毕业论文5mm波段大气传播特性研究37632.doc

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1、南 京 理 工 大 学毕业设计 (论文)作 者:王敏学 号：0704220243学院(系):电子科学与光电技术学院专 业:通信工程题 目:5mm波段大气传播特性研究王虹指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2011 年 5月中文摘要本论文着重研究了大气毫米波辐射特性及其应用，分析了氧气和水蒸气的Liebe吸收模式和大气毫米波传输模型(MPM)。 首先，论文论述了常用的三种大气吸收谱线形式，详细分析了氧气和水蒸气的Liebe吸收谱模式，该模式将吸收谱分为线状吸收和连续吸收，其中氧气的吸收谱由44条线状吸收和非谐振连续吸收组成，水蒸气的吸收谱由29条线状吸收

2、和远翼吸收组成。 其次，论文详细研究了大气毫米波传播模型(MPM)，即大气衰减的复折射率模型，推导出了不同天气条件下大气的衰减系数的MPM计算方法。在晴天，主要考虑氧气和水蒸气的线状谱、非谐振干燥空气谱和水蒸气的连续吸收谱;在云雾天，需要在晴天基础上加上悬浮水滴折射谱;而在雨天，需要在云雾天的基础上加上受雨强影响的雨滴的折射谱。计算出了不同天气条件下天空的5mm毫米波段衰减系数数据。关键词 ：大气，毫米波，MPM模型，衰减系数5 mm-band transmission characteristicsAbstractThis paper focuses on the atmospheric m

3、illimeter-wave radiation, and analyzed the absorption of oxygen and water vapor in the Liebe model and atmospheric millimeter-wave propagation model (MPM). First, the paper discusses three common forms of atmospheric absorption lines, a detailed analysis of oxygen and water vapor absorption spectrum

4、 Liebe mode, which will be divided into the linear absorption spectra of absorption and continuous absorption, in which the absorption spectra of oxygen from the 44 continuous linear absorption and non-resonant absorption of the composition of water vapor absorption spectra from the 29 linear absorp

5、tion and the far wing absorption of the composition. Secondly, the paper detailed study of the atmospheric millimeter wave propagation model (MPM), the complex refractive index of atmospheric attenuation model derived under different weather conditions, atmospheric attenuation coefficient MPM calcul

6、ation. In sunny days, the main consideration of the linear spectrum of oxygen and water vapor, dry air of non-resonant continuous spectrum and water vapor absorption spectra; days in the clouds, based on the need to add in the sunny reflection spectrum of suspended water droplets; and on rainy days,

7、 you need to fog on the basis of days with rainfall intensity by the reflection spectrum of raindrop impact. Calculated under different weather conditions the sky 5mm millimeter-wave attenuation coefficient data.Keyword ：Atmosphere, millimeter wave, MPM model, the attenuation coefficient目 录1 引言- 1 -

8、1.1 课题概述- 1 -1.1.1 国内外研究状况- 1 -1.2 课题研究意义- 3 -1.3 本文的主要工作- 4 -2 大气的辐射传播- 4 -2.1 辐射传输的基本概念- 4 -2.1.1 微波辐射传输概述- 4 -2.1.2 功率与温度的关系- 6 -2.1.3 三种温度的关系- 7 -2.1.3.1 亮度温度- 7 -2.1.3.2 视在温度- 7 -2.1.3.3 天线温度- 8 -2.1.4 微波鹰米波辐射计- 8 -2.2 大气的物理概况- 9 -3 大气毫米波吸收模式- 10 -3.1 大气水蒸气的吸收谱- 10 -3.2 大气氧气分子的吸收谱- 10 -4 大气毫米波传

9、播模型- 11 -4.1 MPM简介- 11 -4.1.1 复折射率模型- 15 -4.1.2 氧气水蒸气的线状谱- 15 -4.1.3 非谐振干燥空气谱- 20 -4.1.4 水蒸气的连续谱- 20 -4.1.5 悬浮水滴折射率模型- 21 -4.1.6 降雨的MPM近似模型- 22 -4.2 晴空的MPM模型修正模式- 23 -4.3 云雾天气下的MPM模型- 25 -5 5mm波段在不同天天气下的MPM仿真及分析- 28 -5.1 晴空模式- 28 -5.2 云雾天气模式- 29 -5.3 雨天模式- 33 -结束语- 37 -感谢- 38 -参 考 文 献- 39 -1 引言1.1 课

