1、 四 部 穷 航 又 与 巍 备 彷 真 651降雨对机载无线电设备电 磁波传输的衰减特性分析刘长捷 l 李德鑫 2. 3 孙少华 2 李松江 3(I空军航空大学 ， 吉 林 ， 长 春 ， 130021 ; 2.海军航空工程学院 ， 山 东 ， 烟 台 ， 264001: 3.93163 部 队 ， 黑龙 江 ， 哈尔 浪 ， 310021 )摘 要 ：在传统降雨衰减率模型基础上 ， 给出了电波传输地宝电路模 型 ；对机载设备 各波 段传输衰减率进行了仿真计算 ， 并 分析了雨强 、 电波频率 、 发射仰角 、 极 化方式及时间概率等参数对降雨衰减的影响 通过仿真得出 ， X 波 段 以下的
2、机载元线 电设备受降雨影响很小 ， 可以忽 略 ；但位于较高频率波段的火控雷达 、 申 1J 导雷达受降雨影响较大 关 键 询 ： 降雨衰 减 ；电波传 播 ；机载设 备 ；仿 真 中圃 分 是 号 ： TN925Analysis of the Rain Attenuation Characteristic in the Electromagnetic Wave Transmission of Airborne Radio EquipmentLiu Chang-jie1 Li De-xin2 3 Sun Shao-hua2 Li Song-jiang3( I .The Aviation Uni
3、versity of Air Force. Jilin, Changchun. 130022: 2.Naval Aeronautical Engineering lnsti阳 饨 ， Shandong. Yantai. 264001 )(3刃 163 Unit of PLA, Heilongji 吨 ， H的 m. 15删 I )Abstracts Inthis paper, the land-air circuit model of radio propagation is presented based on the classical model of rain attenuation
4、rate. The attenuation rate of the wave band of airborne radio equipment is discus唱 “ le influence of rainfall intensity, electromagnetic wave 仕 equenc弘 launching elevation angle, polarization and time probability on the rain attenuation is analyzed. trough 由 e si nulation, the airborne radio equipme
5、nts that works under X wave band are affected little by the rain. The influence can be ignored. But the influence on the equipments such as fire control radar and guidance rad町 出 at work wi由 high wave band is much larger.Key words1 Rain Attenuation; Radio Propagation; Airborne Equipment; Simulation.
6、1 引言电磁波在对流层传输过程中 ， 不可避免的要受到各 种大气微粒的影响而产生衰减 ， 主要包括气体分子的吸 收效应和大气沉降物对电磁波的散射和吸收效应 。由于大气沉降物 （ 如雨 、 云 、 算 、 雪片 、 冰晶体平 n沙尘 、 烟 雾等） 的粒子尺寸与电磁波的波长相当 ， 会对电磁波产 生严重的散射和吸收 ，使得电磁波传输变得复 杂 （ I 。 大气沉降物中的降雨衰减是最为常见也最具代表性的 ， 然而 降雨的非均匀性 ， 雨媒 质 的非均匀性并具有随机性 ， 为作者简 介 ：刘长 提 （ 1961寸 ， 男 ， 吉林松原人 ， 副教授 ， 本科 ， 从事大 学物理研 究 ：李德 鑫 （
7、 1983 ） ， 男 ， 吉林梅河口 ， 助 士 ， 博士在读 ， 从事信号处理研究 3 孙 少 华 （ 1982 ） ， 男 ， 山东临 沂 ， 助 工 ， 博士在 读 ， 从事武器系统运用工程研究 ：李 松 江 （ 1982 ） ， 男 ，黑龙江哈尔 滨 ， 助 工 ， 本 科 ， 从事无线电通信导航工程研究 。雨衰减的建模和仿真带来了巨大的困难 。 降雨衰耗为时间统计值 ， 不能预测且很难量化 ：当前所采用的雨衰估算方法还很不完善 ， 各环节的估算公 式和统计数据都很容易 引 入误 差 。因 此 ， 开展降雨对机 载无线电设备电磁波传输衰减特性的研究 ， 建立精确的 雨衰减预测模型 ，
