【正文】 ........................................................................................... 20 懸浮水滴折射率模型 .................................................................................... 21 降雨的 MPM 近似模型 ................................................................................ 22 晴空的 MPM 模型修正模式 ................................................................................... 23 云霧天氣下的 MPM 模型 ....................................................................................... 25 5 5mm 波段在不同天天氣下的 MPM 仿真及分析 ............................................................. 28 晴空模式 ................................................................................................................... 28 云霧天氣模式 ........................................................................................................... 29 雨天模式 ................................................................................................................... 33 結(jié)束語 ....................................................................................................................................... 37 感謝 ........................................................................................................................................... 38 參 考 文 獻(xiàn) .............................................................................................................................. 39 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁 共 41 頁 1 引言 課題概述 微波遙感發(fā)展迅速，毫米波遙感技術(shù)得到了更多的關(guān)注和利用。與微波相比，毫米波的精度高，抗干擾能力強(qiáng)，低仰角，探測性能好，能穿透等離子體等特性。 物質(zhì)對輻射具有吸收或反射作用。 1901 年，普朗克基于物質(zhì)量子理論提出了普朗克輻射定律，這一定律可以用來描述黑體的輻射譜。在毫米波遙感中，功率和溫度可以看作線性關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中，為了方便，可以用熱力學(xué)溫度來代替功率。大氣毫米波輻射和散射特性隨著目標(biāo)內(nèi)部原子、分子結(jié)構(gòu)和 物理特性的不同而變化。 國內(nèi)外研究狀況 國外在大氣毫米波段輻射特性的研究工作起步比較早，已發(fā)展的比較成熟。這種方法很大程度上取決于目標(biāo)復(fù)介電常數(shù)的研究。普朗克于 1900 年在量子化概念的的基礎(chǔ)上首先引入了組成物質(zhì)的微觀粒子，得出了黑體輻射的普朗克定律，它給我們研究物體的本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁 共 41 頁 電磁輻射特性提供了一個(gè)方便實(shí)用而又客觀可靠的標(biāo)準(zhǔn)，為輻射理論和輻射特性的應(yīng)用的研究作出了巨大的貢獻(xiàn)。由于大氣的亮度溫度可以表示為大氣的物理溫度分布和衰減系數(shù)的積分，因此大氣的吸收系數(shù)和散射系數(shù)的研究是很重要的。 1954 年， Gunn和 East提出了計(jì)算云的衰減系數(shù)的公式， 1968 年， Benoit也提出了類似的經(jīng)驗(yàn)公式。 1975 年 Rosenkranz 提出了微波波段氧氣的吸收系數(shù)。 1978年， CCIR(mittee consultative International desRadio)提出了大氣吸收的 CCIR模型， 1982年又提出修正模型。 