【正文】 : )( ffNke ? 1??kmdB (49) 其中實部 : 43210 NNNNN ???? () 上述公式涉及到的大氣參數(shù)如下 : 對干燥空氣 : ?pN ? （ 410） 對水蒸氣 : ?? eN )(2 ?? （ 411） 對懸浮水滴： )231(23 03 ??? ?WN (412) 對降雨 :RkRRN )(4 ?? (413) 在 0?N 和 0?f 的情況下，散射復折射率的定義可以由五個變量來表示 RWcdL NNNNNfN ????? )()( (414) 其中 LN 表示潮濕空氣的諧振作用 (44 條氧氣吸收線和 30 條水蒸氣吸收線 )的情況， dN 表示干燥空氣非諧振譜， cN 表示水蒸氣的連續(xù)譜， WN 表示懸浮液滴折射率， RN 表示雨的近似折射率。 復折射率模型 大氣的折射特性由已知的大氣參數(shù)來估計，利用這一系列參數(shù)計算散射復折射率 : )()()()( 39。 MPM 模型由六大模塊組成，分別對應不同的天氣條件，它們能控制超過 500 個參數(shù)。它描述了六個氣象輸入參數(shù) )?，F(xiàn)實中比較常見的是中雨 (直徑 ? 1mm)，大雨 (直徑 ? 5mm)一般不很常見。根據這些參數(shù)的取值，把中緯度降雨類型作如下分類 (水平距離 L=10km)，如下表所示。有效雨點面積 LLR/ 。等溫線下部分由水滴組成，上部區(qū)域是由冰粒組成。 在不同氣象條件下 0w 的平均值大致在 到 ? 3?m 一之間。 本科畢業(yè)設計 第 13 頁 共 41 頁 相對反向溫度變量和溫度的關系為 : ?? T? (44) 相對濕度 100100 ???seeU %RH （ 45） 飽和水蒸氣壓強 )%100( RHes ,溫度和水蒸氣密度 vw 的關系為 : ) x p ( 59 ??? ???? Uew v 3??mg (46) 設 p=101kPa， T=22C0 (? =)時，海平面上典型的大氣狀況在時間和空間上變化很大，如表 所示。 由表可知，變量組 (P,T,U,W,R)的時間和空間分布決定了輻射傳輸特性。 復折射率的定義公式如下 : ppmnN 610)1( ?? （ 42） MPM 模型由 44 個氧氣分子和 30 個水分子的線譜 (ITHz 以下 )、水蒸氣遠翼吸收譜、干燥空氣的非諧振譜、懸浮液滴 (霆，霧或者云的環(huán)境 )及雨的折射譜組成[20]。在頻率為 f的平面波傳輸距離為 L時相位和輻度滿足 ： cfjnLeELE ?20)( ?? （ 41） 其中 0E 是初始振輻， c 是光在真空中的傳播速度，折射指數(shù) n 依賴于頻率和大氣條件而變化，它的實部比 標準值稍大 )39。復折射指數(shù)是一個電磁輻射和大氣媒質的量 度，表達式為 39。電磁波的參數(shù)決定了它更適合在中性大氣中傳播。是由毫米波遙感領域的著名學者 于 1985 年提出的，幾年后他又根據理論和實驗研究對該模型進行修正和完善，主要用在干燥空氣，水蒸氣，懸浮液滴 (霆，霧和云 )和雨等天氣條本科畢業(yè)設計 第 12 頁 共 41 頁 件下 [4]。接下來又經過很多研究人員的理論研究和實驗測量，確定了 5mm 波段氧氣帶內諧振吸收線中心頻率及相關干擾參數(shù) [19]，如表 所示。在低層大氣氣壓比較高時，由于壓力展寬的作用，使50 一 7OGHz 之間的相當多的吸收線相互疊加，進而形成了連續(xù)的吸收帶，通常本科畢業(yè)設計 第 11 頁 共 41 頁 稱這個吸收帶為 60GHz 吸收帶 [18]。 氧的微波吸收譜由兩部分組成 :在 50一 7OGHz之間分布的相當多的諧振吸收線 。 