8、 以期获得精度较高仿真数据的同时为 后续研究英起理论基础 ， 为作战计划的制定提供理论依 据是有益而且必要的 。2 雨衰减卒雨衰减率 YR (dB/km ） 可用雨强 R ( rnm/h ） 通过下 述关系求得 2,3):YR = kRa?1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ht甲 _ lf652 系 统彷真就凋 a.;t皂应用 11 弘计算电路上 0.01%时间被超过的雨衰减率 ， Ro.01 为累 积时间为 l 分钟 0.01%时间超过的降雨量 （ mm/h ）
9、 ， 它与 雨强概率分布有关 ： 该指标是指实测时 ， 雨强超过规定 指标概率不能大于 0.01% ， 即在 10 万个实测雨强数据中 ， 超过规定雨强数为 10 个 （即总数据量的 0.01% ） ， 其中 最小的雨强就是 Roo1 公 式 为 ：YR (0.01) = kR;O I对于任意线形极化和圆极化波 ， 参数 k和 可由下 列公式求得 zk = kH + kv +(kH - kv )cos2 cos 2r/ 2 kH H + kv V +(kH H - kv v )cos2 cos 2 12k其中 ， 为路径仰角 ， r 为极化倾角 （ 水平极化r = O。 ，垂直极 化 T =
10、90 ，圆极 化 45 ), kH 、 H 、 kv 、 岛为 回 归系 数 ， 用下列解析公式求得 4.5.6:f 3.8794 10-5f 2-7474-l.7941n/+Ullllln2/-020221n /) I S f S20GHzi 8.2522 10-5J2 ./Ip 崎 却 f 三 400 Gfz 1-0.1蜘 Inf +6.203310-f“ -由图中 l可以看出 ， 雨衰减率随着频率和雨强的增 加而增 大 。降雨对低 于 lOGHz 电磁波传输衰耗影响远小 于 102 级别 ， 实际工程计算中可以近似忽略 。 降雨对 lOGHz 以上无线电波的衰减率较大 ， 其对电磁波传输
11、的 散射是强烈的 ， 而且是全方位的 。图 1 降雨率对不同频率电磁波传输衰耗的影响II(t四 纠 Inf -I.但 均 2 +0.9437 ./ f 2!日 Iz 3 机载元线电 设 备 频 段 及 降 雨衰成率句 (l.114llnf -2例 o.11s1 -10.但 8 1 0.50182l!6Z 却 $栩 任 也 机载无线电设备主要包括导航系统 、 通信电台和各l 1+2酬 6-lo- 4J2f 3.5肌 10-s12伽 l.617lln/+I 峭 的 -018771n Jl 1Sf S20CHz 7.913010-s r2IJ ， f S400Cliz1-0.1能 5lnf +5.9
12、35710-)I(t但 /:161n /-1.倒 也 .)2 +0则 8种雷 达 ， 其颇段划分如下表所示 7):表 1 机载无线电设备频段6号 I(l.10731n/ -21584)2 +o.69I 0.44941 06.!n I1$/$ax:Ilz却 $400 任 王 z需要指出的是 ， 上述给出的衰减率公式范围为 1 400GHz ， 实际工程计算中小于 IGHz 的情况可按 lGHz 计算公式计算 。文章中的仿真试验基于以下假设 ：1） 雨 区 为 等 效 均 匀 媒 介 ：2）降雨区域足够大 ， 即在电磁波穿透雨顶高度前在 雨区内传 播 ：3）不失一般性 ， 将各种传输模型假设为发射
13、站位于 雨区 内 ， 接收点位于雨层上方 ：4）仅计算单程衰减 。 仿真实验 l设定雨强为 5mmlh 、 25mm/h 、 50mm/h 、 lOOmm岛 、 150mm/ h， 频率为 1 400GHz ， 发射仰角为 30 ， 电磁波 为圆极化 ， 比较不同降雨率对不同频率电磁波传输的衰 耗 影 响 。雨强为 5mm/h 、 25mm/h 、 50mm/h 、 lOOmm/h 、150mm/h ， 发射仰角为 30 ，电磁波为圆极化 时 ， 各波段由降雨 引 起的衰减率如表 2 所 示 。由表 2 可以看出 ， X 波段以下的无线电设备受降雨 影响恨小 ， 可以忽略 （ L 频段以下衰减
14、率值过小未给出） 。 但位于较高频率波段的火控雷达 、 制导雷达受降雨影响 较 大 。?1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ht甲 波 段 频率范固 设备类型HF 3-30MHz 导航系统VHF 30 300MHz 导航系统 、 通信 电台UHF 0.3 lGHz 导航系统 、 预警雷达 、 通信电台L l 2GHz 导航系统 、 预警雷达s 2 4GHz 预警雷达c 4 8GHz 气象雷达 、 制导雷达 、 雷达着陆系统 、 无线电高度表x 8 12GHz 火控雷