10、题概述微波遥感发展迅速，毫米波遥感技术得到了更多的关注和利用。这主要得益于毫米波段位于红外与普通微波之间的中间区域，除具有微波共性外，还有其他优于一般微波的性能1。与微波相比，毫米波的精度高，抗干扰能力强，低仰角，探测性能好，能穿透等离子体等特性。因此，毫米波遥感在微波遥感领域发挥着越来越重要的作用。物质对辐射具有吸收或反射作用。当物质与其所处的环境达到热力学平衡状态时，它的吸收和辐射的速率就会相等，达到了一种动态平衡。1901年，普朗克基于物质量子理论提出了普朗克辐射定律，这一定律可以用来描述黑体的辐射谱。 由于媒质内部和表面介电常数和几何形状及温度的空间分布决定了它的吸收、发射和散射谱及极

11、化和角度的变化。在毫米波遥感中，功率和温度可以看作线性关系，在实际应用中，为了方便，可以用热力学温度来代替功率。在大气层中，当大气受到外来电磁波照射时，会同时发生吸收、反射、散射、透射等现象，并且大气本身也辐射能量。大气毫米波辐射和散射特性随着目标内部原子、分子结构和物理特性的不同而变化。这种电磁波能量的辐射和散射特性就构成了大气的辐射特性，它随季节、天气、时间、地点等条件的变化而变化，研究其变化规律变得非常必要。1.1.1 国内外研究状况国外在大气毫米波段辐射特性的研究工作起步比较早，已发展的比较成熟。在理论研究方面，将被测目标看作多层媒质，按照各层媒质的物理温度分布、介电特性和几何特性计算

12、目标的发射率和反射率，再由辐射传递理论求得目标表面的视在温度，乘上发射率得到目标的亮度温度。这种方法很大程度上取决于目标复介电常数的研究。因为目标的介电常数一般只有经典公式，故亮度温度的理论模型只能算得上半经典公式。普朗克于1900年在量子化概念的的基础上首先引入了组成物质的微观粒子，得出了黑体辐射的普朗克定律，它给我们研究物体的电磁辐射特性提供了一个方便实用而又客观可靠的标准，为辐射理论和辐射特性的应用的研究作出了巨大的贡献。 影响大气亮温测量结果的主要是氧分子、水蒸气和液态水等。由于大气的亮度温度可以表示为大气的物理温度分布和衰减系数的积分，因此大气的吸收系数和散射系数的研究是很重要的。1

13、961年Meeks等人在VanVleck的理论分析的基础上，提出了氧气的5mm波吸收带2。1954年，Gunn和East提出了计算云的衰减系数的公式，1968年，Benoit也提出了类似的经验公式。1971年Crane提出了联系降雨速度和雨的消光系数之间的半经典公式3。1975年Rosenkranz提出了微波波段氧气的吸收系数。1976年，waters算出了微波波段水蒸气的吸收系数。1978年，CCIR(committee consultative International desRadio)提出了大气吸收的CCIR模型，1982年又提出修正模型。1985年，Liebe提出了大气吸收系数的L

14、iebe模型。1989年，Liebe提出了一种MPM(Millimeter Wave Propagation Model)修正模型，即毫米波传播复折射率模型4。MPM模型影响深远，该模型得到了世界各国研究人员的认可，并成为大气毫米波实际应用的参考模型之一。在毫米波辐射特性应用方面，美国ARL(Army Researeh Laboratory)的David Wikner在其研究报告中，研究了不同天气下94GHz辐射计系统的军事应用，即装甲目标探测、空地装甲目标识别等。1996年，瑞典发射的ODIN小卫星上装有亚毫米波辐射计，其中119GHz探测大气温度廓线，575GHz测量大气水汽。瑞士伯尔尼大

