（1.92785部隊(duì) 秦皇島 066000）（2.海軍裝備部 北京 100841）

1 引言

電波在海上低空對(duì)流層大氣環(huán)境中傳播時(shí)，將受到各種氣體、液體凝結(jié)物和固體凝結(jié)物的影響。氣體一般有穩(wěn)定性氣體和可變性氣體兩種［1］。穩(wěn)定性氣體是指氣體含量隨時(shí)間變化非常小，一般可忽略不計(jì)，認(rèn)為不變。它主要由氨（N2）、氧（O2）、氬（Ar）、氖（Ne）等氣體組成，約占大氣總量的99.97%?？勺冃詺怏w是指氣體含量隨時(shí)間和位置變化很大。它主要由二氧化碳（CO2）、臭氧（O3）、水汽（H2O）等氣體組成，約占大氣總量的0.03%。研究表明對(duì)于海上電波傳播影響最大的主要是氧氣（O2）和水汽（H2O）。大氣凝結(jié)物主要有水凝結(jié)物、沙塵、灰塵等，其中水凝結(jié)物主要有云、霧、雨、雪、冰晶體、凍雨等。研究表明對(duì)于海上電波傳播影響最大的主要是雨即降雨。本文主要研究氧氣（O2）、水汽（H2O）和降雨對(duì)海上電波傳播的影響。

2 水汽吸收的處理方法與仿真

對(duì)于水汽吸收的研究，主要是計(jì)算水汽吸收衰減率，準(zhǔn)確的方法是計(jì)算出所有水汽吸收線對(duì)應(yīng)的頻率對(duì)電波傳播的吸收影響。但是這種方法計(jì)算量大，不利于實(shí)際使用。為了研究方便，人們提出了許多實(shí)用的模型。目前主要的計(jì)算模型有MPM 模型、簡(jiǎn)化MPM 模型、CCIR 模型和Gibbins模型。MPM 模型主要適用于頻率在1～1000GHz的電波吸收衰減率的計(jì)算，計(jì)算比較準(zhǔn)確，存在的局限性是計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜；簡(jiǎn)化MPM 模型對(duì)MPM 模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，主要適用于頻率在300GHz以下的電波吸收衰減率的計(jì)算。CCIR 模型和Gibbins模型主要適用于地表附近空間，頻率在350GHz以下的電波吸收衰減率的計(jì)算，但Gibbins模型含有絕對(duì)濕度的平方項(xiàng)，因而比CCIR 模型計(jì)算更準(zhǔn)確一些［1～3］。由于本文主要研究海上電波傳播，且電波頻率在微波頻段，綜合比較后采用Gibbins模型進(jìn)行水汽吸收衰減率的計(jì)算。

根據(jù)Gibbins模型［3］，當(dāng)大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15°C時(shí)水汽吸收衰減率γw的計(jì)算公式為

其中，γw的單位為dB／km；ρ為絕對(duì)濕度，單位為g／m3；f為電波頻率，單位為GHz；

對(duì)于大氣溫度不等于15℃，可采用溫度每升高1℃，γw減小0.6%進(jìn)行修正，而海面低空大氣壓一般變化很小，可忽略不計(jì)。

實(shí)際中氣象儀測(cè)量的濕度主要是相對(duì)濕度，而水汽吸收衰減率γw計(jì)算式需要的參數(shù)是絕對(duì)濕度，因此應(yīng)將相對(duì)濕度轉(zhuǎn)化為絕對(duì)濕度。其計(jì)算方法如下：

其中，RH為相對(duì)濕度；T為大氣溫度，單位為K；Ra為干空氣的氣體常數(shù)，其值為287.5J·kg-1·K-1；es（T）為氣溫T時(shí)的飽和水汽壓，單位為hPa，其表達(dá)式為

將上式代入式（2）就可求出大氣溫度為T(mén)時(shí)的絕對(duì)濕度，將絕對(duì)濕度代入式（1）就可求出水汽吸收衰減率γw。

圖1 水汽吸收衰減率隨電波頻率的變化曲線

根據(jù)上面的計(jì)算方法，可對(duì)水汽吸收衰減率進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。圖1顯示了大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15℃，相對(duì)濕度為50%、65%、80%和95%時(shí)，水汽吸收衰減率γw隨電波頻率的變化曲線。從圖中可以看出隨著電波頻率的增加，γw逐漸增大，但頻率為22.235GHz附近時(shí)，γw有一個(gè)極大值，其值比其它頻率點(diǎn)大許多；另外相對(duì)濕度越大，γw增加的越快。對(duì)于相同頻率時(shí)，相對(duì)濕度越大，γw就越大。

