毫米波大氣衰減與天空噪聲溫度的計(jì)算與分析

1、毫米波大氣衰減和天空噪聲溫度毫米波大氣衰減和天空噪聲溫度的計(jì)算與分析的計(jì)算與分析秦順友秦順友20152015年年1010月月1引 言2大氣衰減計(jì)算模型3標(biāo)準(zhǔn)大氣衰減計(jì)算與分析4大氣參數(shù)對大氣衰減的影響6結(jié) 束 語內(nèi)內(nèi) 容容 5天空噪聲溫度的計(jì)算與分析1引 言射頻信號射頻信號射頻信號通過大氣傳射頻信號通過大氣傳播，大氣引起射頻信播，大氣引起射頻信號衰減，毫米波尤為號衰減，毫米波尤為嚴(yán)重；同時(shí)大氣衰減嚴(yán)重；同時(shí)大氣衰減引起衰減噪聲。引起衰減噪聲。大氣衰減與頻率、天頂角和大氣大氣衰減與頻率、天頂角和大氣層函數(shù)有關(guān)。在衛(wèi)星通信鏈路計(jì)層函數(shù)有關(guān)。在衛(wèi)星通信鏈路計(jì)算、射電天文觀測、深空鏈路分算、射電天文觀

2、測、深空鏈路分析和天線參數(shù)計(jì)算與測量等領(lǐng)域，析和天線參數(shù)計(jì)算與測量等領(lǐng)域，均需要考慮大氣衰減或天空噪聲均需要考慮大氣衰減或天空噪聲溫度的影響。溫度的影響。衛(wèi)星通信應(yīng)用系統(tǒng)衛(wèi)星通信應(yīng)用系統(tǒng)深空探測應(yīng)用系統(tǒng)深空探測應(yīng)用系統(tǒng)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSSTDRSS）應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)TfeedTgroundT天線噪聲溫度大氣衰減噪聲大氣衰減噪聲地面站天線地面站天線射電源射電源天線參數(shù)射電天文測量212KKASkTas大氣衰減因子大氣衰減因子因此可見：研究微波毫米波大因此可見：研究微波毫米波大氣衰減和天空噪聲溫度，不僅氣衰減和天空噪聲溫度，不僅具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具具有重

3、要的學(xué)術(shù)價(jià)值，而且具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。2大氣衰減計(jì)算模型大氣衰減是頻率、天線仰角和大氣層的函數(shù)。大氣衰減是頻率、天線仰角和大氣層的函數(shù)。它隨頻率的增加而增加，隨大氣路徑仰角的增它隨頻率的增加而增加，隨大氣路徑仰角的增大而減小。假定測量條件為晴朗天空，并且大大而減小。假定測量條件為晴朗天空，并且大氣層被模型化為標(biāo)準(zhǔn)大氣層，當(dāng)仰角在氣層被模型化為標(biāo)準(zhǔn)大氣層，當(dāng)仰角在5 59090時(shí)，用分貝表示的大氣衰減時(shí)，用分貝表示的大氣衰減Latm為：為：ELhhLwwatmsin00式中：式中：EL大氣路徑的仰角大氣路徑的仰角()；0干燥空氣與頻率相關(guān)的衰減因子干燥空氣與頻率相關(guān)的衰

4、減因子(dB/km)；h0干燥空氣的有效大氣路徑干燥空氣的有效大氣路徑(km)；w水蒸氣與頻率相關(guān)的衰減因子水蒸氣與頻率相關(guān)的衰減因子(dB/km)；hw水蒸氣的有效大氣路徑水蒸氣的有效大氣路徑(km) 干燥空氣和水蒸氣的衰減系數(shù)與水蒸氣密度、大氣壓干燥空氣和水蒸氣的衰減系數(shù)與水蒸氣密度、大氣壓力和傳輸頻率有直接關(guān)系，而空氣和水蒸氣在大氣層力和傳輸頻率有直接關(guān)系，而空氣和水蒸氣在大氣層的等效高度與壓力和頻率有關(guān)。因此，精確計(jì)算干燥的等效高度與壓力和頻率有關(guān)。因此，精確計(jì)算干燥空氣的大氣衰減因子空氣的大氣衰減因子0、干燥空氣的有效路徑、干燥空氣的有效路徑h0、水、水蒸氣的衰減因子蒸氣的衰減因子w