100GHz 以內的水蒸氣的吸收系數(shù) [17]： kmdBffeTTffk TOH /])( 1)300[()300(2)( 62122/64412322 ?? ????? ??? ?(31) 大氣氧氣分子的吸收譜 大氣中的氧氣分子，由于其沒有電偶極矩，因此不會產生電偶極躍遷。 本科畢業(yè)設計 第 10 頁 共 41 頁 3 大氣毫米波吸收模式 大氣水蒸氣的吸收譜 水蒸氣的吸收譜是由水蒸氣分子轉動能級躍遷產生的。 如果只考慮大氣發(fā)射和吸收的要求，對于美國標準大氣模型，由于在 30km高處的 大氣密度大約是 ?? ，為標準大氣密度的 %，可忽略不計，因此，只需要研究 30km 以下部分的大氣狀況。中國國家標準總局將 1976 年美國標準大氣的 30 公里以下部分選作中國的國家標準 (GB1920 一 80)，自 1980 年 5 月 1 日起實施?，F(xiàn)在國際上通用的大氣模式是 1976 年美國標準大氣。 標準大氣，是能夠反映某地區(qū) (如中緯度 )垂直方向上氣溫、氣壓、濕度等近似平均分布的一種模式大氣。 大氣壓強 p 和大氣密度 ?? 都可看作隨著高度的增大呈指數(shù)曲線變小。雖然它們所起的作用相對水和氧來說差不多，但由于其含量非常小，故它們的影響可以忽略不計。大氣中還存在著氫 ( rA )，二氧化碳 ( 2CO )，氖 ( eN )和氦 eH 等稀有氣體元素。 大氣的物理概況 在大氣層中 90km 以內，除了水蒸氣受天氣條件和時間變化影響比較大之外，大氣的基本組成是相對穩(wěn)定的。定標的方比較多，最基本的是用于線性系統(tǒng)輻射計的兩點定標法，還有定標精度高的掃角定標等。接收定標是用來確定接收機輸出電壓，和輻射計輸入噪聲溫度之間的近似的線性關 。輻射計另一個重要概念 — 定標。輻射計的重要技術指標有靈敏度和絕對精度。微波輻射計本身無發(fā)射機，不發(fā)射信號，故它是無源的，它只需要接收物體發(fā)射的微波波段的熱電磁信號，因此輻射計具有很好的隱蔽性，又由于其低成本，低功耗，體積小，因而得到了廣泛的應用，特別是在軍事領域和大氣遙感領域 [13]。 微波鷹米波輻射計 微波 /毫米波輻射計是用來探測物體微波波段熱輻射能量的一種儀器，它實際上是一種高靈敏度的被動接收機。 本科畢業(yè)設計 第 8 頁 共 41 頁 天線溫度 在實際天氣條件下在天線周圍會形成亮度分布 ),( ??ftB 則有 : ),(2),(2 ????? APft TkB ? （ 27） 用上式代換得天線功率 : ????? dFBfAP nfrA ),(),(21 4 ????? fkTA?? (28) 式 (28)和電阻輸出噪聲功率 fkTpn ?? 的表達式相一致，由此我們可以得到這 一個等效，可以用一個溫度為幾的電阻的資用噪聲功率來代替天線的輸出功率， AT 即為我們通常所說的天線輻射溫度，簡稱天線溫度。由于亮度 ),( ??B 與相對應的輻射溫度是線性關系，因此我們可以用黑體的等效輻射溫度 ),( ??APT 來代替物體的亮度),( ??B , ),( ??APT 即為通常所說的視在溫度，可以表示為 : fTkBb ?? ),(2),( 2 ????? (26) 亮度溫度 ),( ??APT 表示物體本身的熱輻射能 。由以上分析可知，可以用一個溫度比實際物體溫度低的黑體來代替 實際物體熱力學溫度 T，不妨設這個溫度為 ),( ??bT ，它即表示我們通常據說的亮度溫度，簡稱亮溫，即 : fTkBb ?? ),(2),( 2 ????? （ 25） 由此可見，亮溫幾 ),( ??bT 只是一個等效黑體的熱力學溫度，而不是物體本身的熱力學溫度 ，它只是為了描述實際物體自身的輻射特性，根據亮度相等的原理等效出來的。實際物體的亮溫總比同樣溫度下的黑體的低，這種關系可用瑞利一金斯近似表示出來，即 : fkTfBBbb ???? 