云霧對THz波傳播的衰減研究

云霧對THz波傳播的衰減研究

盧昌勝1吳振森1趙振維2林樂科2張鑫2李海英1

(1.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,陜西 西安 710071;

2.中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266107)

摘要基于云霧的粒子尺寸分布,利用Rayleigh近似和Mie理論計(jì)算了不同能見度和含水量的云霧對THz波的傳播衰減．結(jié)果表明:THz波段的云霧衰減較微波、毫米波段的衰減嚴(yán)重得多;THz波段的云霧衰減隨能見度的減小和含水量的增加而增大,對于相同能見度和含水量的云霧衰減并非隨頻率的提高而單調(diào)增加;同時(shí)溫度對THz波段的云霧衰減影響不大,在整個(gè)THz波段并不存在明顯的規(guī)律．

關(guān)鍵詞THz波;傳播衰減;云霧滴尺寸分布;Rayleigh近似;Mie理論

中圖分類號(hào)TN011

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2015)04-0718-05

AbstractBased on the fog drop size distribution (DSD) model of radiation and advection fog,the propagation attenuation of the fog is obtained in THz band by using Rayleigh absorption approximation and Mie theory. The results show that the fog attenuation in THz band is larger than that in microwave and millimeter band. The attenuation is increases as the water content increases or as the visibility decreases. The attenuation of fog with same water content or visibility varies non-monotonically with frequency increases. Meanwhile, the effect of temperature is not significant during the range fog can presence and has no regular pattern in the THz band.

收稿日期：2014-09-24

作者簡介

Attenuation of Terahertz-wave due to cloud and fog

LU Changsheng1WU Zhensen1ZHAO Zhenwei2LIN Leke2

ZHANG Xin2LI Haiying1

(1.XidianUniversity,SchoolofPhysicsandOptoelectronic

Engineering,Xi’anShaanxi710071,China;

2.NationalKeyLaboratoryofElectromagneticEnvironment,ChinaResearchInstitute

ofRadioWavePropagation,QingdaoShandong266107,China)

Key wordsTHz; propagation attenuation; fog and clouds DSD; Rayleigh approximation; Mie theory

資助項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(No.61179003,61401410,61471329)

聯(lián)系人： 盧昌勝 E-mail: lcsqmx@163.com

引言

THz波的電磁頻率在0.1～10 THz(1011～1013Hz)之間,介于微波和紅外波段之間,由于處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡領(lǐng)域,它集成了微波通信與光通信的優(yōu)點(diǎn)．相比較這兩種通信手段,THz波通信表現(xiàn)出一些特有的優(yōu)良性質(zhì)．較微波通信:其通信容量大,波束更窄,方向性好,可以探測更小的目標(biāo)以及更精確地定位;具有更好的保密性及抗干擾能力．較光通信:THz光子能量低,能量效率更高;THz波具有很好的穿透沙塵的能力,可以在大風(fēng)沙塵以及濃煙等惡劣環(huán)境下進(jìn)行正常通信工作．然而THz通信也具有明顯的局限性．例如在THz波通過大氣時(shí),水蒸氣等導(dǎo)致的強(qiáng)吸收使得其效率降低．由于THz無線電系統(tǒng)的工作波長與云滴、霧滴的尺度相當(dāng),因此云滴、霧滴對THz信息系統(tǒng)的影響較對毫米波系統(tǒng)的影響嚴(yán)重得多,這將嚴(yán)重制約未來THz頻段信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用保障．因此需要對云霧的THz波傳播特性進(jìn)行深入研究．

1云霧的物理特性

霧是由懸浮在近地面空氣中緩慢沉降的水滴或冰晶質(zhì)點(diǎn)組成的一種集合體,霧也可以看作是與地面接觸受地面阻止其垂直運(yùn)動(dòng)的云．根據(jù)霧的能見度和含水量的不同又將霧分成不同的類型,能見度低于50 m的為重霧,能見度低于200 m的為濃霧,能見度低于500 m的為大霧,能見度大于1 000 m的霧稱為輕霧或靄[1]．觀測表明,霧滴半徑通常在1～60 μm之間．根據(jù)形成霧的地域和形成霧的機(jī)理,可把霧分成平流霧和輻射霧．一般認(rèn)為海霧為平流霧,內(nèi)陸霧為輻射霧．輻射霧的霧滴直徑通常小于20 μm,而平流霧的平均直徑具有20 μm量級．云具有與霧相類似的特征．

