葛鐵志，鐘水和，黃龍呈，馬 鶴

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750)

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沙塵天氣對無線電測控設(shè)備性能的影響研究

葛鐵志，鐘水和，黃龍呈，馬 鶴

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750)

針對無線電測控設(shè)備系統(tǒng)G/T值測試數(shù)據(jù)在晴朗天氣和沙塵天氣下的差異，從沙塵粒子的特性出發(fā)，結(jié)合干沙與水的復(fù)介電常數(shù)公式，獲得了沙粒的等效介電常數(shù)模型，建立了沙塵粒子引起微波衰減的計算模型，對該設(shè)備G/T值測試結(jié)果受沙塵天氣影響的現(xiàn)象進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：沙塵天氣對設(shè)備G/T值測試結(jié)果有明顯的影響。沙塵粒子密度越小，沙塵衰減越輕微；沙塵粒子密度越大，沙塵衰減越嚴(yán)重。給出了沙塵天氣對無線電測控設(shè)備性能的影響程度。

等效介電常數(shù)；沙塵粒子；沙塵衰減；G/T值

0 引言

考慮到設(shè)備的不同工作環(huán)境，電磁波傳輸難免會受到大氣、海面、地面、高大建筑物、山峰的折射和繞射等影響，導(dǎo)致電磁波信號衰落和失真，甚至中斷，其相關(guān)研究較多。對于布站在戈壁的無線電測控設(shè)備，春秋季沙塵天氣較多，沙塵粒子對無線電測控設(shè)備性能的具體影響還需要進(jìn)一步分析。而且在未來通信和其他微波傳輸方面的應(yīng)用中，若要實現(xiàn)全天候、各種氣象條件下的信號收發(fā)，沙塵衰減對微波傳輸?shù)挠绊懢捅仨毧紤]。

較早的沙塵暴對雷達(dá)信號的影響研究中，有學(xué)者通過理論計算估算了沙塵暴對電磁波傳播的影響程度，如Gary基于Rayleigh近似計算結(jié)果認(rèn)為沙塵暴對微波通信信號的衰減可以忽略[1]。然而，隨著測量手段和技術(shù)的進(jìn)步，也有許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)沙塵暴對電磁波傳播的影響是不能忽視的。如Goldhirsh用1～10GHz頻率的雷達(dá)測量沙塵暴對入射電磁波的衰減影響。結(jié)果表明，在質(zhì)量濃度約40～60mg/m3時，10km的路徑上衰減最大約44dB，按照這種衰減程度，晴天探測距離為400km的雷達(dá)在這種沙塵暴中傳播距離僅僅為210km[2]?？梢钥闯觯硥m對微波的衰減還是相當(dāng)可觀的。

從國內(nèi)來說，周旺等人給出了微波傳輸中沙塵衰減的計算模型[3]，利用該模型分析了不同類型沙塵的衰減。其研究表明，在頻率不是太高時，自然風(fēng)沙和車揚沙塵對微波傳輸?shù)挠绊懖淮?，而爆炸環(huán)境下的沙塵衰減必須要考慮[4]。董群鋒等人給出了對數(shù)分布模型下的帶電沙塵粒子引起微波的衰減計算模型，并進(jìn)行了分析和仿真計算[5]。其研究表明，帶電沙粒比不帶電沙粒對微波信號衰減的影響明顯增大，帶電沙粒所帶表面電荷越集中，對微波的衰減影響越大，微波衰減隨能見度的增大而減小[6]。鄭曉靜、李興財?shù)热搜芯苛松硥m暴對電磁波的交叉去極化效應(yīng)[7]。其研究表明，顆粒表面電荷顯著改變了顆粒內(nèi)外電磁場的分布規(guī)律及其強(qiáng)度，從而影響粒子的電磁散射性質(zhì)，在沙塵暴中的電磁波傳輸必須考慮到沙粒帶電對信號的去極化影響[8]。

本文根據(jù)系統(tǒng)G/T值測試中發(fā)現(xiàn)沙塵衰減對無線測控設(shè)備性能影響的現(xiàn)象，建立了沙塵粒子引起微波信號衰減的計算模型，分析了無線測控設(shè)備在晴朗天氣條件和不同能見度沙塵天氣條件下的系統(tǒng)G/T值測試數(shù)據(jù)，給出了沙塵天氣對無線電測控設(shè)備性能的影響程度。

1 沙塵特性分析

沙塵天氣是我國北方重要的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象之一，按強(qiáng)度和影響分為浮塵、揚沙和沙塵暴3種。隨著衛(wèi)星通信和地面微波系統(tǒng)的使用[9]，沙塵對微波信號的影響已引起人們的普遍關(guān)注[10]。

1.1 沙塵粒子尺度分布

沙塵粒子的形狀具有復(fù)雜的多樣性，取決于地區(qū)環(huán)境與沙塵的成因。實際測量結(jié)果表明：沙塵粒子的尺寸分布在幾十μm到幾百μm，粒徑分布接近于對數(shù)正態(tài)分布[3]。對數(shù)正態(tài)分布為：

