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1、东南大学 硕士学位论文 基于抛物线方程的电波传播模型研究 姓名：蔡佳林 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：崔铁军 20100122 中文文摘 基于抛物线方程的电波传播模型研究 研究生：蔡佳林 指导老师：崔铁军教授 学校：东南大学 摘要 在现代社会中，不管是军用还是民用，电波传播都显现其重要的作用。目前，许多 电波传播特性预测模型都是基于射线追踪方法，因此不能同时处理不规则地形和复杂大 气结构对电波传播的影响，进而无法准确预测复杂环境下的电波传播特性。本文中所使 用的从波动方程推导出的抛物线方程( P E ) 模型则没有这个缺点，是目前预测对流层电波 传播最准确的模型。 本文
2、基于P E 方法，深入研究了预测对流层电波传播特性的二维抛物线方程( 2 D P E ) 。 从麦克斯韦方程出发，严格推导出宽角抛物线方程( W A P E ) 。通过对现有多个P E 模型的比 较，最后确定了分步傅立叶变换( S S F T ) 算法求解的W A P E 。本文使用二维无界空间格林函 数方法来求解W A P E 初始场，该方法具有很好的精度和通用性。本文还深入研究了阻抗边 界条件下的S S F T 算法一离散混合傅立叶变换( D M F T ) 。阐述了对流层大气结构对电波传 播的影响，深入研究了W A P E 模型处理复杂大气结构的方法和步骤本文对多个不规则地 形模型进行比
3、较，确定了最为精确的地形模型，并在此地形模型下，使用W A P E 模型预测 不规则地形上的电波传播特性。 关键字：电波传播，抛物线方程，分步傅立叶变换，模型，离散混合傅立叶变换 英文文摘 S T U D YO FR A D I oP R o P A G A T I o NM o D E LB A S E D O NP A R A B O L I CE Q U A T I O N M S C a n d i d a t e ：C A IJ i a 1 i n A d v i s o r s ：P r o f C U IT i e - j u n S o u t h e a s tU n i v
4、 e r s i t y A b s t r a c t R a d i ow a v ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nm o d e m s o c i e t y R a d i ow a v e p r o p a g a t i o nh a sr e v e a l e di t si m p o r t a n tr o l en o to n l yi nm i l i t a r yb u ta l s o i
5、 nc i v i l i a n M a n yw a v e p r o p a g a t i o np r e d i c t i o nm o d e l sa r eb a s e do nt h er a y - t r a c i n gm e t h o d ，w h i c hc a n td e a lw i t hi r r e g u l a rt e r r a i n a n dc o m p l e xa t m o s p h e r i cs t r u c n l r eo ft h er a d i ow a v ep r o p a g a t i o
6、 ns i m u l t a n e o u s l y H e n c et h em o d e l sc a n t b eu s e dt op r e d i c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr a d i ow a v ep r o p a g a t i o ni nc o m p l e xe n v i r o n m e n ta c c u r a t e l y T h e p a r a b o l i ce q u a t i o n ( P E ) d e r i v e df r o mt h ew a v ee
7、 q u a t i o nu s e di nt h i sp a p e rd on o th a v es u c had e f e c t I ti s t h em o s ta c c u r a t em o d e lf o rf o r e c a s t i n gr a d i ow a v ep r o p a g a t i o ni nt r o p o s p h e r e T h ed e t a i l e da n a l y s i so ft h et w o d i m e n s i o n a lp a r a b o l i ce q u a
8、 t i o n ( 2 D P E ) i ss h o w ni nt h i sp a p e r , i n w h i c ht h ew i d e a n g l ep a r a b o l i ce q u a t i o n ( W A P E ) i sd e r i v e df o r mt h eM a x w e l l Se q u a t i o n s B yc o m p a r i n g t h ed i f f e r e n te x i s t i n gP Em o d e l s ，t h es p l i t - s t e pF o u
