km)可写为：

考虑到沙尘粒子远小于波长，前向散射幅度S(0) 可用瑞利近似公式表示，并将对数正态分布函数带入上式，可得不含积分的沙尘衰减率α的表达式为：

可以看出，沙尘衰减率α与沙尘粒子的个数N0成正比，N0与光学能见度Vb成反比，即沙尘衰减率α也与光学能见度Vb成反比。

3 沙尘衰减的验证与分析

为研究沙尘粒子对无线电测控设备性能的影响，利用无线电测控测控设备在沙尘天气条件下开展系统G/T值测试，研究系统G/T值与沙尘天气的关系。

3.1 系统G/T值的测试方法

常用的系统G/T值测量方法可以归纳为射电星法和信标塔间接测量法2种[8]。其中，射电星法是利用流量密度已知的射电星，测量出天线指向射电星与指向背景冷空时的Y因子，并考虑其有关参数的修正因子；信标塔间接测量法是通过分别测量出天线的增益与系统噪声温度计算G/T值的方法[11]。就测量精度来说，射电星法最为理想[12]。

射电星具有全天候、分布广和星历精确已知的特点[13]，适合无线电测控设备进行G/T值测试，但对设备的系统性能有较高的要求，如表 2所示。

表2 不同射电源对设备G/T的最低测量需求

依据S频段无线电测控设备的系统G/T值要求，应采用月亮源法进行系统G/T值测试。根据实际测量经验，在用月亮源法测量系统G/T值时，应注意以下几点：

① 测量仪器参数应设置合理，以便提供较稳定的测试读值；

② 测量点尽量靠近LNA输出口，减少系统测试误差；

③ 天线仰角取值不宜过低和过高，一般为40°～70°为宜[14]；

④ 测量月亮噪声温度时，需保证天线对准月亮[15]。

3.2 系统G/T值的测试结果与分析

在晴朗天气条件下，采用月亮源法对无线电测控设备的系统G/T值进行多次测试，测试结果为(30.26870.0998)dBK。随后，在不同能见度沙尘天气条件下也进行了多次该项测试，测试结果如表3所示。

表3 不同能见度沙尘天气下的测试结果

为明确沙尘天气对测量结果的影响，与晴朗夜空测试结果的平均值进行比对。晴朗天气下，G/T值测试平均值为30.268 7dBK；沙尘天气下，G/T值测试平均值为29.161 1dBK。结果表明：沙尘天气比晴朗天气时月亮源测G/T值均值降低1.107 6dBK，对设备G/T值测试结果有明显影响。

现在，查干阿姆的居民是卡尔梅克巴嘎绰呼尔部族，据巴兹尔老师讲，当年他们是阿玉奇汗的属部。这就不难理解，阿玉奇汗的雕像为什么会立在与阿玉奇汗牙帐，极盛时期土尔扈特汗国政治中心马奴托海相距百余里的查干阿姆。

图1 能见度倒数与G/T值的关系

针对5组数据的不同，当能见度Vb较低时，衰减值较大，第1、2、3和5组数据数据拟合的关系式为：

式中有一个多余的叠加值0.980 1，这可能与能见度不足、沙尘粒子密度较大时，沙尘粒子间彼此相互作用，形成沙粒带电，对电磁波的传输产生交叉去极化效应，加重了对电磁波传输的衰减所致。而当能见度一般时，沙尘粒子密度较小时，沙粒带电不明显，沙尘衰减率只与粒子密度有关，其对电磁波传输的衰减也就与能见度不足时的衰减相比要小一些。例如，若采用上式计算第4组数据时，G/T值为1.037 5dBK，明显比实测值0.498 5dBK大。

3.3 沙尘衰减对设备影响

对于无线电测控设备来说，有

Lr=EIRP-Scr+Gr-LΣ-Sf。

式中，Lr为路径损失(dB)；EIRP为弹上有效全向辐射功率(dBW)；Scr为接收灵敏度电平(dBW)；Gr为地面接收天线增益(dB)；LΣ为其他损失；Sf为安全余量，一般取3dB。

又有

Lr=20lg(4πR/λ)，

故无线电测控设备的作用距离R为：

对于其他损失来说，一般取2dB，若在沙尘条件下工作，则需额外增加。

以该无线电测控设备沙尘天气比晴朗天气时采用月亮源测系统G/T值的平均降低为1.107 6dBK为例，可知

无线电测控设备的作用距离减少为原来的88%。对于远距离探测的无线电设备来说，作用距离减少更是严重。因此，在实际工作中要考虑沙尘天气对电磁波传输的衰减，留下足够的信道余量，确保信号的接收。

3.4 结论

结合无线电测控设备在不同天气条件下的系统G/T值测试数据，对该设备系统G/T值测试结果受沙尘天气影响的现象进行了分析，得到如下结论：

① 沙尘天气比晴朗天气时月亮源测G/T值均值降低约1.107 6dBK，对设备G/T值测试结果有明显的影响；

② 能见度一般时，沙尘粒子密度较小，对电磁波传输的衰减要小得多；能见度不足，沙尘粒子密度较大时，沙尘粒子间彼此相互作用，形成沙粒带电，对电磁波的传输产生交叉去极化效应，加重了对电磁波传输的衰减。

③ 对于远距离探测的无线电设备来说，实际工作中要考虑沙尘天气对电磁波传输的衰减，留下足够的信道余量，确保信号的接收。

4 结束语

本文分析了无线电测控设备在晴朗天气和不同能见度沙尘天气条件下的多组系统G/T值测试数据，沙尘天气对设备G/T值的测试结果有明显的影响。当沙尘粒子密度越小，其引起的衰减越轻微；沙尘粒子密度越大，引起的衰减就越严重。

另外，在测试过程中，假设沙尘密度相同，电磁波穿透沙尘的距离也基本相同，这与实际情况有出入，但多次的测试结果均与表3中数据趋势基本一致，故认为分析结论具有一定的可信性。

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葛铁志 男，(1978—)，工程师。主要研究方向：航天测控总体。

钟水和 男，(1985—)，硕士，工程师。主要研究方向：航天测量与控制。

Influence of Sand-dust Weather on Performance of Radio TT&C Equipment

GE Tie-zhi，ZHONG Shui-he,HUANG Long-cheng，MA He

(JiuquanSatelliteLaunchCenter，JiuquanGansu732750，China)

Considering the difference ofG/Tvalue test data of radio TT&C equipment in sunny weather and sand-dust weather，based on the characteristics of sand-dust particles and combing with the complex dielectric constant formula of dry sand and water，the equivalent dielectric constant model of sand particles is obtained，and the calculation model of microwave attenuation caused by sand and dust particles is established.The test results indicate that sand-dust weather has significant influence on the value of equipmentG/T.The sand-dust attenuation is more serious as the density of sand-dust particles increases，and vice versa.The impact of sand-dust weather on the performance of radio TT&C equipment is also provided.

complex dielectric constant；dust particles；sand-dust attenuation；G/Tvalue

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.16

葛铁志,钟水和,黄龙呈,等.沙尘天气对无线电测控设备性能的影响研究[J].无线电工程,2016,46(12):63-67.

2016-08-25

TN925

A

1003-3106(2016)12-0063-05