环境因素对毫米波传播的影响

一、大气对毫米波传播的影响

地球大气中99%是氮和氧，它们都是没有固定偶极矩的双原子分子。由于氮和氧的吸收作用，在紫外线和可见光区出现吸收带，而且在毫米波波段内也出现相应的吸收高峰。二氧化碳对紫外线及红外线有强的吸收峰出现，但对毫米波影响不大。

大气中水汽的吸收范围也是十分广泛的。从可见光、红外线直至微波，到处可以发现水汽的吸收峰。大气中水的含量一般随时间、地点变化为0.1%～3%。

由于氮、氧和水对毫米波的吸收作用，使大气对毫米波有多个吸收峰。因此，只有某些波段穿透大气的能力较强，这些波段称为大气窗口。一般取四个毫米波大气窗口的中心频率及其带宽列入表6-2。图6-2给出了单程大气衰减和频率的关系。从图6-2中可知，大气吸收除与频率有关外，还与气压、湿度和温度有关。

在图6-2中，实线是在压强p＝101.325kPa，T＝20℃，水汽密度＝7.5g/m3的条件下作出的；虚线是在4 000m高空，T＝0℃，水汽密度＝1.0g/m3条件下作出的。

表6-2　毫米波大气窗口

在设计毫米波近感装置时，根据使用情况和所探测的目标选择合适的频段。一般来说，大气传播效应支配着许多有关应用的考虑。这点就是对于在大气层外的卫星通信也同样正确。

大气除对毫米波有吸收作用外，还存在散射和折射对毫米波传播的影响。大气中粒子的散射可分为瑞利散射（比波长小得多的粒子散射，散射强度与波长的四次方成反比）、米氏散射（大小与波长相近的粒子散射）和无选择性散射（尺寸比波长大得多的粒子散射）。在大气窗口内，电磁波的衰减主要是因为散射损失引起的。

二、某些物质对毫米波传播的影响

在平面波传播的路径上放一个介质小球，小球将使一部分电磁波入射能量散射及吸收。一般用具有面积量纲的截面积来表示这些效应。可以将散射、吸收和后向散射截面积定义为

图6-2　晴朗天气，在水平方向上每1 000m的单程衰减

如果已知微粒的尺寸，根据散射理论就可以确定它对毫米波的反射率和衰减率。当微粒的直径大于0.16个波长时，可应用米氏散射理论；而微粒直径小于0.16个波长时，可应用瑞利理论。各种大气状态下的微粒大小范围见表6-3。

表6-3　各种大气状态下的微粒尺寸

对于毫米波辐射，雾和雨都可以用米氏散射理论来计算；薄雾和云可应用瑞利散射理论来计算；而晴天时，一般应用瑞利散射理论来分析。

1.雨对毫米波的影响

雨对毫米波传播的影响是由于各个水滴对能量的吸收和散射所致。分析雨对毫米波的吸收和散射，可先测出各种降雨量时水滴颗粒直径的分布，再根据米氏散射或瑞利散射近似计算衰减系数和散射截面积。

图6-3给出了15.5GHz、35GHz、70GHz、94GHz衰减系数随降雨量关系的计算曲线。

图6-4给出了应用米氏散射理论和瑞利散射理论计算的15.5GHz、35GHz、7GHz、94GHz的后向散射截面积和雨量的关系曲线。图中实线是用米氏散射理论的计算结果，虚线是用瑞利散射理论的计算结果。(www.xing528.com)

图6-3　雨对毫米波传播的单程衰减

图6-4　温度0℃降雨量与单位体积内后向散射截面积的关系曲线

表6-4列出了几个频率的衰减及后向散射系数值。衰减使雷达及辐射计作用距离减小，而后向散射使回波噪声增大。

从表6-4可知，工作于70GHz和94GHz的雷达在大雨时的后向散射截面积比较接近，但它们均比35GHz的后向散射截面积小。在各种降雨量的情况下，94GHz总比70GHz的衰减大。

表6-4　频率的衰减及后向散射系数值

2.雾对毫米波传播的影响

毫米波在雾中传播的功率损失与悬浮粒子的液体水容量成比例，并且与温度有关。表6-5给出了液体水容量为0.1g.m3的雾的衰减系数。这样的液体水容量相应于辐射雾中光学能见度120m，平流雾中光学能见度300m。从表6-5可见，雾衰减随频率增高而增大。因此，为使在雾中传播性能足够好，应选取最低的频率。

表6-5　雾的衰减系数

毫米波频段雾的后向散射系数比雨的后向散射系数要小两个量级，因此，可以忽略它对雷达系统的影响。

3.云对毫米波传播的影响

云和雨对毫米波衰减效应的主要差别是由液体水容量和各自吸收元素所占区域造成的。它们的衰减率差不多，但是由于云所占的区域范围比雨小得多，所以云衰减的总量要小得多。最大的云衰减量来自载雨云或积雨云。大于1km的积雨云的典型均方根衰减值在35GHz为0.4dB，在94GHz为2.07dB。载雨云的液体水容量为7.5g.m3，而积雨云的液体水容量为15g.m3。这样，由于云层厚度一般约为几百米，所以云衰减造成的总的功率损失通常不大。

4.雪对毫米波传播的影响

有限的衰减计算表明，除毫米波范围内的很短波长外，干燥雪引起的衰减比含有等量水的雨衰减小得多。湿雪的衰减比较显著，特别在融化范围内，蒙有水的雪产生的后向散射比干雪大5～10dB。

5.地面覆盖物对毫米波的影响

除了吸收和后向散射可以使毫米波衰减外，某些类型的覆盖物（如树叶、雪）也使毫米波衰减，甚至这些覆盖物遮盖了目标。树叶和雪对毫米波的衰减见表6-6。从表中可见，在35GHz以上频段毫米波穿透树叶和雪的能力较差。

表6-6　树叶和雪对毫米波的衰减