9、r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h mW a sd e t e r m i n e df o rs o l v i n g W A P E T h et w o d i m e n s i o n a lu n b o u n d e ds p a c eG r e e n 。Sf u n c t i o nm e t h o di su s e dt og e tt h ei n i t i a lf i e l do f W A P E ，w h i c hh a sh i g h e ra c c u r a c ya n db e t t e
10、 rv e r s a t i l i t y A n o t h e rm e t h o dc a l l e da sd i s c r e t em i x e dF o u r i e r t r a n s f o r mi sa l s ou s e dt od e a lw i t ht h eS S F Ta l g o r i t h mi nt h ei m p e d a n c eb o u n d a r yc o n d i t i o n s T h e i n f l u e n c eo ft h et r o p o s p h e r es t m c
11、t u r ef o rw a v ep r o p a g a t i o nw i l lb ed e s c r i b e d a n dt h ew a ya n dp r o c e d u r e t od e a lw i t ht h ec o m p l e xt r o p o s p h e r es 劬c n I r ea r ea l s os h o w ni n t h i sp a p e r D i f f e r e n ti r r e g u l a rt e r r a i n m o d e l sa r ec o m p a r e dt od
12、e t e r m i n et h em o s ta c c u r a t em o d e l ，a n dt h eW A P Em o d e li su s e dt op r e d i c tt h e r a d i ow a v ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si nt h i st e r r a i nm o d e l K e yW o r d s ：W a v ep r o p a g a t i o n ，p a r a b o l i ce q u a t i o n ，s p l i ts
13、 t e pF o u r i e rt r a n s f o r m ，m o d e l ，d i s c r e t em i x e d F o u r i e rt r a n s f o r m I I 第一章绪言 第一章绪言 随着军事变革的深入发展，电子战和信息战成为了现在高科技战争的主导因素之 一。在复杂地形的战争环境下构建雷达预警系统、指挥自动化系统和电子战系统时，环 境电磁特性数据是不可缺少的组成部分。而在民用通信方面，随着无线通信事业的飞速 发展，为了优化无线通信系统，需要特定地点的电波传播信息。目前阶段，无线电波的传 播模型已经有数十种，移动通信是当今世界发展最快的一
14、门信息通信技术，从第一代模 拟移动通信系统到第二代数字移动通信系统，无论在系统设计阶段还是在网络规划，优 化阶段，人们发现都离不开电波传播的知识。 1 1 课题背景与意义 1 1 1 军事方面 自从二战中发明雷达以来，雷达在军事和人们生活中扮演至关重要的角色。雷达是 根据目标对雷达电磁波的能量来判断目标的存在并确定目标的位置，用来定量地描述雷 达的特征参量是目标对入射电磁波所呈现的有效散射截面积，即雷达散射截面( R a d a r C r o s sS e c t i o n ，缩写为R C S ) ，是表征雷达目标对于照射电磁波评估的重要技术指标。 一些发达国家投入大量人力、物力和财力进行
15、各种形式的电磁特性测量和隐身技术的研 究。 雷达系统是在一个特定的环境中工作的，而电波环境是雷达工作环境的重要组成部 分。电波环境对雷达系统性能既有抑制作用，又有相辅作用雷达系统的设计、研制、生 产、试验和作战应用都要了解电波环境数据和状态。对电波环境状态和数据的深入研究 和掌握，将可能减小电波环境对雷达系统的抑制作用，甚至于还会使电波环境成为雷达 系统性能的倍增器；同时对电波环境精细结构的深入研究和掌握，是使雷达系统处于领 先地位的重要条件之一。为了充分提高武器装备的作战能力或进行有效的通信系统设 计，更准确的分析雷达的作用距离等性能以及准确预测通信业务的场强分布和衰落特征 己越来越重要。对
16、流层大气和地球表面的地形地物是雷达和通信系统发挥作用的一个重 要环节，特别是对各种地，海基或机载雷达以及地面或地一空短波，微波和毫米波通信， 传播效应的影响，如对流层折射、大气吸收、随机不均匀介质的体散射、随即粗糙面的 东南大学硕士学位论文 反射、散射和绕射等必须全面考虑。 1 1 2 通信方面 随着无线通信的发展，电磁辐射问题也日益受到人们的关注。到现在为止，国内外 对移动通信中的复杂环境问题研究比较多。传统上，对移动通信，无论是郊区还是城市 环境都有许多经验模式，这些经验模式根据统计意义上的环境数据，并假设天线处在小 区中较高的地方，而接收机则被相对大量的障碍物( 如建筑物、小山等) 所遮挡，就可 以给出令人满意的预测结果。可是随着日益见长的话务要求，开始出现微蜂窝或微微蜂 窝移动通信系统，发射天线处在较低位置，这时用统计方式得到的经验模式就不再适用。 在这种情况下，移动规划所需要的传播参量只能通过现场测试或通过几何和物理模型的 确定性算法来得到。如果基于确定性模式的计算机预测工具效率高和可靠性强的话，
