沙塵天氣對無線電測控設備性能的影響研究

葛鐵志，鐘水和，黃龍呈，馬 鶴

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750)

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沙塵天氣對無線電測控設備性能的影響研究

葛鐵志，鐘水和，黃龍呈，馬 鶴

(中國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750)

針對無線電測控設備系統G/T值測試數據在晴朗天氣和沙塵天氣下的差異，從沙塵粒子的特性出發(fā)，結合干沙與水的復介電常數公式，獲得了沙粒的等效介電常數模型，建立了沙塵粒子引起微波衰減的計算模型，對該設備G/T值測試結果受沙塵天氣影響的現象進行了分析。結果表明：沙塵天氣對設備G/T值測試結果有明顯的影響。沙塵粒子密度越小，沙塵衰減越輕微；沙塵粒子密度越大，沙塵衰減越嚴重。給出了沙塵天氣對無線電測控設備性能的影響程度。

等效介電常數；沙塵粒子；沙塵衰減；G/T值

0 引言

考慮到設備的不同工作環(huán)境，電磁波傳輸難免會受到大氣、海面、地面、高大建筑物、山峰的折射和繞射等影響，導致電磁波信號衰落和失真，甚至中斷，其相關研究較多。對于布站在戈壁的無線電測控設備，春秋季沙塵天氣較多，沙塵粒子對無線電測控設備性能的具體影響還需要進一步分析。而且在未來通信和其他微波傳輸方面的應用中，若要實現全天候、各種氣象條件下的信號收發(fā)，沙塵衰減對微波傳輸的影響就必須考慮。

較早的沙塵暴對雷達信號的影響研究中，有學者通過理論計算估算了沙塵暴對電磁波傳播的影響程度，如Gary基于Rayleigh近似計算結果認為沙塵暴對微波通信信號的衰減可以忽略[1]。然而，隨著測量手段和技術的進步，也有許多學者發(fā)現沙塵暴對電磁波傳播的影響是不能忽視的。如Goldhirsh用1～10GHz頻率的雷達測量沙塵暴對入射電磁波的衰減影響。結果表明，在質量濃度約40～60mg/m3時，10km的路徑上衰減最大約44dB，按照這種衰減程度，晴天探測距離為400km的雷達在這種沙塵暴中傳播距離僅僅為210km[2]?？梢钥闯?，沙塵對微波的衰減還是相當可觀的。

從國內來說，周旺等人給出了微波傳輸中沙塵衰減的計算模型[3]，利用該模型分析了不同類型沙塵的衰減。其研究表明，在頻率不是太高時，自然風沙和車揚沙塵對微波傳輸的影響不大，而爆炸環(huán)境下的沙塵衰減必須要考慮[4]。董群鋒等人給出了對數分布模型下的帶電沙塵粒子引起微波的衰減計算模型，并進行了分析和仿真計算[5]。其研究表明，帶電沙粒比不帶電沙粒對微波信號衰減的影響明顯增大，帶電沙粒所帶表面電荷越集中，對微波的衰減影響越大，微波衰減隨能見度的增大而減小[6]。鄭曉靜、李興財等人研究了沙塵暴對電磁波的交叉去極化效應[7]。其研究表明，顆粒表面電荷顯著改變了顆粒內外電磁場的分布規(guī)律及其強度，從而影響粒子的電磁散射性質，在沙塵暴中的電磁波傳輸必須考慮到沙粒帶電對信號的去極化影響[8]。

本文根據系統G/T值測試中發(fā)現沙塵衰減對無線測控設備性能影響的現象，建立了沙塵粒子引起微波信號衰減的計算模型，分析了無線測控設備在晴朗天氣條件和不同能見度沙塵天氣條件下的系統G/T值測試數據，給出了沙塵天氣對無線電測控設備性能的影響程度。

1 沙塵特性分析

沙塵天氣是我國北方重要的災害性天氣現象之一，按強度和影響分為浮塵、揚沙和沙塵暴3種。隨著衛(wèi)星通信和地面微波系統的使用[9]，沙塵對微波信號的影響已引起人們的普遍關注[10]。