根據(jù)實(shí)測滴譜分布的不同,人們采用不同的模型來描述云霧滴譜,使用最多的云霧滴譜分布為廣義gamma分布[2]

n(r)=arαexp(-brβ)．

(1)

式中: r為霧滴半徑; n為單位體積、單位半徑間隔內(nèi)的霧滴數(shù),若霧滴的半徑單位用m,其單位為m-4,若霧滴的半徑單位用μm,其單位為m-3μm-1;其他參數(shù)為確定霧滴尺寸分布的參數(shù)．被廣泛采用的另一種較為簡單的云霧滴譜模型為α=2,β=1時(shí)的Khragian-Mazin霧滴譜模型[3]:

n(r)=ar2exp(-br),

(2)

其單位為m-4．

在這種模型下云霧尺寸分布參數(shù)與宏觀物理量之間的關(guān)系更為簡潔．趙振維在此基礎(chǔ)上導(dǎo)出了平流霧和輻射霧滴譜分布與能見度V和含水量W之間的關(guān)系[4]:

n(r) =1.059·107V1.15r2exp(-0.8359V0.43r)

=3.73·105W-0.804r2exp(-0.2392W-0.301r);

(3)

n(r) =3.104·1010V1.7r2exp(-4.122V0.54r)

=5.400·107W-1.104r2exp(-0.5477W-0.351r)．

(4)

式(3)和(4)中n的單位為m-3μm-1

圖1分別給出了不同能見度和含水量的平流霧粒子尺寸分布．

(a) 不同能見度

(b) 不同含水量 圖1　平流霧粒子分布

影響霧的含水量和能見度主要是霧滴尺度的不同．從圖1可以看出:大尺寸的粒子含量越多,能見度越小;反之,大粒子的含量越少,能見度越大．對于含水量來說,顯而易見,含水量越大,大尺寸的粒子含量越多;反之,大粒子的含量越少,含水量越少．

為了計(jì)算云霧在THz波段的輻射衰減,需要知道水的復(fù)折射指數(shù)．W.J.Ellison在廣泛收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立了純水的復(fù)折射指數(shù)的計(jì)算方法[5],該方法適用的頻率范圍為[0, 25]THz,溫度范圍為[0,100]℃．因此,采用該方法計(jì)算云霧在整個(gè)THz波段的復(fù)折射指數(shù)．圖2給出在溫度為0 ℃時(shí)THz波段的復(fù)折射指數(shù)分布．

圖2　THz波段純水的復(fù)折射指數(shù)分布

2云霧對THz波的衰減特性

粒子散射的計(jì)算通常引入尺度數(shù)α,α=2πr/λ,并按α的大小將散射分為三類:Rayleigh散射、Mie散射和幾何光學(xué)散射．當(dāng)α?1,一般采用Rayleigh散射理論進(jìn)行計(jì)算;當(dāng)0.1<α<50時(shí),用Mie散射理論進(jìn)行計(jì)算;當(dāng)α>50時(shí),用幾何光學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算．由于云霧滴半徑(1～50 μm)與THz波長(30～3 000 μm)比較,在THz波波長低端與云、霧滴尺寸相當(dāng),在THz波段波長高端較云、霧滴尺寸大．因此需要根據(jù)尺度數(shù)的大小靈活選擇．不同頻點(diǎn)和粒子半徑處計(jì)算方法的選擇如圖3所示．圖中左上角藍(lán)色區(qū)域采用Rayleigh近似方法計(jì)算,紅色區(qū)域采用Mie理論計(jì)算．

圖3　云霧在THz波段計(jì)算方法選擇

Rayleigh近似時(shí)云霧滴的吸收截面遠(yuǎn)大于散射截面,體消光系數(shù)近似等于體吸收系數(shù),其值為單位體積所有云霧粒子吸收截面值和,因此云霧特征衰減可表示為[4]

(5)

式中: Qa(r)為半徑為r粒子的吸收截面; γ的單位為dB/km．隨著α的增大Rayleigh近似不再適用,需要使用Mie理論計(jì)算云霧滴的消光截面Qt(r),此時(shí)用Qt(r)代替式(5)中的Qa(r)．