15、达 、 导 航 雷 达Ku 12 18GHz 制导雷达Ka 27-40GHz 制导雷达g OV一 ，句 u ER 刷 “、 唱 lE ：仲 晴JJ 町 叫 川 X 川、h ， Jre7% 一一互利 AUZ e3， 、 四 部 穷 航 天 与 粮 备 t 真 653表 2 降雨 引 起的衰减率 （ dB/km )4 地空电路雨衰减模 型电磁波的传输由传播路径的不同可分为地 （ 海 ） 面 电路与地空电路模型 ， 不同电路的雨衰减计算方法有重 大差 别 ， 应使用两套不同的计算公式 。 地 （ 海 面电路 的俯仰角很 小 ， 电路几乎平行于地 （ 海 面 ， 没有等效 高度问题 ， 只有等效路径长
16、度问题 。 地 （ 海 面电路通 常使用水平极化和垂直极化 ， 而地空电路通常使用圆和 椭圆极化 。 本文主要分析降雨对机载设备的影响 ， 仅考 虑地空传播模型 。地空电路雨衰减计算的几何图形如图 2 所示 ， B 为 零度层 ， 零度层以上空间为冰冻层 ， 零度以下空间才存 在液态水 。 所以零度层的海拔高度 hR 就是雨的高度 ， 与 地理纬度有关 。设地 空 电路的总长度为 d ； 电路通过降雨 层 的实际长度 ds ：折算到 地 （ 海） 面水平路径上的长度 为 dg . 图 1 中 ， 为地空电路的仰角 ： hs 为通信站 （雷 达站） 的 海 拔 高 度 。根据模型假设 ， 本文利
17、用的降雨模型是发射站在雨 区内 部 、 雨区范围足够大 ， 电波在穿过雨区云层高度时 才离开雨区的情况 （图中阴 影 III情况 ） 。未考虑发射站在 雨区 外 ， 斜穿 雨 区的情况 图中阴影 I情况） 及发射站 在雨区内 ， 电波到达雨顶高度前斜穿出雨区的情况 （图 中阴影II情况）。、d4.1 地空电路 0.01%时间被超过的两衰减由于降雨区为非均匀媒介 ， 穿越斜距 ds 为电波穿过 雨区的最大可能长度 ， 其间未必全程降雨 ， 而部分降雨 区间的降雨强度可能低于计算值 ：因 此 ， 利 用 “等效路径 长度 ”模式 4） ， 将地空降雨的不均匀性用等效均匀介质代 替 ， 雨区的商围为
18、实际雨区与距离修正因子 罚 。 1的乘 积 。 在计算地空电路上任意时间百分数的雨衰减之前 ， 必须 先计算该电路上 0.01%时 间 被 超 过 的 雨 衰 减 为 ：AR(0.01) = r0_01d5yR(O. O l), dB式中 ， ds 为地安电路通过降雨层的实际长度 ，地空 电路仰角大于 5。 时可直接利用几何关系求解 。 但当电路 仰角小于 5。 时 ， 就必须考虑大气折射效应的影响 ， 利用 经 验 公 式 ：主 二 主 x!0-3. 85sin ds =(km)h. 尸 ， 21 华 匀 。5-0.075(-23), 23 ( km )r. =kl ( km )4 通信站
19、（ 雷达站 的地理纬度k 等效地球半径因子a地球真实半径 ， 通常取 6370kmh,h ( A ： 冰冻层 ： B ： 零度层 ： C ： 液态水层 。 ）固 2 地雪电路模型r,、 削 一“ 1+da f d0式 中 ， d。 为地 （ 海） 面电路等效路径长度 ： da 为地 空电路通过降雨层的长度 ds 在地 （海） 面上的投影 。 它 们分别表示为 ：?1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights res町 ved. h饥 p:/披段雨强 （ mm/h )5mmlh 25mmlh 50
20、mmlh IOOmmlh 150mmlhL 3.84x l0-5 15.34xl0-5 3.84x l0-S 15.34x w-5 3.84x J o-5 15.34x w-5 3.84w-s 15.34w-s 3.84x J 0-5 15.34w-ss 16.66w-s60.41x10-516.66x J0560.4I x l0-516.66x 10-5-60.41IO16.66x J0-560.41x10-516.66w-s60.41X10-Sc 64.17叫 O-s-4.6Qx 10-J 64.1710-S 4.6010-J 64.1710-s 4.6Qx l0-3 64.1710-S
21、4.60x l0-3 64.1710-s 4.60x I0-3x 4.79x I0-3 17.5110-J 4.7910-J 17.5210-J 4.81 x I0-3 17.51x10-3 4.8310-J 18.0210-J 4.83x lQ-3 18.0210-JKu 18.5I 03-6Qx I 0-3 18.5x10-3-60.2510-J 18.5x 10-3-60.41 叫 o-1 18.5x I 0-3 60.58x!0-3 18.510-3-60.6810-3Ka15.4510-2-40.96x I 0-216.03x 10-248.91 rn-2 16.2910-252.7
22、910-216.55x J 0-256.98x102 16.7110-259.59x10-2=101- - - E- - - - - - - - - - - - - - - -I - - - - - -“ ，唱 。 ， 二二 二 二 二 二654 E民 航 tt.J U泉 水 a应用 11 总, f 35exp(-0.015Ro01), Ro.oi 11au11为叩 也 王三 t 工 二 习 I 电搜细事为 Z田 3HZ- 1 卡 二 二. 寸- ， 旦旦 乙二二 飞斗 二斗了 ；： 二 ： 二主三 三 三 言 “H 雪 雪 雪 言王雪 圭三 号 号三主 二 i:-二 Z二 二 i=.= =