式中，a為沙塵粒子的粒徑(粒徑尺度參數(shù)依據(jù)測量而定)；m和σ為lna的均值和標(biāo)準(zhǔn)差；p(a)為描述沙塵粒子的尺寸分布的密度函數(shù)。

則沙塵粒子尺寸分布密度N(a)為：

N(a) =N0p(a)。

式中，N0為沙塵粒子的體密度。

通常用光學(xué)能見度Vb來描述沙塵暴的數(shù)密度，Vb與介質(zhì)的光學(xué)衰減系數(shù)α0成反比，

文獻(xiàn)[4]中給出了不同情況下，騰格里沙漠和黃河沙灘中沙塵樣品的體密度、均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，如表 1所示。

表1 沙粒粒徑分布的統(tǒng)計參數(shù)

1.2 沙塵粒子的介電常數(shù)

沙塵粒子是由沙和所含水分組成的復(fù)合介質(zhì)，其復(fù)介電常數(shù)由沙和水的介電常數(shù)決定，且隨頻率變化。因此，沙塵粒子的介電常數(shù)是含水量和頻率的函數(shù)，可用Maxwell-Garnett公式來計算其等效介電常數(shù)。其等效介電常數(shù)為：

式中，ε為沙塵的復(fù)介電常數(shù)；εs和εw分別為干沙和水的復(fù)介電常數(shù)；p為水在沙塵中的體積百分?jǐn)?shù)。

干沙的復(fù)介電常數(shù)的經(jīng)驗公式為：

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，是靜電場水的介電常數(shù)；ε=5.27137+0.021647t-0.00131198t2；λs=3.3836×10-6exp[2513.98/(t+273)]，為松弛波長；λ為工作波長；α=-16.8129/(t-273)+0.060926；σw=12.5664×108。該經(jīng)驗公式適用于t在-20～50 ℃范圍內(nèi)及λ的取值范圍為2 μm～500 m。

2 沙塵衰減的計算模型

沙塵粒子尺寸比較小，頻率不太高時，滿足ka≤1的條件(k為波數(shù))，可采用Rayleigh近似計算，帶電沙粒的前向散射振幅為[5]：

引入散射介質(zhì)的等效復(fù)折射指數(shù)ne為[7]：

式中，k0為自由空間傳播常數(shù)(m-1)。令k0ne=α+iβ，則散射介質(zhì)的衰減α和相移率β為：

α=k0Re[ne]，β=k0Im[ne]。

故沙塵粒子散射產(chǎn)生的衰減率α(dB·km-1)和相移率β(()/km)可寫為：

考慮到沙塵粒子遠(yuǎn)小于波長，前向散射幅度S(0) 可用瑞利近似公式表示，并將對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)帶入上式，可得不含積分的沙塵衰減率α的表達(dá)式為：

可以看出，沙塵衰減率α與沙塵粒子的個數(shù)N0成正比，N0與光學(xué)能見度Vb成反比，即沙塵衰減率α也與光學(xué)能見度Vb成反比。

3 沙塵衰減的驗證與分析

為研究沙塵粒子對無線電測控設(shè)備性能的影響，利用無線電測控測控設(shè)備在沙塵天氣條件下開展系統(tǒng)G/T值測試，研究系統(tǒng)G/T值與沙塵天氣的關(guān)系。

3.1 系統(tǒng)G/T值的測試方法

常用的系統(tǒng)G/T值測量方法可以歸納為射電星法和信標(biāo)塔間接測量法2種[8]。其中，射電星法是利用流量密度已知的射電星，測量出天線指向射電星與指向背景冷空時的Y因子，并考慮其有關(guān)參數(shù)的修正因子；信標(biāo)塔間接測量法是通過分別測量出天線的增益與系統(tǒng)噪聲溫度計算G/T值的方法[11]。就測量精度來說，射電星法最為理想[12]。

射電星具有全天候、分布廣和星歷精確已知的特點[13]，適合無線電測控設(shè)備進(jìn)行G/T值測試，但對設(shè)備的系統(tǒng)性能有較高的要求，如表 2所示。

表2 不同射電源對設(shè)備G/T的最低測量需求

依據(jù)S頻段無線電測控設(shè)備的系統(tǒng)G/T值要求，應(yīng)采用月亮源法進(jìn)行系統(tǒng)G/T值測試。根據(jù)實際測量經(jīng)驗，在用月亮源法測量系統(tǒng)G/T值時，應(yīng)注意以下幾點：

① 測量儀器參數(shù)應(yīng)設(shè)置合理，以便提供較穩(wěn)定的測試讀值；

② 測量點盡量靠近LNA輸出口，減少系統(tǒng)測試誤差；

③ 天線仰角取值不宜過低和過高，一般為40°～70°為宜[14]；

④ 測量月亮噪聲溫度時，需保證天線對準(zhǔn)月亮[15]。

3.2 系統(tǒng)G/T值的測試結(jié)果與分析

在晴朗天氣條件下，采用月亮源法對無線電測控設(shè)備的系統(tǒng)G/T值進(jìn)行多次測試，測試結(jié)果為(30.26870.0998)dBK。隨后，在不同能見度沙塵天氣條件下也進(jìn)行了多次該項測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同能見度沙塵天氣下的測試結(jié)果