下面分別從能見度、含水量和溫度三方面研究云霧對THz波的傳播衰減．首先研究霧的能見度和含水量對THz波的傳播影響．圖4給出了能見度V為30、100、200、500m及含水量W為10、1、0.1、0.01gm-3時(shí)平流霧在環(huán)境溫度為0℃時(shí)的特征衰減．

(a) 不同能見度

(b) 不同含水量 圖4　平流霧的特征衰減

從圖4可以看出,THz波段云霧衰減較微波、毫米波段的衰減要嚴(yán)重得多．能見度為30m的平流霧(重霧)在THz波段的高端特征衰減甚至達(dá)到了700dB/km．能見度為500m的平流霧(大霧)的特征衰減也達(dá)到了30dB/km．

從圖4還可以看出,霧的THz波傳播衰減不是頻率的單調(diào)函數(shù)．在薄霧時(shí),衰減隨頻率的增加而單調(diào)增加;重霧時(shí),在THz波段低端霧衰減隨頻率的增加而增大,但在THz波段的高端霧衰減隨頻率的增加略有下降．這是因?yàn)樵赥Hz波段低端,波長較霧滴尺度大得多,對其計(jì)算采用Rayleigh近似,其衰減與頻率成正比,與波長成反比,因此特征衰減隨頻率的增加而增大;在THz波段高端,霧滴的尺度與波長相當(dāng),其散射處于Mie散射的振蕩區(qū)域．其平均消光截面大于光學(xué)極限值(2πr2),隨著頻率增加,波長變短,其衰減趨于光學(xué)極限,造成衰減隨波長的變短而略有減?。芤姸容^大和含水量較少的霧含有更多的小尺寸粒子,在整個(gè)THz波段其衰減主要由Rayleigh近似計(jì)算結(jié)果決定,因此這些霧的衰減隨頻率的提高而單調(diào)增大．

從圖5可以看出,具有相同能見度的平流霧衰減大于輻射霧衰減．這是由于在相同能見度條件下,輻射霧的霧滴小而多,而平流霧的霧滴大而少．

由于水的復(fù)折射指數(shù)是溫度的函數(shù),因此云霧的特征衰減也應(yīng)是溫度t的函數(shù)．圖6給出了相同含水量(W=0.1gm-3)的輻射霧在不同環(huán)境溫度下的變化曲線．

圖5　輻射霧和平流霧的衰減比較

圖6　溫度對霧衰減的影響

從圖6可以看出,在THz波段低頻區(qū)域,特征衰減隨溫度的增加而減小,而區(qū)域邊界又與霧的含水量和能見度有關(guān)．同時(shí),溫度變化對特征衰減的影響在不同的含水量和能見度條件下也是不同的．因此,在THz波段中云霧的特征衰減隨溫度的變化沒有明顯的規(guī)律．

在THz波段云霧的傳播衰減隨頻率的提高而增大,而大粒子含量較多的重霧在THz高頻段的衰減隨頻率提高略有降低．另外云霧衰減隨能見度的減小和含水量的增加而增大．在云霧存在的溫度范圍內(nèi),溫度對云霧衰減的影響較小且在整個(gè)THz波段不存在明顯的變化規(guī)律．

3結(jié)論

通過本文的研究表明THz波段云霧衰減較微波、毫米波段的衰減嚴(yán)重得多．云霧衰減隨能見度的減小和含水量的增加而增大．對于相同能見度和含水量的云霧衰減并非隨頻率的提高而單調(diào)增加．同時(shí),環(huán)境溫度對THz波段的云霧衰減影響不大．本文通過對云霧在THz波段傳播特性的研究可以為THz信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供基本信息．下一步則需要通過收集不同氣象條件下的傳播數(shù)據(jù)建立傳播模型為系統(tǒng)的余量設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維護(hù)提供技術(shù)支持．

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盧昌勝(1983-),男,甘肅人,西安電子科技大學(xué)博士研究生,主要從事毫米波、太赫茲波大氣傳播特性方面的研究．

吳振森(1946-),男,湖北人,西安電子科技大學(xué)教授,主要從事無線電物理、光學(xué)以及等離子體方面的研究．

趙振維(1965-),男,河北人,研究員,博士,中國電子科技集團(tuán)公司首席專家,中國電波傳播研究所副總工程師,電波環(huán)境特性及其?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任,長期從事電波環(huán)境及其傳播特性的研究和國際標(biāo)準(zhǔn)的制定．

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