1.1 沙塵粒子尺度分布

沙塵粒子的形狀具有復雜的多樣性，取決于地區(qū)環(huán)境與沙塵的成因。實際測量結果表明：沙塵粒子的尺寸分布在幾十μm到幾百μm，粒徑分布接近于對數正態(tài)分布[3]。對數正態(tài)分布為：

式中，a為沙塵粒子的粒徑(粒徑尺度參數依據測量而定)；m和σ為lna的均值和標準差；p(a)為描述沙塵粒子的尺寸分布的密度函數。

則沙塵粒子尺寸分布密度N(a)為：

N(a) =N0p(a)。

式中，N0為沙塵粒子的體密度。

通常用光學能見度Vb來描述沙塵暴的數密度，Vb與介質的光學衰減系數α0成反比，

文獻[4]中給出了不同情況下，騰格里沙漠和黃河沙灘中沙塵樣品的體密度、均值和標準偏差，如表 1所示。

表1 沙粒粒徑分布的統計參數

1.2 沙塵粒子的介電常數

沙塵粒子是由沙和所含水分組成的復合介質，其復介電常數由沙和水的介電常數決定，且隨頻率變化。因此，沙塵粒子的介電常數是含水量和頻率的函數，可用Maxwell-Garnett公式來計算其等效介電常數。其等效介電常數為：

式中，ε為沙塵的復介電常數；εs和εw分別為干沙和水的復介電常數；p為水在沙塵中的體積百分數。

干沙的復介電常數的經驗公式為：

式中，εsj=78.54×[1-4.579×10-3(t-25)+1.19×10-5(t-25)2-2.8×10-8(t-25)3，是靜電場水的介電常數；ε=5.27137+0.021647t-0.00131198t2；λs=3.3836×10-6exp[2513.98/(t+273)]，為松弛波長；λ為工作波長；α=-16.8129/(t-273)+0.060926；σw=12.5664×108。該經驗公式適用于t在-20～50 ℃范圍內及λ的取值范圍為2 μm～500 m。

2 沙塵衰減的計算模型

沙塵粒子尺寸比較小，頻率不太高時，滿足ka≤1的條件(k為波數)，可采用Rayleigh近似計算，帶電沙粒的前向散射振幅為[5]：

引入散射介質的等效復折射指數ne為[7]：

式中，k0為自由空間傳播常數(m-1)。令k0ne=α+iβ，則散射介質的衰減α和相移率β為：

α=k0Re[ne]，β=k0Im[ne]。

故沙塵粒子散射產生的衰減率α(dB·km-1)和相移率β(()/km)可寫為：

考慮到沙塵粒子遠小于波長，前向散射幅度S(0) 可用瑞利近似公式表示，并將對數正態(tài)分布函數帶入上式，可得不含積分的沙塵衰減率α的表達式為：

可以看出，沙塵衰減率α與沙塵粒子的個數N0成正比，N0與光學能見度Vb成反比，即沙塵衰減率α也與光學能見度Vb成反比。

3 沙塵衰減的驗證與分析

為研究沙塵粒子對無線電測控設備性能的影響，利用無線電測控測控設備在沙塵天氣條件下開展系統G/T值測試，研究系統G/T值與沙塵天氣的關系。

3.1 系統G/T值的測試方法

常用的系統G/T值測量方法可以歸納為射電星法和信標塔間接測量法2種[8]。其中，射電星法是利用流量密度已知的射電星，測量出天線指向射電星與指向背景冷空時的Y因子，并考慮其有關參數的修正因子；信標塔間接測量法是通過分別測量出天線的增益與系統噪聲溫度計算G/T值的方法[11]。就測量精度來說，射電星法最為理想[12]。