為明確沙塵天氣對測量結(jié)果的影響，與晴朗夜空測試結(jié)果的平均值進(jìn)行比對。晴朗天氣下，G/T值測試平均值為30.268 7dBK；沙塵天氣下，G/T值測試平均值為29.161 1dBK。結(jié)果表明：沙塵天氣比晴朗天氣時月亮源測G/T值均值降低1.107 6dBK，對設(shè)備G/T值測試結(jié)果有明顯影響。

現(xiàn)在，查干阿姆的居民是卡爾梅克巴嘎綽呼爾部族，據(jù)巴茲爾老師講，當(dāng)年他們是阿玉奇汗的屬部。這就不難理解，阿玉奇汗的雕像為什么會立在與阿玉奇汗牙帳，極盛時期土爾扈特汗國政治中心馬奴托海相距百余里的查干阿姆。

圖1 能見度倒數(shù)與G/T值的關(guān)系

針對5組數(shù)據(jù)的不同，當(dāng)能見度Vb較低時，衰減值較大，第1、2、3和5組數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)擬合的關(guān)系式為：

式中有一個多余的疊加值0.980 1，這可能與能見度不足、沙塵粒子密度較大時，沙塵粒子間彼此相互作用，形成沙粒帶電，對電磁波的傳輸產(chǎn)生交叉去極化效應(yīng)，加重了對電磁波傳輸?shù)乃p所致。而當(dāng)能見度一般時，沙塵粒子密度較小時，沙粒帶電不明顯，沙塵衰減率只與粒子密度有關(guān)，其對電磁波傳輸?shù)乃p也就與能見度不足時的衰減相比要小一些。例如，若采用上式計算第4組數(shù)據(jù)時，G/T值為1.037 5dBK，明顯比實測值0.498 5dBK大。

3.3 沙塵衰減對設(shè)備影響

對于無線電測控設(shè)備來說，有

Lr=EIRP-Scr+Gr-LΣ-Sf。

式中，Lr為路徑損失(dB)；EIRP為彈上有效全向輻射功率(dBW)；Scr為接收靈敏度電平(dBW)；Gr為地面接收天線增益(dB)；LΣ為其他損失；Sf為安全余量，一般取3dB。

又有

Lr=20lg(4πR/λ)，

故無線電測控設(shè)備的作用距離R為：

對于其他損失來說，一般取2dB，若在沙塵條件下工作，則需額外增加。

以該無線電測控設(shè)備沙塵天氣比晴朗天氣時采用月亮源測系統(tǒng)G/T值的平均降低為1.107 6dBK為例，可知

無線電測控設(shè)備的作用距離減少為原來的88%。對于遠(yuǎn)距離探測的無線電設(shè)備來說，作用距離減少更是嚴(yán)重。因此，在實際工作中要考慮沙塵天氣對電磁波傳輸?shù)乃p，留下足夠的信道余量，確保信號的接收。

3.4 結(jié)論

結(jié)合無線電測控設(shè)備在不同天氣條件下的系統(tǒng)G/T值測試數(shù)據(jù)，對該設(shè)備系統(tǒng)G/T值測試結(jié)果受沙塵天氣影響的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

① 沙塵天氣比晴朗天氣時月亮源測G/T值均值降低約1.107 6dBK，對設(shè)備G/T值測試結(jié)果有明顯的影響；

② 能見度一般時，沙塵粒子密度較小，對電磁波傳輸?shù)乃p要小得多；能見度不足，沙塵粒子密度較大時，沙塵粒子間彼此相互作用，形成沙粒帶電，對電磁波的傳輸產(chǎn)生交叉去極化效應(yīng)，加重了對電磁波傳輸?shù)乃p。

③ 對于遠(yuǎn)距離探測的無線電設(shè)備來說，實際工作中要考慮沙塵天氣對電磁波傳輸?shù)乃p，留下足夠的信道余量，確保信號的接收。

4 結(jié)束語

本文分析了無線電測控設(shè)備在晴朗天氣和不同能見度沙塵天氣條件下的多組系統(tǒng)G/T值測試數(shù)據(jù)，沙塵天氣對設(shè)備G/T值的測試結(jié)果有明顯的影響。當(dāng)沙塵粒子密度越小，其引起的衰減越輕微；沙塵粒子密度越大，引起的衰減就越嚴(yán)重。

另外，在測試過程中，假設(shè)沙塵密度相同，電磁波穿透沙塵的距離也基本相同，這與實際情況有出入，但多次的測試結(jié)果均與表3中數(shù)據(jù)趨勢基本一致，故認(rèn)為分析結(jié)論具有一定的可信性。

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葛鐵志 男，(1978—)，工程師。主要研究方向：航天測控總體。

鐘水和 男，(1985—)，碩士，工程師。主要研究方向：航天測量與控制。

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

葛鐵志,鐘水和,黃龍呈,等.沙塵天氣對無線電測控設(shè)備性能的影響研究[J].無線電工程,2016,46(12):63-67.

2016-08-25

TN925

A

1003-3106(2016)12-0063-05