1989 年， Liebe 提出了一種 MPM(Millimeter Wave Propagation Model)修正模型，即毫米波傳播復(fù)折射率模型 [4]。 在毫米波輻射特性應(yīng)用方面，美國 ARL(Army Researeh Laboratory)的 David Wikner 在其研究報(bào)告中，研究了不同天氣下 94GHz 輻射計(jì)系統(tǒng)的軍事應(yīng)用，即裝甲目標(biāo)探測、空地裝甲目標(biāo)識(shí)別等。瑞士伯爾尼大學(xué)應(yīng)用物理研究所研制出了一種探測平流層和中間層水蒸氣模型的新型地基輻射計(jì)，利用掃角定標(biāo)技術(shù)，因而提高了儀器的靈敏度 [5]。但也應(yīng)看到，我國已非常重視這方面的研究，無論從實(shí)際應(yīng)用中的投入都比以前有較大提高，可以說正處在快速發(fā)展時(shí)期，應(yīng)用前景廣闊。主要的研究單位有中科院紫金山天文臺(tái)，中科院大氣物理研究所，中國電波傳播研究所，復(fù)旦大學(xué)，電子科技大學(xué)，南京理工大學(xué)以及西安電子科技大學(xué)電本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁 共 41 頁 波所等單位。華中科技大學(xué)杜良啟郵毫米波段晴空亮溫理論模型，由地面氣候狀況得出天空亮溫的工程計(jì)算方法 [7]。中國科學(xué)院大氣物理研究所的魏重，給出了用雨天大氣輻射傳輸模式模擬得到的反演水汽總量 Q 和云液水總量 L 的方法，并認(rèn)為在雨強(qiáng)小于 20mm 爪范圍內(nèi)，可以通過地基輻射計(jì)測值定量得到 Q 和 L[9]。信息工程大學(xué)的毛天鵬給出了在降雨影響下微波在大氣中傳輸衰減的最新計(jì)算模型， 并對其進(jìn)行了仿真[11]。射電天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)靈敏度提高了近 6 倍，望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)噪聲溫度 (單邊帶 )在 110GHz約為 200一 300K，這與國際上射電望遠(yuǎn)鏡同頻段系統(tǒng)相當(dāng)。對于 w波段輻射計(jì)系統(tǒng)，中科院科學(xué)與應(yīng)用研究中心、國家 863計(jì)劃微波技術(shù)遙感 實(shí)驗(yàn)室、南京理工大學(xué)和華中科技大學(xué)等科研團(tuán)隊(duì)相繼開展了理論和應(yīng)用研究，取得了相關(guān)的研究成果。 課題研究意義 毫米波在大氣中傳播時(shí)，在氧氣和水蒸氣的吸收作用下，會(huì)引起輻射能量的衰減，并且在不同的天氣條件下，多云、霧天、降雨和降雪等的影響下，都會(huì)形成不同程度的吸收或散射，特別是降雨的影 響更加明顯。而且，由于天氣條件復(fù)雜多變，并且沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來界定大氣的狀況，因此，有必要研究不同天氣條件下毫米波輻射的一般規(guī)律。故研究不同天氣下特別是云雨等復(fù)雜條件下的輻射特性，進(jìn)而給出理論模型和相應(yīng)數(shù)據(jù)資料具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。在 5mm波段由于氧氣和水的吸收作用使得該頻段大氣衰減嚴(yán)重，研究該頻段大氣傳播特性對于利用和開發(fā)該頻段有重要作用。力求獲得更能擬合實(shí)際的理論模型，為實(shí)時(shí)測量提供數(shù)據(jù)參考，為全天候毫米波輻射探測提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，因而具有很大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。在 5mm 波段由于氧氣和水的吸收作用使得該頻段大氣衰減嚴(yán)重，研究該頻段大氣傳播 特性對于利用和開發(fā)該頻段有重要作用。 理解和掌握毫米波非大氣窗口傳播特性，利用合適的算法和模型計(jì)算得到5mm全頻段大氣衰減值。 2 大氣的輻射傳播 輻射傳輸?shù)幕靖拍? 微波輻射傳輸概述 通常所說的微波波段是指波長在 lm 一 1mm，對應(yīng)頻率范圍在 一 300GHz內(nèi)的電磁波，即雷達(dá)波段 中的 U附、 SHF和 EHF，而毫米波段是波長在 1cm一 1mm之間的電磁波，對應(yīng)頻率范圍為 30一 30OGHz。 微波輻射測量學(xué)是關(guān)于微波波段內(nèi)非相干輻射電磁能量測量的一門科學(xué)。因此，掌握不同物體的輻射特性，是一項(xiàng)十分重要的基礎(chǔ)研究工作 [1]。自然界的任何物體，只要處在絕對零度以上，均可在一定的條件下產(chǎn)生電磁輻射，并且這種輻射都是非相干的。我們在描述自然界這種非相干的似噪熱噪聲信號(hào)時(shí)，若從微觀上而言，研究各種物體發(fā)射的自然輻射機(jī)理是個(gè)非常復(fù)雜的過程 。