射電星具有全天候、分布廣和星歷精確已知的特點[13]，適合無線電測控設備進行G/T值測試，但對設備的系統性能有較高的要求，如表 2所示。

表2 不同射電源對設備G/T的最低測量需求

依據S頻段無線電測控設備的系統G/T值要求，應采用月亮源法進行系統G/T值測試。根據實際測量經驗，在用月亮源法測量系統G/T值時，應注意以下幾點：

① 測量儀器參數應設置合理，以便提供較穩(wěn)定的測試讀值；

② 測量點盡量靠近LNA輸出口，減少系統測試誤差；

③ 天線仰角取值不宜過低和過高，一般為40°～70°為宜[14]；

④ 測量月亮噪聲溫度時，需保證天線對準月亮[15]。

3.2 系統G/T值的測試結果與分析

在晴朗天氣條件下，采用月亮源法對無線電測控設備的系統G/T值進行多次測試，測試結果為(30.26870.0998)dBK。隨后，在不同能見度沙塵天氣條件下也進行了多次該項測試，測試結果如表3所示。

表3 不同能見度沙塵天氣下的測試結果

為明確沙塵天氣對測量結果的影響，與晴朗夜空測試結果的平均值進行比對。晴朗天氣下，G/T值測試平均值為30.268 7dBK；沙塵天氣下，G/T值測試平均值為29.161 1dBK。結果表明：沙塵天氣比晴朗天氣時月亮源測G/T值均值降低1.107 6dBK，對設備G/T值測試結果有明顯影響。

現在，查干阿姆的居民是卡爾梅克巴嘎綽呼爾部族，據巴茲爾老師講，當年他們是阿玉奇汗的屬部。這就不難理解，阿玉奇汗的雕像為什么會立在與阿玉奇汗牙帳，極盛時期土爾扈特汗國政治中心馬奴托海相距百余里的查干阿姆。

圖1 能見度倒數與G/T值的關系

針對5組數據的不同，當能見度Vb較低時，衰減值較大，第1、2、3和5組數據數據擬合的關系式為：

式中有一個多余的疊加值0.980 1，這可能與能見度不足、沙塵粒子密度較大時，沙塵粒子間彼此相互作用，形成沙粒帶電，對電磁波的傳輸產生交叉去極化效應，加重了對電磁波傳輸的衰減所致。而當能見度一般時，沙塵粒子密度較小時，沙粒帶電不明顯，沙塵衰減率只與粒子密度有關，其對電磁波傳輸的衰減也就與能見度不足時的衰減相比要小一些。例如，若采用上式計算第4組數據時，G/T值為1.037 5dBK，明顯比實測值0.498 5dBK大。

3.3 沙塵衰減對設備影響

對于無線電測控設備來說，有

Lr=EIRP-Scr+Gr-LΣ-Sf。

式中，Lr為路徑損失(dB)；EIRP為彈上有效全向輻射功率(dBW)；Scr為接收靈敏度電平(dBW)；Gr為地面接收天線增益(dB)；LΣ為其他損失；Sf為安全余量，一般取3dB。

又有

Lr=20lg(4πR/λ)，

故無線電測控設備的作用距離R為：

對于其他損失來說，一般取2dB，若在沙塵條件下工作，則需額外增加。

以該無線電測控設備沙塵天氣比晴朗天氣時采用月亮源測系統G/T值的平均降低為1.107 6dBK為例，可知

無線電測控設備的作用距離減少為原來的88%。對于遠距離探測的無線電設備來說，作用距離減少更是嚴重。因此，在實際工作中要考慮沙塵天氣對電磁波傳輸的衰減，留下足夠的信道余量，確保信號的接收。

3.4 結論

結合無線電測控設備在不同天氣條件下的系統G/T值測試數據，對該設備系統G/T值測試結果受沙塵天氣影響的現象進行了分析，得到如下結論：

① 沙塵天氣比晴朗天氣時月亮源測G/T值均值降低約1.107 6dBK，對設備G/T值測試結果有明顯的影響；

② 能見度一般時，沙塵粒子密度較小，對電磁波傳輸的衰減要小得多；能見度不足，沙塵粒子密度較大時，沙塵粒子間彼此相互作用，形成沙粒帶電，對電磁波的傳輸產生交叉去極化效應，加重了對電磁波傳輸的衰減。

③ 對于遠距離探測的無線電設備來說，實際工作中要考慮沙塵天氣對電磁波傳輸的衰減，留下足夠的信道余量，確保信號的接收。

4 結束語

本文分析了無線電測控設備在晴朗天氣和不同能見度沙塵天氣條件下的多組系統G/T值測試數據，沙塵天氣對設備G/T值的測試結果有明顯的影響。當沙塵粒子密度越小，其引起的衰減越輕微；沙塵粒子密度越大，引起的衰減就越嚴重。

另外，在測試過程中，假設沙塵密度相同，電磁波穿透沙塵的距離也基本相同，這與實際情況有出入，但多次的測試結果均與表3中數據趨勢基本一致，故認為分析結論具有一定的可信性。

[1] GARY C.The Impact of Dust and Foliage on Signal Attenuation in Millimeter Wave Regime[J].Atmospheric Propagation and Remote Sensing Ⅱ，1968(9)：81-94.