23、= :J = = :l 二 二 主 = t: 二二 二 二 二 二l二 二 二 二之 =-J-二 二子主 主 二 主 工 二 二 L二二E 王 三 1至 主 l主圭 亘 古 三 三 主 主 三 主 主 王 军 主 主 主 主 主 E 三 三= =1= = =1二 =1 三 :i 工 二习 工 二 三 王 工 工 仨 工 工_ I _ _ I_ I _ .J .J .1 .L L -10 “ =s =三 三 =三 = 三 = =三 三 = 三 = 三 =3 三 = J 十 三 3 三 三 三圣 E 三 圣 王 三 至 二 三 E 三 三巳 二 于 莘 J二斗 .:t-=:.z 二 三 - -l-
24、 - -1- - -1 - - -l - -1- - - + - - -1- 占10 ， 2 3图 4 极化方式对电磁波传输衰减 的影响 经仿真计算 ， 地空电路中降雨对 X 波段以下机载设固 6 时间概率对电磁披传输衰减的影响由固 5 所 示 ， 传输衰减随频率增加而增大 ， 同时随?1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights res町 ved. ht甲 、p的 取 值 f 咽】uu ETe E， 四 部 芳 航 3旦 与 tll.a. 655发射仰角增加而减 小 。 这是由于发射仰角增大
25、， 雨区中 传播路径 ds 变短的缘 故 。4.2 地空电路 p%时 间 被 超 过 的 雨 寰 减计算 p%时间被超过的雨衰减 AR( p ） ， 利用以下公式 zAR( p ) = 0.12AR (O.Ol)p-0546+0.04Jlg p), 0.001 p I 单 位为 dB。仿真实验 5初始化路径仰角为 3。 ， 极化方式为圆极化 ， 雨强5mm/h ， 接收点位于雨层上方 ， 频率为 IOGHz、 50GHz、80GHz 、 lOOGHz 、 200GHz ， 通信站初始地理纬度为 40 ， 通信站海拔高度为 500m。绘制不同 p 值条件 ，地空电路 电磁波传输衰减曲线如固 6
26、所 示 。由图中看 出 ， 随着时间概率 p 值的增加 ， 传输衰减 减小：这是由于量化的降雨衰耗是在平均年度的某个统 计时间中可能超过的预测衰减量 ， 降雨衰耗统计时间的 百分数越小 ， 相应于这个时间百分数的降雨衰起值就越 大 。 相同传输条件下 ， 0.001%与 1%概率的衰减相差达82.09%。5 结 论路水平极化波的传输衰减要大于圆极化波和垂直极化 波 ：地空电路上任意时间百分数的雨衰减 随 p 值的增加 而 减 小 。文 章 中给出的仅是理论推导出的工程计算模型 ， 与 实际情况有一定差距 ，不同地域由于其地理位置的差 别 ， 降雨衰减有所不同 ， 应通过长年的观测数据改进模型
27、， 使其更加趋于真实 。参考文献1 熊陪 等 无线电波传播 问 北 京 ：电子工业出版 社 ，20002 焦培商 ， 张忠 治 雷达环境与电波传播特性 M） . 北 京 ： 电子工业出版 社 ， 20073 吴 超 ， 何建 国 大气降水引起的电磁波的衰减 J . 现代电子技术 ， 2006(7)4 赵振 维 水凝物 的 电波传播特性与遥感研究 DJ. 西安电 子科技大学5 IJ-R Document 2136-E, Draft revision to Recommendation ITU-R P.618-5, ITU-R 筑 udy group 3 meeting, Geneva, Mar.
28、, 1999为了获得军机的全天候作战能力 ， 提高部队战斗 6 ITU-R Rec. P 838, Specific at忧 nuation model for rain for力，研究自然环境对机载电子设备的效能影响是有益而 use in prediction methods, ITU-R Recommendations, 1994 PN 且必要的 。本文在传统 降 雨衰减率模型基础上 ， 给出了 Series Volume, propagation in non-ionized media, Geneva 电波传输地空电路模型 ： 对机载设备各波段传输衰减率 7 Merrill I Skolnik. 雷达手册 北京 ：电子工业出版社 ， 进行了仿真计算 ，并分析了雨 强 、电波频 率 、发射仰 角 、 2003极化方式及时间概率等参数对降雨衰减的影响 。 其中 ， 降雨衰减随降雨强度和频率的增加而增大 ：传输路径仰 角越大雨区中传播路径越短 ， 贝 lj降雨衰减越 小 ：地空电?1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ht甲