22? （ 24） 其中 bbB ，表示黑體的亮溫，帶寬 f? 很窄。黑體表面到天線的距離可以看作是任意的，這是因為黑體沒有反射能量，只吸收外界輻射的全部能量。天線的輸出功率與黑體的熱力學溫度是一一對應的線性關系，而電阻器的資用噪聲功率與電阻本身的溫度呈線性關系。若用軍表示測量系統(tǒng)帶寬，噪聲功率可以用噪聲溫度乘以 fk? 軍表示。故既可用功率(瓦 )去描述天線接收功率 (熱噪聲功率 )，也可以用熱力學溫度去描述。而灰體的亮度溫度總是小于灰體本身的熱力學溫度，它表示與灰體具有相同輻射強度的黑體的熱力學溫度。當黑體溫度 T=300K 時，在整個微波波段， fB 都很小。自然界大量的實際物體，又稱灰體，因其介電常數(shù)、結構和溫度的空 間分布不同，因而其吸收、發(fā)射和散射的電磁波譜，極化情況及隨觀測角度的變化規(guī)律都不相同。 黑體是一個理想的發(fā)射體，同時也是一個理想的吸收體 。而利用宏觀的熱輻射理論，不用去表述其電磁場強度，而只需表述其輻射的平均功率 (瓦 )、功率密度 (瓦 /米平方 )、輻射強度 (瓦 /單位立體角 )或亮度 (瓦 /單位立體角這種非相干輻射頻率可擴展到整個電磁波譜，具有“似噪”的特性，類似于接收機各部件產生的噪聲功率。 從本質來說，電磁輻射是由于電場或磁場的大小或方向隨時間的變化而產生的。微波輻射測量學的基本研究方法是 :在掌握不同物體的微波輻射特性的基礎上根據實測的數(shù)據來分析被測物體的性質。在軍事應用和微波遙感領域的雷本科畢業(yè)設計 第 5 頁 共 41 頁 達波段內，還存在用英文代號表示的更窄的波段劃分方案，毫米波遙感中常用的波段有 K 波段， W 波段等。根據建模得到的 5mm頻段衰減值，仿真計算不同大氣條件下的大氣衰減。 5mm 波段頻譜較寬，衰減值存在一定差異，找到合適的算法或模型計算 5mm波段在各種大氣條件下的傳播特性是本課題的研究目的。 本文的主要工作 深入了解電波在大氣中傳播特性。 以MATLAB 為計算和仿真工具，以對比分析為基本的研究方法來系統(tǒng)的研究大氣毫米波輻射特性。本課題 深入分析5mm 電波在大氣中傳播特性。由于大氣毫米波輻射特性的測量實驗成本高并且實現(xiàn)難度大，因此，關于大氣的輻射特性的實驗數(shù)據不足，特別是雨天的數(shù)據資料明顯不足，難以給出系統(tǒng)的數(shù)據資料。而現(xiàn)有的氧氣和水蒸氣本科畢業(yè)設計 第 4 頁 共 41 頁 的吸收譜模式大都是近似公式或者是經驗公式，與實際情況的擬合程度較差，故研究氧氣和水蒸氣的吸收特性變得非常重要。 由此可見，國內外在研究毫米波輻射傳輸特性在理論、技術及應用方面己取得了很大進展，但也存在諸多問題，有待于進一步的研究應用，而在大氣毫米波遙感理論和 應用研究還不夠深入，特別是在云、雨等天氣條件下，缺乏理論研究和數(shù)據支持。 1998 年紫金山天文臺研制出了 的全自動輻射計系統(tǒng)，并測得了多組數(shù)據 [12]。 在應用方面，中科院紫金山天文臺研究員史生才帶領毫米波實驗室課題組，完成了“八五”重大項目 :應用在紫金山天文臺 米毫米波射電望遠鏡上的“ 90一 115GHz 超導 SIS 接收機”項目。中國電波傳播研究所青島分所趙振維在基于 Rayleigh散射近似和水的雙 Debye復介電常數(shù)模型計算的云霧衰減系數(shù)，得到了一種新的估算云霧毫米波衰減系數(shù)的經驗公式 [10]。中國電波傳播研究所的林樂科利用 8mm輻射計對 8月份幾種天氣條件進行觀測，觀測結果認為多云和陰天對 8mm 輻射計的亮溫影響很大 [8]。 北京大 學地球物理系胡成達教授研究了大氣中 3毫米波的輻射傳輸模式，得出利用 3 毫米波在地面遙感大氣水，特別是晴空汽態(tài)水含量，靈敏度更高 [6]。