【正文】 衰減的作用就增大。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(jī)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(jì)算的衰減差值較大。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(xì)的小水滴或冰晶，再凝聚浮懸于空中而成為肉眼可見的云。如此周而復(fù)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。而凝結(jié)核的含量以海洋上最多，通常都市也多于鄉(xiāng)村。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(diǎn)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。而冷卻作用有接觸冷卻、混合冷卻和絕對冷卻三種。在上升過程中因膨脹而冷卻，使水汽凝結(jié)而形成云[5]。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。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(xué)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)。而云中水滴的大小、分布等特征則屬于云的微觀特征。[6]。密卷云(Cispi)云絲密集，聚合成片。偽卷云(Cinot)已脫離母體的積雨云頂部冰晶部分,云體大而濃密,經(jīng)常呈鐵砧狀.卷層云(Cs)薄云霧狀卷層云(Csneb)云幕薄而均勻,看不出明顯的結(jié)構(gòu)。卷積云(Cc)鱗云鯖云中云(云底高度在25006000米)高層云(As)朦朧云透光高層云(Astr)云體較薄,厚度均勻,呈灰白色,日月被掩,輪廓模糊,似隔一層毛玻璃。高積云(Ac)叢云,綿羊云透光高積云(Actr)云塊較薄,個體分離,排列整齊,縫隙處可見青天。蔽光高積云(Acop)云塊較厚,排列密集,云塊間無縫隙,日月位置不辨.莢狀高積云(Aclen)云塊呈白色,中間厚,邊緣薄,輪廓分明,孤立分散,形如豆莢或呈檸檬狀.積云性高積云(Accu)云塊大小不一,呈灰白色,外形略有積云特性,由衰退的濃積云或積雨云擴(kuò)展而成。低云(云底高度不足2500米)層積云(Sc)積層云透光層積云(Sctr)云塊較薄,呈灰白色,排列整齊,縫隙處可見青天。蔽光層積云(Scop)云塊較厚,呈暗灰色,云塊間無縫隙,成密集成層,布滿全天,底部有明顯波狀起伏。傍晚層積云(Scve)云體扁平,常由傍晚地面四散的受熱空氣上升而直接形成.堡狀層積云(Sccas)云塊頂部突起,云底連在一條水平線上,類似遠(yuǎn)處城堡.層云(St)霧云碎層云(Fs)由層云分裂或濃霧抬升而形成,為支離破碎之層云小片.雨層云(Ns)雨云、雪云碎雨云(Fn)云體低而破碎,形狀多變,呈灰色或暗灰色,常出現(xiàn)在雨層云,積雨云及蔽光高層雨下,是降水物蒸發(fā),空氣濕度增大凝結(jié)而形成.直展云積云(Cu)棉花云淡積云(Cuhum)個體不大,輪廓清晰,底部平坦,頂部呈圓弧形,凸起,狀如饅頭,其厚度小于水平寬度.碎積云(Fc)個體小,輪廓不完整,形狀多變,多為白色碎塊,是破碎或初生積云.濃積云(Cucon)個體高大,輪廓清晰,底部平面暗,頂部圓弧狀重疊,似椰菜花,厚度超過水平寬度.積雨云(Cb)雷雨云禿積雨云(Cbcal)云頂開始凍結(jié),圓弧形重疊,輪廓模糊,但尚未向外擴(kuò)展。2 通信信號與大氣粒子的相互作用 大氣分子對通信信號影響當(dāng)通信信號在空間傳播時，就必將與大氣中的氣體分子相互作用，就目前移動通信中的信號頻率而言其攜帶信息的電磁波的波長遠(yuǎn)大于大氣中氣體分子的尺寸。 