一种预测55 GHz以内微波雨衰的实用方法

李　鹏,沈月伟,范国政,刘　民,刘姜玲,唐晓斌

(1.中国电子科学研究院，北京　100041；2.中国软件与技术服务股份有限公司，北京　102200)



工程与应用

一种预测55 GHz以内微波雨衰的实用方法

李鹏1,沈月伟1,范国政2,刘民1,刘姜玲1,唐晓斌1

(1.中国电子科学研究院，北京100041；2.中国软件与技术服务股份有限公司，北京102200)

从四份ITU-R P.系列建议书中归纳出一种预测55 GHz以内微波雨衰的实用方法。简化了雨衰A0.01的计算步骤；计算了10 GHz以内的关于极化的系数；给出了部分重点地区的降雨率和0 ℃等温线高度的典型值。依据雨衰A0.01，发生频率可外推至99.999%～95%，微波频率可外推至55 GHz。计算逻辑清晰完整，易于实用化编程。

雨衰预测；发生频率外推；微波频率外推

TN927.23

A

1673-5692(2016)02-173-05

0　引　言

随着数字卫星通信[1]和星载雷达[2,3]的广泛应用，电磁波工作频率普遍升高，波长随之减小。当波长和雨滴线度接近时，雨滴会产生吸收和散射，雨衰效应凸显。雨滴半径与波长的比值对雨衰有着密切的关系，而雨滴的半径则与降雨率有关。吸收衰减是雨衰产生的主要影响，大部分表现为热损耗[4]。

全球范围和国内各地的雨滴模型差异很大，故雨衰的预测是一项十分复杂的工作。目前，几种计算方法[5]，如Lin、SAM、Crane、Bothias等，存在中间参量指代不明确和更新不及时等问题，急需一种简便、明确且符合实际应用需求的雨衰预测方法。

2013年9月颁布的ITU-R P.618建议书[6]给出了55 GHz以内微波雨衰的预测方法，但其中某些重要参数的计算方法和实测数据分散在其它三份建议书中，具体包括：ITU-R P.837建议书[7]的降雨率R0.01的全球实测数据；ITU-R P.838建议书[8]有关极化的系数k和α的计算方法和典型值；ITU-R P.839建议书[9]的降雨高度的计算方法以及该建议书附件给出的0 ℃等温线高度的全球实测数据 (经、纬度每1.5°间隔)，该参数直接决定了降雨高度的计算。因此，欲得到最终的雨衰预测结果，必须整合这四份建议书的相关内容。本文归纳相关计算逻辑，简化计算步骤，整理或计算重要参数的典型值，形成一种逻辑清晰完整的雨衰预测实用方法，最终编程实现预测功能。

1　雨衰预测计算方法

1.1倾斜路径雨衰

倾斜路径雨衰如图1所示。

图1　倾斜路径雨衰的示意图[6]

各参数如下：

hR为年平均降雨高度 (km)；hs为台站海拔高度 (km)；Ls为斜路径长度 (km)；θ为发射仰角。

定义“平均每年0.01%的时间超出的雨衰年度值A0.01(dB)”：平均每年99.99%的时间，雨衰≤A0.01。

(1)

其中，降雨特定衰减率γR(dB/km) 由式(2)决定：

(2)

根据ITU-R P.838建议书[8]，与极化相关的系数：

τ为相对水平位置的极化斜角(对于圆极化，τ=45°)。

1 G～10 GHz的kH、αH、kV和αH典型值如表1。

表1　kH、αH、kV和αH的典型值(1 G～10 GHz)

定义“平均每年0.01%的时间超出的降雨率年度值R0.01(mm/h)”：平均每年99.99%的时间，降雨率≤R0.01。

根据ITU-R P.837建议书[7]，全球R0.01分布如图2所示，部分地区的R0.01典型值如表2。

表2　部分地区的R0.01(mm/h)典型值

根据ITU-R P.839建议书[9]，全球年平均降雨高度hR(km) 由式(3)决定：

(3)

其中，h0为年平均0 ℃等温线高度(km)。根据ITU-R P.839建议书附件，全球h0分布如图3所示，部分地区的h0典型值可参考表3。

图3　全球h0分布[9]

海域陆地东海及台湾岛4.8东南沿海5南海及海南岛5华中4.7黄海4.7东北3.2中南半岛以西5西藏地区6波斯湾出海口3.8新疆地区4.5阿拉伯海4.8帕米尔以西5渤海3.5华北3.7

当hR>hs时，斜路径长度Ls(km)：

(4)

其中，Re为地球有效半径 (km)，其典型值可参考Re=8500 km。

对于微波频率为f(GHz)的LR：

(5)