圖2 水汽吸收衰減率隨相對(duì)濕度的變化曲線

圖2顯示了大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15℃，電波頻率為10GHz、

22.235 GHz、40GHz、70GHz

和80GHz時(shí)，水汽吸收衰減率γw隨相對(duì)濕度的變化曲線。從圖中可以看出隨著相對(duì)濕度的增加，γw逐漸增大；不同的電波頻率，γw增加的快慢不同，電波頻率越大，γw增加的越快。但是當(dāng)頻率為22.235GHz時(shí)，γw增加的速度大于其附近其它頻率點(diǎn)；如圖中所示其變化曲線比頻率40GHz的曲線斜率大，因而隨相對(duì)濕度增加的速度就快。另外相同相對(duì)濕度時(shí)，電波頻率越大，γw就越大；但是當(dāng)頻率為22.235GHz時(shí)，其γw值大于其附近其它頻率點(diǎn)，如圖中所示對(duì)于相對(duì)濕度為80%，其γw值比頻率40GHz對(duì)應(yīng)的γw值大。

3 氧氣吸收的處理方法與仿真

與水汽吸收的研究相似，對(duì)于氧氣吸收的研究主要也是計(jì)算氧氣吸收衰減率，準(zhǔn)確的方法也是計(jì)算出所有氧氣吸收線對(duì)應(yīng)的頻率對(duì)電波傳播的吸收影響。但是這種方法計(jì)算量大，不利于實(shí)際使用。為了研究方便，人們提出了許多實(shí)用的模型。目前主要的計(jì)算模型有MPM 模型、簡(jiǎn)化模型、頻率45GHz以下吸收計(jì)算方法和ITU-R P.676-6建議的計(jì)算方法［1～2，4］。MPM 模型主要適用于頻率在10～1000GHz的電波吸收衰減率的計(jì)算，計(jì)算比較準(zhǔn)確，存在的局限性是計(jì)算相對(duì)比較復(fù)雜；簡(jiǎn)化模型主要適用于地表附近空間，頻率在60GHz以外頻段的電波吸收衰減率的計(jì)算。頻率45GHz以下吸收計(jì)算方法主要適用于頻率小于45GHz電波吸收衰減率的計(jì)算，其計(jì)算方法與簡(jiǎn)化模型相比考慮了大氣壓的影響。ITU-R P.676-6建議的計(jì)算方法主要適用于地表附近空間，頻率小于350GHz的電波吸收衰減率的計(jì)算。由于本文研究海上電波傳播，且電波頻率在微波頻段，綜合比較后采用ITU-R P.676-6建議的計(jì)算方法進(jìn)行氧氣吸收衰減率的計(jì)算。

根據(jù)ITU-R P.676-6建議，當(dāng)大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15℃時(shí)氧氣吸收衰減率γo的簡(jiǎn)單計(jì)算方法為

其中，γo的單位為dB／km；f為電波頻率，單位為GHz；

對(duì)于大氣溫度不等與15℃，可采用溫度每升高1℃，γo減小1%進(jìn)行修正，而海面低空大氣壓一般變化很小，可忽略不計(jì)。

圖3 氧氣吸收衰減率隨電波頻率的變化曲線

根據(jù)上面的計(jì)算方法，可對(duì)氧氣吸收衰減率進(jìn)行仿真計(jì)算和分析。圖3顯示了大氣壓為1013hPa，大氣溫度為15℃，氧氣吸收衰減率γo隨電波頻率的變化曲線。從圖中可以看出隨著電波頻率的增加，γo逐漸增大；但電波頻率在60GHz和118GHz附近時(shí)，γo有兩個(gè)極大值區(qū)域，其值遠(yuǎn)大于其它頻率點(diǎn)，此時(shí)γo的值可達(dá)幾到十幾，對(duì)電波衰減很大。

4 降雨衰減的處理方法與仿真

降雨的衰減主要是由于雨滴對(duì)電波的吸收與散射引起的。雨滴對(duì)電波的吸收常采用雨滴的吸收截面來(lái)表示，雨滴對(duì)電波的散射常采用雨滴的散射截面來(lái)表示；而降雨對(duì)電波傳播影響常采用雨滴的消光截面來(lái)表示，它是雨滴的吸收截面和散射截面的和［4］。因此降雨的衰減率γr可表示為

其中γr的單位為dB／km，Qex（D）是直徑為D的雨滴消光截面，N（D）為雨滴的尺寸分布概率密度函數(shù)。研究雨滴尺寸分布的模型有許多，其中對(duì)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；另外還經(jīng)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］。當(dāng)已知雨滴尺寸分布的概率密度函數(shù)時(shí)，依據(jù)式（5）可求出對(duì)應(yīng)的降雨衰減率γr，但是這種方法計(jì)算復(fù)雜，不利于實(shí)際使用。為了研究方便，對(duì)于海上低空對(duì)流層電波傳播，通常采用以下的計(jì)算方法：

