【正文】 云對通信信號傳播損耗的研究[摘要]分析了云的基本特性，討論了云與通信信號的相互作用機理，基于Mie散射理論，數(shù)值計算了云中球形粒子對電磁信號散射的散射特征量；結(jié)合云粒子譜分布函數(shù)，利用低空中的晴空大氣對電磁波信號傳播損耗經(jīng)驗公式，數(shù)值計算了幾種常見云對電磁信號的衰減。同時基于Rayleigh散射理論，結(jié)合云對電磁波衰減系數(shù)的經(jīng)驗計算公式，給出了云對電磁信號衰減的數(shù)值結(jié)果，并將所得結(jié)果與Mie散射計算的結(jié)果相比較，分析了兩者的差異，所得結(jié)果可為正確理解電磁信號在云中的傳輸特性提供參考和技術(shù)支持。[關(guān)鍵詞]通信信號；傳播損耗；散射理論；衰減Research on the propagation attenuation of signal of munication caused by cloudsLei QunXia(Grade08,Class1,Major electronic information science and technology, School of Physics and Telemunication Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong723000，Shaanxi)Tutor:Huang ChaoJunAbstract: Analyzing the basic characteristics of clouds, and the interaction mechanics between clouds and signal of munication is discussed, Based on Mie scattering theory, the scattering characteristical quantity of spherical particles in clouds action with electromagnetic signal are numerical calculated. Combining with the spectral distribution function of particles in clouds and using the experiment formula of propagation attenuation of electromagnetic signal in low atmospheric with clear sky, the author numerical calculating the attenuation of electromagnetic signal caused by several mon clouds. Meanwhile, based on Rayleigh scattering theory and bining with the experiment formula of attenuation coefficient of electromagnetic wave caused by clouds, the numerical results of attenuation of electromagnetic signal caused by clouds are given. The results which calculated by Mie theory and Rayleigh individually are pared and their difference is analyzed, this can provide conference and technology support for correct understand the propagation characteristics of electromagnetic signal through clouds. Key words:munication signals, propagation attenuation, scattering theory, attenuation目 錄引言 31 云的形成、種類及基本特性 3 3 4 42 通信信號與大氣粒子的相互作用 7 7 7 7 8 8 8 8 8 11 123 云對通信信號衰減的計算 15 相關(guān)參數(shù)的概念 15 18 18 20 Rayleigh散射的概念及特點 23 23 24 264 結(jié)語 27致謝 27參考文獻 28附錄外文翻譯 29引言隨著社會的進步和科學技術(shù)的飛速發(fā)展，人類已經(jīng)進入信息社會，各種信息的傳遞已成為主流話題，移動通信作為現(xiàn)代人們之間交流和聯(lián)系的一種主要手段，已經(jīng)和人們的生活息息相關(guān)，如何提高移動通信中的傳輸質(zhì)量就成為當前移動通信中急需解決的問題。移動通信信號傳輸質(zhì)量的提高不僅取決于信號發(fā)射和接收裝置的性能，而且還取決于信號的傳輸環(huán)境。作為成分復雜，變化多樣的大氣，是移動通信信號傳播的主要通道，云成分的復雜性和多變性是對通信信號傳輸質(zhì)量面臨的嚴重問題，一方面云會吸收通信信號的能量，降低信號的傳輸質(zhì)量。另一方面，云的分子和粒子會散射通信信號，改變通信信號的傳輸方向，影響信號的傳輸質(zhì)量。研究云對通信信號的影響對提高通信信號的傳輸質(zhì)量具有重要的意義。無線移的實質(zhì)是攜帶有用戶所需信息的電磁波經(jīng)過發(fā)射、傳輸最后被用戶接收，電磁波在傳輸過程中不可避免的會與各種介質(zhì)相互作用，一旦攜帶有用戶所需信息的電磁波與介質(zhì)相互作用，勢必會引起通信信號的各種衰減，從而影響通信質(zhì)量，因此研究通信信號的衰減特性對提高通信質(zhì)量具有重要的應用價值。