其中，

(6)

垂直调节因子v0.01：

(7)

其中，χ由台站的地理纬度φ°决定 ，北纬φ°为正，南纬φ°为负：

(8)

1.2发生频率外推：A0.001～A5

平均年份的A0.001～A5可由A0.01外推：(即平均每年99.999% ～ 95%的时间的雨衰上限)

(9)

其中，

(10)

1.3微波频率外推：7G～55 GHz雨衰

若已得到微波频率f1(GHz)的长期测量统计雨衰A|f1，则相同路径上微波频率f2(GHz)的雨衰A|f2可按式(11)外推得到：

图4　雨衰预测逻辑图

(11)

其中，

(12)

2　编程逻辑

上述预测方法采用全解析计算，逻辑清晰完整，便于编程实现。其逻辑流程如图4所示。

雨衰预测的程序实现如图5～图8。设定台站辐射功率80 dBm，微波频率2 GHz。

图5　选定附加雨衰预测功能

图6　降雨率分布参考

图7　雨衰预测

3　结　语

综合四份ITU-R P. 系列建议书归纳出的雨衰预测方法逻辑清晰完整，中间参量指代明确，易于编程实现，是一种实用化的有效预测方法。

[1]John D. Kraus and Ronald J. Marhefka, Antennas: For All Applications, ThirdEdition, [M]. The McGraw-Hill Companies, Inc. , 2002.

[2]Merrill I. Skolnik, Radar Handbook, Third Edition, [M]. The McGraw-Hill Companies, Inc. , 2008.

[3]John C. Curlander and Robert N. Mcdonough, Synthetic Aperture Radar: Systems and Signal Processing, [M]. John Wiley & Sons, Inc., 1991.

[4](前苏联) 阿尔别尔特Ял著. 袁翊译. 无线电波传播和电离层(第二卷). [M]. 人民邮电出版社. 1981.

[5]G.Brussaard etc. Atmospheric Modelling &Millimeter Wave Propagation. [R]. Eindhoven University of Technology, Netherlands, 1991.

[6]Radiocommunication Sector of ITU, Recommendation ITU-R P.618-11: Propagation Data and Prediction Methods Required for the Design of Earth-Space Telecommunication Systems. [Electronic Publication]. Geneva, 2013, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en

[7]国际电联无线电通信部门, ITU-R P.837-6建议书: 传播建模的降水特性. [电子出版]. 日内瓦, 2013, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en

[8]国际电联无线电通信部门, ITU-R P.838-3建议书:预测方法中使用的雨天衰减的具体模型. [电子出版]. 日内瓦, 2005, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en[9]国际电联无线电通信部门, ITU-R P.839-4建议书：预测方法使用的降雨高度模型. [电子出版]. 日内瓦, 2014, http://www.itu.int/ITU-R/go/patents/en

李鹏(1981—)，男，北京市人，工程师，主要研究方向为电磁兼容；

E-mail: zimao_lp@163.com

沈月伟(1983—)，男，山东省人，工程师，主要研究方向为电磁场展示技术；

范国政(1986—)，男，山东省人，工程师，主要研究方向为软件设计；

刘民(1972—)，男，黑龙江省人，高级工程师，主要研究方向为环境电磁效应；

刘姜玲(1977—)，女，江西省人，高级工程师，主要研究方向为天线理论与设计；

唐晓斌(1961—)，女，重庆市人，研究员，主要研究方向为电磁场与微波技术。

An Applied Method of Predicting Rain Attenuation of Microwave up to 55 GHz

LI Peng1, SHEN Yue-wei1, FAN Guo-zheng2, LIU Min1, LIU Jiang-ling1, TANG Xiao-bin3

(1. China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China;2. China National Software & Service Co. Ltd., Beijing 102200, China)

An applied method of predicting rain attenuation of microwave up to 55GHz is extracted from four ITU-R P. Series Recommendations. Calculating steps for rain attenuationA0.01are simplified; coefficients depending on polarization are computed, up to 10GHz; typical values of rainfall rate and 0℃ isotherm height in some significant regions are shown. Derived fromA0.01, extrapolation of occurrence frequency between 99.999%～95% could be available, as well as microwave frequency up to 55GHz. Logic of calculation must be clear, complete, and easy for applied program.

Predicting Rain Attenuation; Extrapolation of Occurrence Frequency; Extrapolation of Microwave Frequency

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.02.010

2016-01-09

2016-03-01

装备预研基金项目支持：基于××采样的复杂电磁环境态势综合展示技术研究(9140A04010115DZ×××××)