[2] GOLDHIRSH J.A Parameter Review and Assessment of Attenuation and Backscatter Properties Associated with Dust Storms over Desert Regions in the Frequency Range of 1 to 10 GHz[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1982，AP-30(6):1 121-1 127.

[3] 周 旺，周東方，侯德亭,等.微波傳輸中沙塵衰減的計算與仿真[J].強激光與粒子束，2005,17(8):1 259-1 262.

[4] 周 旺，翁凌雯，周東方.沙塵衰減對微波通信的影響[J].微計算機信息，2005,21(8):68-69.

[5] 董群鋒，許家棟，李應樂,等.微波在帶電沙粒中的衰減效應[J].強激光與粒子束，2009,21(10): 1 517-1 520.

[6] 董群鋒，許家棟，李應樂,等.沙塵尺寸分布對微波傳輸特性的影響[J].裝備環(huán)境工,2010,7(5):1-3.

[7] 李興財.局部帶電球體沙粒電磁散射及其應用[D].蘭州:蘭州大學，2011.

[8] 李興財，王 虎.平面波入射下帶電橢球體的內外場強分布[J].寧夏大學學報(自然科學版)，2014,35(2): 126-129.

[9] 丁有生,徐 玲,吳春水.G/T值自動化測試[J].無線電通信技術，2008,34(4):36-38.

[10] 傅 才，天線增益及地球站 G/T值測試的比較法[J].無線電通信技術，2002,28(2):38-40.

[11] 習 強，鐘軍濤.太陽源法測量天線系統 G/T 值方法研究[J].無線電工程，2014,44(8):63-66.

[12] 劉嘉興.利用射電星噪聲的無塔校相方法[J].電訊技術,2010,50(6):1-4.

[13] 李 文,馬忠松.G/T值測試三原則及G/T值測量方法[J].國外電子測量技術,2011,3(6):33-36.

[14] 楊瑞科，鑒佃軍，姚榮輝.沙塵暴中毫米波傳播衰減及雙頻互相關函數研究[J].西安電子科技大學學報,2007(6)：953-957.

[15] 吳振森，由金光，楊瑞科.激光在沙塵暴中的衰減特性研究[J].中國激光.2004(9)：1 075-1 080.

葛鐵志 男，(1978—)，工程師。主要研究方向：航天測控總體。

鐘水和 男，(1985—)，碩士，工程師。主要研究方向：航天測量與控制。

Influence of Sand-dust Weather on Performance of Radio TT&C Equipment

GE Tie-zhi，ZHONG Shui-he,HUANG Long-cheng，MA He

(JiuquanSatelliteLaunchCenter，JiuquanGansu732750，China)

Considering the difference ofG/Tvalue test data of radio TT&C equipment in sunny weather and sand-dust weather，based on the characteristics of sand-dust particles and combing with the complex dielectric constant formula of dry sand and water，the equivalent dielectric constant model of sand particles is obtained，and the calculation model of microwave attenuation caused by sand and dust particles is established.The test results indicate that sand-dust weather has significant influence on the value of equipmentG/T.The sand-dust attenuation is more serious as the density of sand-dust particles increases，and vice versa.The impact of sand-dust weather on the performance of radio TT&C equipment is also provided.

complex dielectric constant；dust particles；sand-dust attenuation；G/Tvalue

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.12.16

葛鐵志,鐘水和,黃龍呈,等.沙塵天氣對無線電測控設備性能的影響研究[J].無線電工程,2016,46(12):63-67.

2016-08-25

TN925

A

1003-3106(2016)12-0063-05