其中R為降雨強(qiáng)度，其單位為mm／h；a和b為關(guān)于雨滴尺寸、電波頻率、雨溫等的求解系數(shù)。水平極化波和垂直極化波系數(shù)可分別表示為aH、aV、bH和bV，根據(jù)文獻(xiàn)可知系數(shù)a和b的值［5～6］。表1給出了水平極化波和垂直極化波在不同頻率條件下的系數(shù)a和b的值。

表1 系數(shù)a和b 的值

已知系數(shù)a和b在垂直和水平極化波時(shí)的值，可依據(jù)式（6）計(jì)算出降雨的衰減率γr。圖4給出了降雨強(qiáng)度R為0.25mm／h、5mm／h、50mm／h 和100mm／h 時(shí)，水平極化波和垂直極化波降雨的衰減率隨電波頻率的變化曲線。從圖中可以看出，隨著頻率的增加，降雨的衰減率逐漸增大；當(dāng)頻率較小時(shí)，降雨的衰減率值比較小，可忽略其影響；當(dāng)頻率較大時(shí)，降雨的衰減率很大，必須考慮其對(duì)電波傳播的影響。另外隨著降雨強(qiáng)度R的增大，降雨的衰減率迅速增大。對(duì)比圖4中的（a）和（b），可以發(fā)現(xiàn)水平極化波比垂直極化波降雨的衰減率大一些，因此降雨對(duì)水平極化波影響稍大。

圖5給出了電波頻率為1GHz、4GHz、10GHz 和40GHz時(shí)，水平極化波和垂直極化波降雨的衰減率隨降雨強(qiáng)度的變化曲線。從圖中可以看出，隨著降雨強(qiáng)度的增加，降雨的衰減率迅速增大；電波頻率為1GHz和4GHz時(shí)，即使降雨強(qiáng)度R很大，降雨的衰減率也很?。坏请姴l率為10GHz和40GHz時(shí)，降雨的衰減率都很大。將圖5中的（a）和（b）進(jìn)行比較，也可以看出水平極化波比垂直極化波降雨的衰減率稍大一些。

圖4 水平極化波（a）和垂直極化波（b）降雨衰減率隨電波頻率的變化曲線

圖5 水平極化波（a）和垂直極化波（b）降雨衰減率隨降雨強(qiáng)度的變化曲線

5 海面上電波傳播環(huán)境衰減的計(jì)算方法

綜合上面討論的海上電波傳播環(huán)境中大氣和降雨對(duì)電波傳播的影響，可以將其吸收和衰減作用看作一個(gè)整體衰減因子進(jìn)行考慮。該因子可包含水汽、氧氣和降雨對(duì)電波傳播的衰減，定義因子對(duì)電波的衰減率為γ，則

在實(shí)際使用中，只要知道電波的頻率、傳播的距離和傳播環(huán)境氣象參數(shù)，就可以計(jì)算出水汽、氧氣和降雨的衰減率，進(jìn)而求出傳播衰減因子的衰減率γ和電波傳播環(huán)境衰減。另外通過(guò)上面的研究和分析，總的來(lái)說(shuō)對(duì)于10GHz以下電波，大氣和降雨對(duì)電波傳播的影響比較小；而對(duì)于10GHz以上電波，其影響比較大。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了海上環(huán)境對(duì)電波傳播衰減的處理方法，分析得出了用于計(jì)算衰減率的有效方法，運(yùn)用該方法仿真分析了海上環(huán)境對(duì)電波傳播的影響。本文雖然對(duì)海上環(huán)境對(duì)電波傳播的影響進(jìn)行了一些研究，但是還需要進(jìn)一步的加強(qiáng)和完善。如海上環(huán)境對(duì)電波傳播衰減的影響規(guī)律，現(xiàn)有衰減率計(jì)算模型在海面上運(yùn)用時(shí)的驗(yàn)證與修正等。這些方面進(jìn)一步的研究，必將會(huì)加深海上環(huán)境對(duì)電波傳播衰減的研究。

［1］謝益溪，J拉菲涅特，J P 蒙，等.電波傳播—超短波·微波·毫米波［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1990：282-287，322-336.

［2］張瑜.電磁波空間傳播［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007：31-32，132-138.

［3］Gibbins C J.Improved algorithms for the determination of specific attenuation at sea level by dry air and water vapor in the frequency range 1-350GHz［J］.Radio Sci.，1986，21（6）：949-954.

［4］焦培南，張忠治.雷達(dá)環(huán)境與電波傳播特性［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007：204-212.

［5］Fedi F.Attenuation due to rain on a terrestrial path［J］.Alta Frequenza，1979，4：167-184.

［6］Maggiori D.Computed transmission through rain in the 1-400GHz frequency range for spherical and elliptical drops and any polarization［J］.Alta Frequenza，1981，5：262-273.

［7］李寰宇，柏鵬，等.電波頻率對(duì)射頻隱身性能的影響分析［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2012，6：1108-1112.