大氣氣溶膠粒子對通信信號的影響大氣氣溶膠與電磁信號的相互作用主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是氣溶膠粒子可以以同樣波長再輻射已經(jīng)接收的能量，這個過程稱為散射；二是氣溶膠粒子也可以把接收的能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪苋鐭崮埽瘜W(xué)反應(yīng)能和不同波長的輻射，這個過程稱為吸收；散射和吸收共同構(gòu)成了氣溶膠粒子對電磁信號的衰減作用。雖然大氣中氣溶膠粒子的尺寸在um范圍之間，但是對于Raleigh區(qū)域的超細(xì)粒子，其在大氣中的壽命很短，很容易因?yàn)榱Ｗ拥牟祭蔬\(yùn)動相互碰撞而形成大粒子，同時，對于尺寸x50的粒子，其在中立的作用下很快就沉到地面。當(dāng)計(jì)算要求精度比較高時，就不能將氣溶膠粒子等效為球形粒子，否則就不能真正體現(xiàn)氣溶膠粒子的本質(zhì)屬性，此時就必須考慮氣溶膠粒子的形狀對其散射特性的影響，這種情況下就不能運(yùn)用Mie理論來解釋氣溶膠粒子的散射作用，而只能用一些數(shù)值方法來研究氣溶膠粒子的散射特性，比較成熟的由T矩陣、DDA等數(shù)值方法。除煙霧型氣溶膠之外，一般的氣溶膠粒子，氣徐不得折射率都很小，其對通信信號的作用主要體現(xiàn)在對電磁波的散射。 大氣湍流對通信信號的影響大氣運(yùn)動的形式有層流和湍流，層流是流體質(zhì)點(diǎn)作有規(guī)則的穩(wěn)定的流動，各運(yùn)動氣層間不會發(fā)生混合，湍流則是一些大小不一的渦旋的無規(guī)則運(yùn)動，使大氣中局部參數(shù)產(chǎn)生隨空間位置和時間的隨機(jī)變化，當(dāng)在氣體或液體的某一容積內(nèi)，慣性力與此容積上邊界處所受的粘滯力之比超過某一臨界值時，液體或氣體的有規(guī)則的層流運(yùn)動就會失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運(yùn)動。當(dāng)通信信號在折射率起伏場中傳輸時，大氣的折射率隨空間和時間做無規(guī)則變化，將使通信信號在傳播的過程中隨機(jī)的改變其電磁波參量，是信號質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，出現(xiàn)所謂信號截面，強(qiáng)度起伏、閃爍、彎曲和漂移相位起伏等現(xiàn)象統(tǒng)稱為大氣湍流現(xiàn)象，它會使通信信號受到隨機(jī)的寄生調(diào)制而呈現(xiàn)出額外的大氣湍流噪聲，使接收信噪比減少，使模擬調(diào)制的大氣無限通信信噪比增大，是數(shù)字通信的誤碼率增加。物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中的帶電粒子在一定的組合狀態(tài)下都有一個或幾個固有的電磁諧振頻率。當(dāng)電磁場的頻率與它們的固有頻率相同時，發(fā)生諧振，就會對電磁場能量有強(qiáng)烈的吸收作用。氧分子本身無固有電偶極子但有微小的固有磁偶極子。水汽分子有固定的磁偶極子，其比氧更易為電磁場所激勵，即使在較低的頻率下，吸收作用也較顯著。大氣吸收小的頻率通稱窗口頻率，例如：80GHz,126GHz等。在熱帶地區(qū)水汽濃度還會更高，吸收更強(qiáng)[7]。這個衰減可由下面簡化的算法計(jì)算得到，這個算法是基于曲線擬合的計(jì)算方法。但對于海拔高于5km的高度，這個方法就不太適用。當(dāng)（）式中，，其中為水汽的密度，單位（） ，（），（），（），（），（）編程計(jì)算得到的結(jié)果，干燥空氣對電磁波信號的衰減非常小。在22GHz、183GHz、325GHz左右時，水汽對電磁波信號的衰減相應(yīng)增大。大氣的窗口頻率為35GHz、80GHz、126GHz。這種計(jì)算方法計(jì)算出的數(shù)值從海平面到海拔2千米的范圍內(nèi)利用相應(yīng)處的壓強(qiáng)，溫度，和水汽的密度等要素能將衰減精確到正確值的范圍內(nèi)。同時可從圖看出當(dāng)頻率在50到57GHz之間時，天頂衰減隨著頻率的增加而增加；當(dāng)頻率為57到63GHz時，天頂衰減基本保持不變；當(dāng)頻率為63到70GHz時，天頂衰減隨著頻率的增加而減小。 