5、和有效大氣路徑是非常復(fù)雜的。和有效大氣路徑是非常復(fù)雜的。Rec. ITU-R P.676-7建議利用曲線擬合方法，給出了頻率在建議利用曲線擬合方法，給出了頻率在1-350GHz范圍內(nèi)，各種干燥空氣和水蒸氣衰減因子和范圍內(nèi)，各種干燥空氣和水蒸氣衰減因子和有效路徑的近似計(jì)算公式，由此可計(jì)算大氣衰減的大有效路徑的近似計(jì)算公式，由此可計(jì)算大氣衰減的大小，其計(jì)算精確約為小，其計(jì)算精確約為10%。3 標(biāo)準(zhǔn)大氣衰減計(jì)算與分析標(biāo)準(zhǔn)大氣條件：標(biāo)準(zhǔn)大氣天頂角方向的大氣衰減標(biāo)準(zhǔn)大氣天頂角方向的大氣衰減頻率頻率/GHz大大氣氣衰衰減減/dB/dB1101000.010.1110100 計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)毫米波在大氣中傳

6、播時(shí)，由計(jì)算結(jié)果表明：當(dāng)毫米波在大氣中傳播時(shí)，由于水蒸氣和氧分子的吸收作用，在不同頻率點(diǎn)于水蒸氣和氧分子的吸收作用，在不同頻率點(diǎn)衰減各不相同，其中在衰減各不相同，其中在29.6GHz、84.2GHz、131.1GHz和和213.9GHz附近衰減較小，稱為大附近衰減較小，稱為大氣窗口。此外在氣窗口。此外在22.4GHz、59.8GHz、118.8GHz和和183.3GHz附近出現(xiàn)極大值，稱為附近出現(xiàn)極大值，稱為衰減峰。例如：當(dāng)頻率為衰減峰。例如：當(dāng)頻率為60GHz時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)大氣時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)大氣天頂角方向的大氣衰減為天頂角方向的大氣衰減為160.8dB。毫米波通信頻段正是依據(jù)大氣衰減的毫米波通信頻段正是

7、依據(jù)大氣衰減的傳播規(guī)律進(jìn)行選擇的，例如傳播規(guī)律進(jìn)行選擇的，例如Ka波段衛(wèi)波段衛(wèi)星通信（上行頻段星通信（上行頻段27.5-31GHz，下行，下行頻段頻段17.7-21.2GHz)，星際鏈路采用，星際鏈路采用60GHz頻段。頻段。1101000.010.11101001000 頻率頻率/GHz大氣衰減大氣衰減/dBEL=90EL=30EL=10不同仰角的標(biāo)準(zhǔn)大氣衰減曲線不同仰角的標(biāo)準(zhǔn)大氣衰減曲線計(jì)算結(jié)果表明：隨著大氣傳播路徑仰角的增加，大氣計(jì)算結(jié)果表明：隨著大氣傳播路徑仰角的增加，大氣衰減減??；隨著仰角的降低，大氣傳播衰減增加，當(dāng)衰減減?。浑S著仰角的降低，大氣傳播衰減增加，當(dāng)仰角很低時(shí)，大氣衰減急

8、劇增加。在仰角很低時(shí)，大氣衰減急劇增加。在Ka波段和波段和EHF頻頻段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了克服降雨和大氣衰減段的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，為了克服降雨和大氣衰減的影的影響，地球站天線工作仰角應(yīng)選擇高一些。另外，在實(shí)響，地球站天線工作仰角應(yīng)選擇高一些。另外，在實(shí)際工程應(yīng)用中，只要知道天頂方向的大氣衰減，就可際工程應(yīng)用中，只要知道天頂方向的大氣衰減，就可以計(jì)算任意仰角的大氣衰減。以計(jì)算任意仰角的大氣衰減。4 大氣參數(shù)對大氣衰減的影響下圖給出了地面不同溫度天頂方向的大氣下圖給出了地面不同溫度天頂方向的大氣衰減曲線。大氣壓力為衰減曲線。大氣壓力為1013hPa，水蒸氣，水蒸氣密度密度7.5g/m3，地球表面溫