15、学应用物理研究所研制出了一种探测平流层和中间层水蒸气模型的新型地基辐射计，利用扫角定标技术，因而提高了仪器的灵敏度5。国内在毫米波辐射特性的研究方面，无论从理论水平，技术水平和应用水平和国外都会有一定的差距;但也应看到，我国已非常重视这方面的研究，无论从实际应用中的投入都比以前有较大提高，可以说正处在快速发展时期，应用前景广阔。理论方面，我国的微波遥感理论己得到了国家的高度重视，国家自然科学基金委的重大及重点课题都有对目标和背景的辐射和散射及微波成像理论等的研究。主要的研究单位有中科院紫金山天文台，中科院大气物理研究所，中国电波传播研究所，复旦大学，电子科技大学，南京理工大学以及西安电子科技大

16、学电波所等单位。 北京大学地球物理系胡成达教授研究了大气中3毫米波的辐射传输模式，得出利用3毫米波在地面遥感大气水，特别是晴空汽态水含量，灵敏度更高6。华中科技大学杜良启邮毫米波段晴空亮温理论模型，由地面气候状况得出天空亮温的工程计算方法7。中国电波传播研究所的林乐科利用8mm辐射计对8月份几种天气条件进行观测，观测结果认为多云和阴天对8mm辐射计的亮温影响很大8。中国科学院大气物理研究所的魏重，给出了用雨天大气辐射传输模式模拟得到的反演水汽总量Q和云液水总量L的方法，并认为在雨强小于20mm爪范围内，可以通过地基辐射计测值定量得到Q和L9。中国电波传播研究所青岛分所赵振维在基于Rayleig

17、h散射近似和水的双Debye复介电常数模型计算的云雾衰减系数，得到了一种新的估算云雾毫米波衰减系数的经验公式10。信息工程大学的毛天鹏给出了在降雨影响下微波在大气中传输衰减的最新计算模型，并对其进行了仿真11。在应用方面，中科院紫金山天文台研究员史生才带领毫米波实验室课题组，完成了“八五”重大项目:应用在紫金山天文台13.7米毫米波射电望远镜上的“90一115GHz超导SIS接收机”项目。射电天文望远镜系统灵敏度提高了近6倍，望远镜系统噪声温度(单边带)在110GHz约为200一300K，这与国际上射电望远镜同频段系统相当。1998年紫金山天文台研制出了97.5GHz的全自动辐射计系统，并测得

18、了多组数据12。对于w波段辐射计系统，中科院科学与应用研究中心、国家863计划微波技术遥感实验室、南京理工大学和华中科技大学等科研团队相继开展了理论和应用研究，取得了相关的研究成果。由此可见，国内外在研究毫米波辐射传输特性在理论、技术及应用方面己取得了很大进展，但也存在诸多问题，有待于进一步的研究应用，而在大气毫米波遥感理论和应用研究还不够深入，特别是在云、雨等天气条件下，缺乏理论研究和数据支持。1.2 课题研究意义毫米波在大气中传播时，在氧气和水蒸气的吸收作用下，会引起辐射能量的衰减，并且在不同的天气条件下，多云、雾天、降雨和降雪等的影响下，都会形成不同程度的吸收或散射，特别是降雨的影响更加

19、明显。而现有的氧气和水蒸气的吸收谱模式大都是近似公式或者是经验公式，与实际情况的拟合程度较差，故研究氧气和水蒸气的吸收特性变得非常重要。而且，由于天气条件复杂多变，并且没有统一的标准来界定大气的状况，因此，有必要研究不同天气条件下毫米波辐射的一般规律。由于大气毫米波辐射特性的测量实验成本高并且实现难度大，因此，关于大气的辐射特性的实验数据不足，特别是雨天的数据资料明显不足，难以给出系统的数据资料。故研究不同天气下特别是云雨等复杂条件下的辐射特性，进而给出理论模型和相应数据资料具有很强的现实意义。本课题深入分析5mm电波在大气中传播特性。在5mm波段由于氧气和水的吸收作用使得该频段大气衰减严重，

