大气波导中的抛物型方程法研究

摘要

对流层大气层结中经常出现的波导现象，对在其中传播的电磁波有重要影响。它一方面可以使电磁波在较小的衰减下沿波导传播得很远，一方面又会在近距离内形成传播盲区，从而严重影响合适的无线电系统。对于通信电路，它会使系统间的相互干扰问题复杂化；对于探测系统，它会产生雷达盲区、超视距探测等现象。在无线电技术广泛应用的今天，无论是在通信、探测或者军事领域的应用，对反常大气电磁环境下传播特性情况进行研究分析都具有重大意义。 我国在此方向上也开展了初步的探索，十分关注波导现象产生的预测预报技术和对流层空间中波场的分布问题研究。但在波场分布问题的研究上，我国由于基础薄弱，主要仍需借助国外的理论经验和系统，国内这方面研究不足。 针对以上两个热点方面，本文一是试图将MM5中尺度预报模式引入到波导预报理论中，并对结果做了分析。MM5原是针对天气预报而设计的大气环境预报系统，能够有效进行中尺度范围大气情况预测。但经过笔者计算统计，如果将MM5系统用之预报波导仍有不足，对波导的出现不够敏感。这说明MM5系统用于波导预测研究所需精度依然不够，这可能是该系统内部计算机制或者近似程度的问题。二是对计算空间中的场分布介绍了几种计算模型，重点对抛物型方程在大气折射指数分布不均匀条件下的计算方法做了详细推导，并在平地球系统中实现了理论建模。在理论建模过程中，详细讨论了吸收边界层和初始场的问题，明确显示了吸收边界层不同时对计算结果的影响。然后通过非平地球模型和平地球模型中真空条件下平面波的仿真验证了理论模型的有效性。建模之后，对对流层中波场分布进行了仿真，分析了辛克天线发射的电磁波在各种波导尤其是蒸发波导条件下的传输损耗。然后将四天的实测数据和抛物型方程模式计算结果相比较，得到的平均误差为5.93dB，误差最大有14.36dB。该结果说明抛物型方程模式在计算近海面电磁波传播损耗上有良好的适用性，体现了抛物型方程模式的实用价值。然后探讨了造成误差的各种可能原因以及进一步改进的方向，最后说明了该模式今后的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究水平和发展趋势

1.3研究内容和创新点

1.4本文结构

第2章对流层波导环境

2.1大气折射指数

2.1.1折射指数的理论计算

2.1.2修正折射指数

2.2对流层波导

2.2.1波导的分类和成因

2.2.2波导对电波传播的影响

2.3折射指数的测量和预报

2.3.1气象参数测量

2.3.2 MM5中尺度数值预报模式

2.4我国对流层波导环境分布情况

2.5本章小结

第3章抛物型方程基本理论

3.1理论基础

3.1.1二维坐标系方程

3.1.2标准抛物型方程

3.1.3真空中基本流程

3.2理论建模

3.2.1标准抛物型方程的分布模型

3.2.2分步傅立叶正弦变换

3.2.3波导情况的离散正弦变换求解

3.2.4.无限问题的离散化

3.2.5区域截断问题

3.3本章小结

第4章PE方法计算对流层波导传播

4.1球坐标波动方程

4.1.1基本理论模型

4.1.2边界条件

4.2平地球模型

4.3路径损耗

4.4传播损耗计算

4.4.1吸收层

4.4.2初始化场分布

4.4.3模型验证

4.4.4模型仿真计算

4.4.5实测分析

4.5本章小结

第5章结论和展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间的科研工作