大氣空間作為無線通信的主要傳輸環(huán)境，其對通信信號的影響已成為當前研究的熱點和難點問題，主要原因在于大氣環(huán)境是瞬變且具有非常不穩(wěn)定的因素，大氣環(huán)境中的大氣分子、氣溶膠粒子以及云等各種介質(zhì)都會影響通信信號的傳輸質(zhì)量，一旦通信信號和這些介質(zhì)相互作用，必將導致通信信號的衰減。云對電波傳播的影響研究開始與20世紀60年代美國國防部，他們不僅進行了理論上的研究，而且也做了大量的實驗工作，得到了大量實驗數(shù)據(jù)，后來Chairls等人使用這些數(shù)據(jù)證實了一種理論傳播模型，該模型證明當電波頻率低于200MHZ時，長距離通過電波傳播主要是通過表面波進行，后來由于寬帶數(shù)字通信的迅速發(fā)展，移動通信的頻率主要在UFH頻段，這已經(jīng)不同于以前的通信模型。為適應新的通信領(lǐng)域的需求，大量學者使用實際測量的方法建立電波經(jīng)過云層時的傳播模型，其中比較成熟和適用范圍較廣的是OkumuraHata模型，見參考文獻[12]。該模型是在東京城區(qū)和郊區(qū)通過大量樹林進行實際測量，對所得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析所得。該模型適用范圍較大，一度成為人們普遍采用的標準，但隨著人們對電波傳播深度的研究，許多學者試圖從理論上得出解析解，80年代后期，并得到了云中電磁信號傳播近似的解析解[34]。本文主要研究云對通信信號的影響，云衰減是電波在云中傳播的時候由于云的吸收和散射而造成的影響。當電波的的波長遠大于云的直徑的時候，衰減主要由云的吸收引起。當電波的波長變小或云的直徑變大時，散射衰減的作用就增大。為了有效地傳播通信信號，就必須研究云對通信信號在各個不同狀況下的影響。本文主要由四大部分組成，第一部分主要闡述云的形成、分類及其基本特性；第二部分分析了通信信號與大氣粒子的相互作用機理；第三部分給出通信信號在云中衰減的數(shù)值結(jié)果并得出相關(guān)結(jié)論；最后得出結(jié)論在較低頻率范圍內(nèi)，Rayleigh散射和Mie散射衰減差值不是很大，但是在大于20GHZ時，利用Mie散射理論和Rayleigh散射理論計算的衰減差值較大。1 云的形成、種類及基本特性云的形成過程是地球上水文循環(huán)的一個環(huán)節(jié)。由于海洋、湖泊、河川、土壤及動植物均無時無刻將水份蒸發(fā)至空氣中，水汽凝結(jié)后，即成為微細的小水滴或冰晶，再凝聚浮懸于空中而成為肉眼可見的云。云隨著氣流的推移，時聚時散，云量過多水滴變大即以降雨、冰雹或下雪的方式回歸至地表。如此周而復始的循環(huán)，衍生出各種天氣變化，同時變化多端的云也將天空襯托得變化莫測、多彩多姿。水汽凝結(jié)成小水滴是附著在凝結(jié)核之上，最能發(fā)揮凝結(jié)核作用的是鹽和燃燒物的微粒。而凝結(jié)核的含量以海洋上最多，通常都市也多于鄉(xiāng)村。如果溫度降得很低，在40度C以下，水汽就直接升華為冰晶，冰晶所依附的中心核為升華核，缺乏升華核則成為過冷水滴。因此，云的組成有三類：第一種為完全由液態(tài)水滴構(gòu)成，包括氣溫低于冰點的過冷水滴在內(nèi)的水滴云；第二種為完全由冰晶構(gòu)成的冰晶云；第三種為兼有水滴及冰晶同時存在的混合云，混合云是造成降雨的重要原因之一。水汽雖為產(chǎn)生云的原因之一，但空氣不能迅速增加極多的水汽以使其飽和，因此產(chǎn)生云的先決條件就在于冷卻作用。而冷卻作用有接觸冷卻、混合冷卻和絕對冷卻三種。云的生成以借由絕對冷卻為主，例如暖濕氣流超越山嶺而被迫舉升。在上升過程中因膨脹而冷卻，使水汽凝結(jié)而形成云[5]。大氣層中含有懸浮的各種各樣的水汽和水顆粒分子以及由水和冰組成的云霧，云的形狀和分布是極為復雜多變的，由于各種云的云體情況不同,如云水含量、云滴譜的有效半徑等云層物理特性存在較大差異,因此不同云對電磁信號的吸收及后向散射差別較大。在電磁波信號的傳輸過程中，想要清晰的了解云對無線通信傳輸?shù)挠绊懕仨氁宄频母鞣N特性。云是由半徑為幾微米到幾十微米的水滴和塵埃晶體組成的，其對電磁波的吸收和后向散射尤為嚴重。云覆蓋了整個地球的50％以上,按云的底部高度不同可把云分為低、中、高三種。低云包括積云（Cu）、積雨云（Cb）、層云（St）、層積云（Sc）、雨層云（Ns）、碎雨云（Fn）等六類,云底高度一般在2000米以下；中云包括高層云(As)和高積云(Ac)兩類,云底高度通常在2000～6000米之間；高云包括卷云(Ci)、卷層云(Cs)、卷積云(Cc)三類,云底高度通常在6000米以上。需要指出的是，有些云屬經(jīng)常會伸展至其它層，如屬于中云族的高層云可能伸展至高云族所在的層次，積云和積雨云能伸展至中云族和高云族所在的層次，；此外，在物理學上還可以根據(jù)云的微結(jié)構(gòu)分類(水云、冰云和冰水混合云)；根據(jù)云體溫度分類(暖云和冷云)。根據(jù)云的動力學特征分類(層狀云、對流云和波狀云)等；除了這些分類之外，國際上對云還有一種通用的分類，.族極地（km）溫帶(km)熱帶(km)高云中云低云3—42—4地面—25—132—7地面—26—182—8地面—2高云（＞6千米）中云（2—6千米）低云（２千米）直展云積狀云積云狀卷積云Cccuf積云狀高積云Accuf積云Cu(碎積云)濃積云Cucong積雨云Cb波狀云卷積云Cc卷云Ci高積云Ac層積云Sc層狀云卷層云Cs高層云As層云St雨層云Ns云的宏觀特征是把云作為一個整體來看的許多特征,如云的外貌、生命史,云內(nèi)的溫度、濕度、含水量和氣流分布等。而云中水滴的大小、分布等特征則屬于云的微觀特征。在云霧研究中一般將云按形狀和形成系統(tǒng)來分，不同種類云的宏觀微觀的物理特性是不同的，其具體分類及主要特征見如下表。[6]。云層中文學名（國際簡寫）俗稱主要云狀中文學名（國際簡寫）主要特征高云(云底高度6000米以上)卷云(Ci)條云纖維狀卷云(Cifib)云絲分散，纖維結(jié)構(gòu)明顯，狀如亂絲、羽毛、馬尾等。密卷云(Cispi)云