20、研究该频段大气传播特性对于利用和开发该频段有重要作用。以MATLAB为计算和仿真工具，以对比分析为基本的研究方法来系统的研究大气毫米波辐射特性。力求获得更能拟合实际的理论模型，为实时测量提供数据参考，为全天候毫米波辐射探测提供理论依据和数据支持，因而具有很大的理论和现实意义。1.3 本文的主要工作 深入了解电波在大气中传播特性。在5mm波段由于氧气和水的吸收作用使得该频段大气衰减严重，研究该频段大气传播特性对于利用和开发该频段有重要作用。5mm波段频谱较宽，衰减值存在一定差异，找到合适的算法或模型计算5mm波段在各种大气条件下的传播特性是本课题的研究目的。 理解和掌握毫米波非大气窗口传播特性，

21、利用合适的算法和模型计算得到5mm全频段大气衰减值。根据建模得到的5mm频段衰减值，仿真计算不同大气条件下的大气衰减。2 大气的辐射传播2.1 辐射传输的基本概念2.1.1 微波辐射传输概述 通常所说的微波波段是指波长在lm一1mm，对应频率范围在0.3一300GHz内的电磁波，即雷达波段中的U附、SHF和EHF，而毫米波段是波长在1cm一1mm之间的电磁波，对应频率范围为30一30OGHz。在军事应用和微波遥感领域的雷达波段内，还存在用英文代号表示的更窄的波段划分方案，毫米波遥感中常用的波段有K波段，W波段等。微波辐射测量学是关于微波波段内非相干辐射电磁能量测量的一门科学。微波辐射测量学的基

22、本研究方法是:在掌握不同物体的微波辐射特性的基础上根据实测的数据来分析被测物体的性质。因此，掌握不同物体的辐射特性，是一项十分重要的基础研究工作1。从本质来说，电磁辐射是由于电场或磁场的大小或方向随时间的变化而产生的。自然界的任何物体，只要处在绝对零度以上，均可在一定的条件下产生电磁辐射，并且这种辐射都是非相干的。这种非相干辐射频率可扩展到整个电磁波谱，具有“似噪”的特性，类似于接收机各部件产生的噪声功率。我们在描述自然界这种非相干的似噪热噪声信号时，若从微观上而言，研究各种物体发射的自然辐射机理是个非常复杂的过程;而利用宏观的热辐射理论，不用去表述其电磁场强度，而只需表述其辐射的平均功率(瓦

23、)、功率密度(瓦/米平方)、辐射强度(瓦/单位立体角)或亮度(瓦/单位立体角米平方)，这样更具有可行性，实际应用中一般都使用这种方法来进行分析和研究。黑体是一个理想的发射体，同时也是一个理想的吸收体;理想的光滑金属导体自身不发射也不吸收电磁能量，只存在着全部反射其它物体的电磁辐射。自然界大量的实际物体，又称灰体，因其介电常数、结构和温度的空间分布不同，因而其吸收、发射和散射的电磁波谱，极化情况及随观测角度的变化规律都不相同。由瑞利一金斯公式，黑体的光谱亮度凡为: （2-1）其中，耳表示黑体的光谱亮度()，k=1.38x(j/k)k是波尔兹曼常数，T表示热力学温度(K)，是波长。当黑体温度T=3

24、00K时，在整个微波波段，都很小。由于黑体的光谱亮度与T成正比，为了方便，通常用黑体的热力学温度T表征黑体辐射的强度，不再计算其光谱亮度，并把黑体的热力学温度作为为黑体的亮度温度。而灰体的亮度温度总是小于灰体本身的热力学温度，它表示与灰体具有相同辐射强度的黑体的热力学温度。2.1.2 功率与温度的关系若微波辐射计接收天线被面辐射源包围，接收天线接收的功率记为，有 （2-2）这表明，黑体的热力学温度与天线接收功率之间是线性关系。故既可用功率(瓦)去描述天线接收功率(热噪声功率)，也可以用热力学温度去描述。在微波辐射领域，绝对温度又称噪声温度，用噪声温度来衡量噪声功率的大小的方式得到了广泛应用。若