9、度分別，地球表面溫度分別-30C 、0C 和和30C。計(jì)算結(jié)果表明：在大氣壓。計(jì)算結(jié)果表明：在大氣壓力和水蒸氣密度不變的情況下，隨著地面力和水蒸氣密度不變的情況下，隨著地面溫度的降低，大氣衰減增大。溫度的降低，大氣衰減增大。1101000.010.1110100 頻率頻率/GHz大大氣氣衰衰減減/dBt =-30Ct =0Ct =30C下圖給出了不同大氣壓力天頂方向的下圖給出了不同大氣壓力天頂方向的大氣衰減曲線。水蒸氣密度大氣衰減曲線。水蒸氣密度7.5g/m3，地球表面溫度地球表面溫度15C，分別計(jì)算半個(gè)，分別計(jì)算半個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和1.5個(gè)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果

10、表明：在水蒸氣密度不標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果表明：在水蒸氣密度不變和地面溫度不變的情況下，隨著大變和地面溫度不變的情況下，隨著大氣壓力的降低，大氣衰減減小。氣壓力的降低，大氣衰減減小。1101001E-30.010.1110100 頻率頻率/GHz大大氣氣衰衰減減/dBp=506.5hPap=1013hPap=1519.5hPa下圖給出了不同水蒸氣密度天頂方向的大氣衰下圖給出了不同水蒸氣密度天頂方向的大氣衰減曲線。大氣壓力減曲線。大氣壓力1013hPa，地球表面溫度，地球表面溫度15C，分別給出了水蒸氣密度為，分別給出了水蒸氣密度為2.5g/m3、7.5g/m3和和15g/m3計(jì)算結(jié)果表明：在大氣壓力和計(jì)

11、算結(jié)果表明：在大氣壓力和地面溫度不變的情況下，當(dāng)頻率小于地面溫度不變的情況下，當(dāng)頻率小于6GHz時(shí)，時(shí)，水蒸氣密度對大氣衰減影響不大，隨著頻率的水蒸氣密度對大氣衰減影響不大，隨著頻率的升高，水蒸氣密度越小，大氣衰減越小。升高，水蒸氣密度越小，大氣衰減越小。頻率頻率/GHz大大氣氣衰衰減減/dB1101000.010.1110100 =15g/m3 7.5g/m3 2.5g/m3A：=7.5g/m3B：=0g/m3青海德令哈毫米波望遠(yuǎn)鏡（口徑為青海德令哈毫米波望遠(yuǎn)鏡（口徑為13.713.7米，海拔高度米，海拔高度32003200米，工作頻率米，工作頻率85-115GHz85-115GHz）5 天

12、空噪聲溫度計(jì)算與分析計(jì)算出大氣衰減計(jì)算出大氣衰減Latm后，則天空噪聲溫度為：后，則天空噪聲溫度為：atmatmatmcmbskyTLLTT115027312.10tTatm式中：式中： Tsky天空噪聲溫度（天空噪聲溫度（K）；）； Tcmb微波背景噪聲溫度（微波背景噪聲溫度（K）；）； Tatm大氣噪聲溫度（大氣噪聲溫度（K）。）。 11010010100 頻率頻率/GHz天空天空噪聲噪聲溫度溫度/KEL=90EL=30EL=10不同仰角標(biāo)準(zhǔn)大氣天空噪聲溫度不同仰角標(biāo)準(zhǔn)大氣天空噪聲溫度計(jì)算結(jié)果表明：天空噪聲溫度與大氣衰計(jì)算結(jié)果表明：天空噪聲溫度與大氣衰減成正比的，大氣衰減越大，天空噪聲減成

13、正比的，大氣衰減越大，天空噪聲溫度越大。當(dāng)大氣衰減很大時(shí)，天空噪溫度越大。當(dāng)大氣衰減很大時(shí)，天空噪聲溫度趨于常數(shù)；在相同頻率條件下，聲溫度趨于常數(shù)；在相同頻率條件下，仰角越低，天空噪聲溫度越大，仰角越仰角越低，天空噪聲溫度越大，仰角越高，天空噪聲溫度越小。高，天空噪聲溫度越小。6 結(jié)束語微波毫米波信號通過大氣傳播過程中，受到大氣衰減的影響。微波毫米波信號通過大氣傳播過程中，受到大氣衰減的影響。在毫米波頻段，大氣衰減更為嚴(yán)重，且大氣衰減引起系統(tǒng)噪聲在毫米波頻段，大氣衰減更為嚴(yán)重，且大氣衰減引起系統(tǒng)噪聲溫度的增加。本文國際電信聯(lián)盟溫度的增加。本文國際電信聯(lián)盟Rec. ITU-R P.676-7的建議，給的建議，給出了出了1-35