沙尘颗粒对不同波段电磁波衰减的实验研究

摘要

随着信息技术在各个领域的快速推广，人们对信息传输速率的要求越来越高，传统的频谱资源早已不能满足当前需求，科学家们一边利用新科技提高当前频谱资源的使用效率，同时也在不断向更高频率波段探索，以寻求更多的可用频谱资源。针对从微波到太赫兹波直到光波频段的信息通讯技术，人们都进行了大量的探索和研究。当电磁波在大气介质中传播时，电磁波频率越高受大气中颗粒介质对其的影响越大；不同波段的电磁波在不同大气介质中传播时受到颗粒的影响程度不同且是一系列非常复杂的问题。其中，在沙尘暴多发的干旱和半干旱地区，沙尘悬浮颗粒物对电磁波的散射作用和吸收作用是影响电磁波传输的一个重要因素。悬浮在大气中的沙尘颗粒介质对不同波段的电磁波通讯技术的应用有着不同程度的阻碍和干扰。因此，本文围绕沙尘颗粒系统对不同频段的电磁波的衰减展开研究。本论文主要内容和结果如下： 首先，本论文设计了一种实验方案，同步地测量了垂直极化的电磁波穿过沙尘颗粒后的共极化功率和交叉极化功率，并同步记录了空气相对湿度、温度等多个参数，得到了S和C波段电磁波穿过沙尘颗粒时的衰减率、交叉极化鉴别率及其改变量。研究了沙尘颗粒介质对S和C波段电磁波的衰减和退偏振的规律。结果发现电磁波的退偏振程度与沙尘颗粒的粒径大小、相对湿度、电磁波波长以及主极化的衰减紧密相关。电磁波波长越高交叉极化鉴别率越小；交叉极化鉴别率随衰减量的增大而减小；当相对湿度较低时（10%-30%），相对湿度的变化对交叉极化鉴别率的影响不明显。 其次，自行研制了颗粒系统对激光信号影响的多功能测量装置，开展了悬浮沙尘颗粒对可见光波段2个波长（波长405nm和532nm）和近红外光波段3个波长（波长850nm、1064nm和1550nm）的激光波束衰减的实验研究。系统地测量了不同能见度的沙尘天气下衰减系数随能见度和颗粒等效粒径的变化规律，并基于实验数据对现有的激光衰减理论模型（Kruse模型）进行了改进，提出了可见光和近红外光波长范围内适用于强沙尘天气下的激光波束衰减率的经验模型；与现有模型相比，该模型能反映衰减系数与激光波束波长和颗粒粒径分布的依赖关系。 另外，本论文研究了近红外和可见光穿过悬浮沙尘颗粒介质时的透射率随时间的变化规律，并结合沙尘颗粒在自重和空气阻力的作用下沉降时间与沉降粒径间的关系，利用Beer-lambert定律导出了单颗悬浮沙尘颗粒的消光截面，并与仅考虑单次散射效应的Mie散射理论计算结果和考虑多次散射效应的Monte Carlo模拟结果进行了比较。结果发现实验测量结果与Mie散射理论计算结果相差约10倍，而与Monte Carlo模拟结果相差约0.15~3倍。

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