25、用军表示测量系统带宽，噪声功率可以用噪声温度乘以军表示。1928年，奈奎斯特对温度为T的电阻推算得出相似的式子，即电阻器输出的资用噪声功率: （2-3）由此可见，无耗天线的输出功率与电阻器输出的资用噪声功率的表达式完全相同。天线的输出功率与黑体的热力学温度是一一对应的线性关系，而电阻器的资用噪声功率与电阻本身的温度呈线性关系。如果两者输出功率相同的话，我们可以得到这样的等效:如图2.1所示，如果从接收机输入端向天线端观察，封闭在黑体中的无耗天线可以等效为一个电阻，这个电阻与接收机相匹配，并且此电阻的温度等于黑体的温度(K)。黑体表面到天线的距离可以看作是任意的，这是因为黑体没有反射能量，只吸收

26、外界辐射的全部能量。2.1.3 三种温度的关系2.1.3.1 亮度温度 在波长已知的条件下，黑体的亮度温度与热力学温度成线性关系。实际物体的亮温总比同样温度下的黑体的低，这种关系可用瑞利一金斯近似表示出来，即: （2-4） 其中，表示黑体的亮温，带宽很窄。记亮度为，它是方向的函数。由以上分析可知，可以用一个温度比实际物体温度低的黑体来代替实际物体热力学温度T，不妨设这个温度为，它即表示我们通常据说的亮度温度，简称亮温，即: （2-5）由此可见，亮温几只是一个等效黑体的热力学温度，而不是物体本身的热力学温度，它只是为了描述实际物体自身的辐射特性，根据亮度相等的原理等效出来的。2.1.3.2 视在

27、温度在大气毫米波遥感领域，辐射源有来自宇宙的辐射，大气的向下辐射，大气辐射被散射的部分等，这些辐射会形成一定的亮度分布，毫米波辐射计会接收不同辐射源的辐射功率。由于亮度与相对应的辐射温度是线性关系，因此我们可以用黑体的等效辐射温度来代替物体的亮度,即为通常所说的视在温度，可以表示为: (2-6) 亮度温度表示物体本身的热辐射能;视在温度则是物体本身的热辐射能经过衰减和散射，再加上外来的热辐射能之后到达天线后的热辐射能。2.1.3.3 天线温度在实际天气条件下在天线周围会形成亮度分布则有: （2-7）用上式代换得天线功率: (2-8)式(2-8)和电阻输出噪声功率的表达式相一致，由此我们可以得到

28、这一个等效，可以用一个温度为几的电阻的资用噪声功率来代替天线的输出功率，即为我们通常所说的天线辐射温度，简称天线温度。由此可见，天线温度和天线辐射方向图及视在温度都有关系，它并不是天线自身的绝对温度，只是天线输出功率的一种度量。2.1.4 微波鹰米波辐射计微波/毫米波辐射计是用来探测物体微波波段热辐射能量的一种仪器，它实际上是一种高灵敏度的被动接收机。自然界物体发射的微波热辐射信号是非相干信号，并且极其微弱，因此，它不可能像传统的信噪比大于1的接收机，其信号噪声功率比辐射计本身噪声功率小得多，这个特点决定了辐射计必须具有高灵敏度;微波辐射计本身无发射机，不发射信号，故它是无源的，它只需要接收物

29、体发射的微波波段的热电磁信号，因此辐射计具有很好的隐蔽性，又由于其低成本，低功耗，体积小，因而得到了广泛的应用，特别是在军事领域和大气遥感领域13。毫米波辐射计的一般组成有天线，噪声源，前端宽带混频，中频放大，检波，视频大，数据采集与处理电路等模块组成14。辐射计的重要技术指标有灵敏度和绝对精度。能够被检测出的最小的天线温度的变化量称为辐射计的灵敏度，它是毫米波辐射计的主技术指标。辐射计另一个重要概念定标。定标包括接收机定标和天线定标。接收定标是用来确定接收机输出电压，和辐射计输入噪声温度之间的近似的线性关;天线定标是天线主波束接收到的能量和天线接收到的总能量之间的关系。定标的方比较多，最基本