地空路徑干濕空氣的吸收在傳播仰角在之間，利用余割定律可得到路徑衰減如下式[11]： （） （） （）為了計(jì)算地空斜徑上干濕空氣對在兩個不同的高度和之間波傳播造成的衰減（高度和都要高于海平面且要小于2000m），必須用和來代替上式中的和，具體如下式所示：km km，不同的高度和間波傳播造成的衰減由圖可看出，仰角為60度時，不同波傳播造成的衰減總體是隨著頻率的增加而增加，但當(dāng)頻率大于15GHz時在微小的區(qū)段內(nèi)，衰減是隨著頻率先增加再減小。而且衰減是隨著頻率的增加而增大的。在頻率為20GHZ、60GHZ、115GHZ、183GHZ左右時，其對電磁信號的總衰減相應(yīng)的增大。簡單起見，首先把這樣一個輻射過程歸結(jié)為均勻介質(zhì)的球形粒子與電磁波的相互作用。它可以分成實(shí)部和虛部，即 （）n為復(fù)折射指數(shù)。在散射公式中，各散射參量的值對復(fù)折射指數(shù)的變化都是非常敏感的，因此必須準(zhǔn)確的選擇和[13]。所以要計(jì)算在不同波段中水的介電常數(shù)。介電常數(shù)通常為復(fù)數(shù)為空氣中的介電常數(shù)。電波被雨滴散射的參數(shù)之對復(fù)折射率的實(shí)部與虛部的變化都是很靈敏的，所以在計(jì)算中要很好的選擇這個參數(shù)。雙德拜模型[11]： （） （）在這里 （）參數(shù)，T=273+t （）以上這個公式適用于頻率在1000GHz范圍內(nèi)，溫度t的范圍為： 的實(shí)部隨頻率的變化關(guān)系的虛部隨頻率的變化關(guān)系，即利用式（），（），（），（），通過編程計(jì)算并利用畫圖軟件得到。：，水的介電常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系，在時，微波頻率在1到1000GHz則時，水的介電常數(shù)的實(shí)部隨頻率的增加而減小，而虛部隨頻率大增加先增大在減小。由Mie理論可知，散射光的分布不僅與顆粒粒徑有關(guān)，顆粒與其周圍介質(zhì)的相對折射率也會對散射光的分布有一定的影響。即： （）其中相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率。所以絕緣介質(zhì)的折射率仍為實(shí)數(shù)，而金屬介質(zhì)折射率的虛部將不能忽略。令其中：用折射率來表示波數(shù)，則波數(shù)應(yīng)為復(fù)數(shù)，可稱為復(fù)波數(shù)： （） 上式與波數(shù)為實(shí)數(shù)時電場矢量表達(dá)式的區(qū)別僅在于多了一項(xiàng)衰減項(xiàng)，而此項(xiàng)與折射率的虛部有關(guān)，這說明折射率的虛部正描述了電磁波在進(jìn)入散射物質(zhì)后的衰減。不論在實(shí)驗(yàn)還是在實(shí)際測量中，顆粒大都是以群體形式存在的。但當(dāng)群體濃度較高時，由于入射光被前面大量顆粒散射或吸收，使得照射在后面顆粒上的入射光強(qiáng)很小甚至完全不能被照射，此時其他顆粒的散射光強(qiáng)相對于入射光強(qiáng)不能忽略，群體總散射光強(qiáng)也不再簡單的等于各顆粒子對入射光的散射光強(qiáng)之和。多重散射不涉及新的物理問題，但其數(shù)學(xué)計(jì)算十分復(fù)雜。 Mie散射理論下的云的衰減Mie散射又稱為大粒子散射，其散射粒子的大小與光波長同量級甚至更大，其散射規(guī)律與瑞利散射不同，Mie對大粒子散射進(jìn)行了較全面的研究，并在1908年提出了懸浮微粒線度與入射光波長相比擬時的散射理論。Mie理論的主要原理是利用諧函數(shù)將入射場的和散射體的散射場以及散射體內(nèi)部的場展開，在散射體的表面根據(jù)邊界條件列出線性方程組，通過求解方程組解出展開系數(shù)，進(jìn)而得到目標(biāo)的散射場以及其他的一系列散射特征量。 Mie散射理論的特點(diǎn)1）散射光強(qiáng)度隨角度分布變得十分復(fù)雜，粒子響度與波長的尺寸越大，