典型風沙環(huán)境對電磁信號衰減的規(guī)律研究

劉 楊，李 凱，譚康伯

(1.榆林電視臺，陜西 榆林 719000；2.西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071)

風沙環(huán)境在陜甘寧、青海、新疆等西北的一些地方頻繁發(fā)生，其影響范圍往往較大，會對相關地區(qū)人民的生活以及工農業(yè)生產造成影響。在風沙環(huán)境中，與人們生活、生產息息相關的無線電、廣播電視、通信、定位、導航等電磁相關活動受其直接影響更嚴重。因此，對風沙環(huán)境中電磁傳播的研究具有必要性和實際意義[1-3]。上世紀中，國際上已開始關注風沙對電磁波信號的影響，1941年，Ryde就通過把沙粒視為半徑為1～25 μm的石英小球，計算了沙粒對雷達的折射率。在國內，鄭曉靜等學者探討了典型帶電沙粒的散射場以及傳播場的特征。周東方等學者研究了微波傳輸中沙塵的等效特性，以及沙塵含水量對電磁波傳輸?shù)挠绊?。在前面工作的基礎上，本文將具體研究復雜地形情況下，高空-地面(空-地)電磁傳播過程中，風沙天氣環(huán)境的影響特性。

1 風沙環(huán)境電磁模型建立及分析

在電磁環(huán)境的特征分析中，首先需要對其研究對象以及過程影響等要素進行分析建模。本文選取我國西北地區(qū)較為典型的地形結構為參考依據(jù)[4-5]。為保證具體分析的一致性，選擇單位面積(大小為1 km×1 km)的地形結構為基本地面環(huán)境模型[6-8]，將對風沙情況的模擬加入地面環(huán)境中，系統(tǒng)建模如圖1所示。

圖1 基本地面環(huán)境模型示意圖

沙塵粒是風沙環(huán)境中的基本組成，其粒徑分布p(D)接近于對數(shù)正態(tài)分布[9]

(1)

其中，D為沙塵粒子的粒徑(粒徑尺度參數(shù)依據(jù)測量而定)； lnD的均值和標準差分別為m和σ沙塵粒子的尺寸分布的密度函數(shù)。粒子尺寸分布的密度函數(shù)N(D)為

N(D)=N0p(a)

(2)

其中，N0為沙塵的體密度。

沙塵復介電常數(shù)εe為

(3)

其中，εs和εw分別為干沙和水的復介電常數(shù)；p為水在沙塵中的體積百分數(shù)。而干沙的復介電常數(shù)的經(jīng)驗公式為

(4)

其中，ε′和ε″分別為干沙復介電常數(shù)的實部和虛部。另外，水的復介電常數(shù)為

(5)εs約為80，是靜電場的水的相對介電常數(shù)，λs和λ分別是單位為μm的松弛波長和工作波長，ε∞=5.271 37+0.021 647 4T-0.001 311 98T2。

在地形結構模型中，土壤的濕度mv會影響其電磁參數(shù)。基于經(jīng)驗公式[10-12]，臨界濕度mt=0.49Wp+0.165，Wp為土壤的濕度壓縮點。當mv≤m，有

ε=mvεx=(p-mv)εa+(1-p)ε

(6)

其中

(7)

當mv>mt，有

ε=mtεx+(mv-mt)εw+(p-mv)εa+(1-p)εr

(8)

其中

εx=εi+(εw-εi)β

(9)

參數(shù)β=-0.57wp+0.481，其中冰的相對介電常數(shù)為εi=3.2-j0.1，巖石和空氣的介電常數(shù)分別為εr=5.0-j0.1和εz=1，εw為純水的相對介電常數(shù)，由式(1)～式(3)可得

(10)

εw0(T)=88.045-0.4147T+6.295×10-4T2+1.075×10-5T3

(11)

2πτ(T)=1.110 9×10-10-3.824×10-12T+6.938×10-14T2-5.096×10-16T3

(12)

通過對式(6)～式(12)的分析，可知溫度T從0 ℃變化為50 ℃，介電常數(shù)基本保持不變[13-15]。對此，通過電磁波頻率，地形結構中巖土的成分及濕度，就可以進一步計算地形結構的有效電磁參量特征。mv=0.15時，土壤相對介電常數(shù)隨土壤體積含水量以及其頻率變化分別如圖2和圖3所示。

圖2 土壤相對介電常數(shù)隨土壤體積含水量

圖3 土壤相對介電常數(shù)在mv=0.15時隨頻率的變化

2 電磁衰減結果分析

在前面建模以及理論分析的基礎上，本文采用時域分析方法，并通過時-頻變換技術，在電磁頻率分別為300 MHz、600 MHz、900 MHz且地面上方風沙層厚度為350 m時，對空-地間的垂直電磁輻射在基本地形結構中地面中點位置處的電場進行了具體分析，所得結果如表1所示。

表1 地面中點處的電場 /V·m-1

為進一步探討空間風沙層對于空-地設備間電磁傳播的影響規(guī)律，本文將無風沙情景時計算的場值除以特定風沙密度時計算的場值并取對數(shù)，以此定義來刻畫空間風沙層的電磁遮蔽效果，該值可以有效地表征此風沙環(huán)境對于電磁衰減的影響情況，其所得結果如圖4所示。

圖4 風沙層對空-地電磁傳輸?shù)乃p干擾

圖4中3條曲線均呈現(xiàn)出隨著風沙密度的增加，電磁衰減干擾現(xiàn)象更為嚴重，而且并不是隨著風沙密度線性增加而線性增加，而是該衰減增加的加速度變小。這3條曲線最后上升趨勢的減緩，說明了隨著風沙密度的增高，其對電磁信號傳播的衰減更加嚴重。另外，對比相同風沙密度時的縱坐標值即衰減可以得到：在相同的風沙密度下，頻率較高的電磁波的傳播受到的影響更大，衰減更為嚴重，且衰減隨著風沙密度增高而愈加明顯。這些規(guī)律對于常年受風沙影響的臺站的選頻、用頻等技術工作具有積極的指導意義。

3 結束語

本文針對我國西北地區(qū)典型的多風沙環(huán)境，進行了相關的電磁分析，得到了復雜地形情況下風沙層不同密度對電磁衰減干擾的頻率影響特性，將其數(shù)值化表示，并對其中的規(guī)律進行了討論。這些規(guī)律、特征及數(shù)據(jù)可為陜甘寧等受風沙影響較為嚴重的地區(qū)在考慮其對電磁波傳播干擾影響時提供基礎參考，也在一定程度上為通過電磁波衰減的情況來檢測風沙干擾的嚴重情況提供技術支撐。

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