米平方 )，這樣更具有可行性， 實(shí)際應(yīng)用中一般都使用這種方法來進(jìn)行分析和研究。理想的光滑金屬導(dǎo)體自身不發(fā)射也不吸收電磁能量，只存在著全部反射其它物體的電磁輻射。 由瑞利一金斯公式，黑體的光譜亮度凡為 : 22?kfBf ? （ 21） 其中，耳表示黑體的光譜亮度 ( HzSrmW ??2/ )， k= 2310? (j/k)k 是波爾茲曼常數(shù)， T表示熱力學(xué)溫度 (K)， ? 是波長。由于黑體的光譜亮度 fB 與 T成正比，為了方便，通常用黑體的熱力學(xué)溫度 T表征黑體輻 射的強(qiáng)度，不再計(jì)算其光譜亮度，并把黑體的熱力學(xué)溫度作為為黑體的亮度溫度。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 41 頁 功率與溫度的關(guān)系 若微波輻射計(jì)接收天線被面輻射源包圍，接收天線接收的功率記為 bP ，有 fKTPb ?? （ 22） 這表明，黑體的熱力學(xué)溫度與天線接收 功率之間是線性關(guān)系。在微波輻射領(lǐng)域，絕對溫度又稱噪聲溫度，用噪聲溫度來衡量噪聲功率的大小的方式得到了廣泛應(yīng)用。 1928 年，奈奎斯特對溫度為 T 的電阻推算得出相似的式子，即電阻器輸出的資用噪聲功率 : fkTPn ?? （ 23） 由此可見，無耗天線的輸出功率 bP 與電阻器輸出的資用噪聲功率 nP 的表達(dá)式完全相同。如果兩者輸出功率相同的話，我們可以得到這樣的等效 :如圖 所示，如果從接收機(jī)輸入端向天線端觀察，封閉在黑體中的無耗天線可以等效為一個(gè)電阻，這個(gè)電阻與接收機(jī)相匹配，并且此電阻的溫度等于黑體 的溫度 (K)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁 共 41 頁 三種溫度的關(guān)系 亮度溫度 在波長已知的條件下，黑體的亮度溫度與熱力學(xué)溫度成線性關(guān)系。記亮度為 ),( ??B ，它是方向的函數(shù)。 視在溫度 在大氣毫米波遙感領(lǐng)域，輻射源有來自宇宙的輻射，大氣的向下輻射，大氣輻射被散射的部分等，這些輻射會(huì)形成一定的亮度分布 ),( ??B ，毫米波輻射計(jì)會(huì)接收不同輻射源的輻射功率。視在溫度則是物體本身的熱輻射能經(jīng)過衰減和散射，再加上外來的熱輻射能之后到達(dá)天線后的熱輻射能。由此可見，天線溫度和天線輻射方向圖及視在溫度都有關(guān)系，它并不是天線自身的 絕對溫度，只是天線輸出功率的一種度量。自然界物體發(fā)射的微波熱輻射信號(hào)是非相干信號(hào)，并且極其微弱，因此，它不可能像傳統(tǒng)的信噪比大于 1的接收機(jī)，其信號(hào)噪聲功率比輻射計(jì)本身噪聲功率小得多，這個(gè)特點(diǎn)決定了輻射計(jì)必須具有高靈敏度 。 毫米波輻射計(jì)的一般組成有天線，噪聲源，前端寬帶混頻，中頻放大，檢波，視頻大，數(shù)據(jù)采集與處理電路等模塊組成 [14]。能夠被檢測出的最小的天線溫度的變化量稱為輻射計(jì)的靈敏度，它是毫米波輻射計(jì)的主技術(shù)指標(biāo)。定標(biāo)包括接收機(jī)定標(biāo)和天線定標(biāo)。天線定標(biāo)是天線主波束接收到的能量和天線接收到的總能量本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 41 頁 之間的關(guān)系。定標(biāo)的準(zhǔn)確與否決定了輻射計(jì)的絕對精度。根據(jù)現(xiàn)在的地理學(xué)理論，大氣的主要成分是氮?dú)? 2N )和氧氣 ( 2O )，海平面上兩者分別占大氣總體積的 %和 %，標(biāo)準(zhǔn)大氣 (通常所說的空氣 )的分子量是 ， 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)為 ，干燥空氣密度為 3/ mkg 。它們加一塊所占大氣體積的比例還不到 1%。因?yàn)榈厍驅(qū)θf 物的引力作用，和氣壓 (Pa)一樣，大氣密度隨著高度變化近似呈現(xiàn)出指數(shù)變化規(guī)律。大氣絕對溫度隨著高度的變化出現(xiàn)周期性的變化，根據(jù)這種變化規(guī)律，人們把水平分層的大氣人為分成對流層、平流層、中間層和熱電離層 (高層大氣 )。它能粗略地反映中緯度地區(qū)大氣多年年平均狀況，并得到一國或國際組織承認(rèn)。它能代表中等太陽活動(dòng)期間，中緯度地區(qū)由地面到 1000 公里的理想靜態(tài)大氣的平均結(jié)構(gòu) [l5]。這樣規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，與中國中緯度 (北緯 450 )實(shí)際大氣十分接近。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型和理想氣體狀態(tài)方程，可以得到溫度、大氣密度、水汽密度和氣壓分布。在其諧振頻率中，最低的是 ，接著是 ，如表 ，列出了水蒸氣分子最低的 10收線模式 [16]。然而，它有兩個(gè)不對稱電子的自旋產(chǎn)生磁偶極矩，磁偶極的躍遷產(chǎn)生了微波吸收譜線。