30、的是用于线性系统辐射计的两点定标法，还有定标精度高的扫角定标等。定标的准确与否决定了辐射计的绝对精度。2.2 大气的物理概况 在大气层中90km以内，除了水蒸气受天气条件和时间变化影响比较大之外，大气的基本组成是相对稳定的。根据现在的地理学理论，大气的主要成分是氮气()和氧气()，海平面上两者分别占大气总体积的20.94%和76.08%，标准大气(通常所说的空气)的分子量是29.9644，标准大气压强为1.01325KPa，干燥空气密度为。大气中还存在着氢()，二氧化碳()，氖()和氦等稀有气体元素。它们加一块所占大气体积的比例还不到1%。虽然它们所起的作用相对水和氧来说差不多，但由于其含量非

31、常小，故它们的影响可以忽略不计。因为地球对万物的引力作用，和气压(Pa)一样，大气密度随着高度变化近似呈现出指数变化规律。 大气压强p和大气密度都可看作随着高度的增大呈指数曲线变小。大气绝对温度随着高度的变化出现周期性的变化，根据这种变化规律，人们把水平分层的大气人为分成对流层、平流层、中间层和热电离层(高层大气)。 标准大气，是能够反映某地区(如中纬度)垂直方向上气温、气压、湿度等近似平均分布的一种模式大气。它能粗略地反映中纬度地区大气多年年平均状况，并得到一国或国际组织承认。现在国际上通用的大气模式是1976年美国标准大气。它能代表中等太阳活动期间，中纬度地区由地面到1000公里的理想静态

32、大气的平均结构l5。中国国家标准总局将1976年美国标准大气的30公里以下部分选作中国的国家标准(GB1920一80)，自1980年5月1日起实施。这样规定的标准大气压，与中国中纬度(北纬45)实际大气十分接近。 如果只考虑大气发射和吸收的要求，对于美国标准大气模型，由于在30km高处的大气密度大约是，为标准大气密度的l.5%，可忽略不计，因此，只需要研究30km以下部分的大气状况。根据标准大气模型和理想气体状态方程，可以得到温度、大气密度、水汽密度和气压分布。3 大气毫米波吸收模式3.1 大气水蒸气的吸收谱 水蒸气的吸收谱是由水蒸气分子转动能级跃迁产生的。在其谐振频率中，最低的是22.235

33、GHz，接着是183.31一448.00GHz，如表3.1所示，列出了水蒸气分子最低的10收线模式16。100GHz以内的水蒸气的吸收系数17：(3-1)3.2 大气氧气分子的吸收谱 大气中的氧气分子，由于其没有电偶极矩，因此不会产生电偶极跃迁。然而，它有两个不对称电子的自旋产生磁偶极矩，磁偶极的跃迁产生了微波吸收谱线。 氧的微波吸收谱由两部分组成:在50一7OGHz之间分布的相当多的谐振吸收线;118.75GHz吸收谱线。在低层大气气压比较高时，由于压力展宽的作用，使50一7OGHz之间的相当多的吸收线相互叠加，进而形成了连续的吸收带，通常称这个吸收带为60GHz吸收带18。1945年，va

34、n vleck一weisskopf利用各谱线的吸收系数之和计算出了氧气的吸收系数，它是求氧气吸收系数的一般方法。接下来又经过很多研究人员的理论研究和实验测量，确定了5mm波段氧气带内谐振吸收线中心频率及相关干扰参数19，如表3.2所示。不同天气条件下的大气辐射特性4 大气毫米波传播模型4.1 MPM简介MPM模型，即毫米波传播模型是用来预测100OGHz以内中性大气功率衰减系数和延迟效应的复数形式折射率的宽带模型。是由毫米波遥感领域的著名学者HansJ.Liebe于1985年提出的，几年后他又根据理论和实验研究对该模型进行修正和完善，主要用在干燥空气，水蒸气，悬浮液滴(霆，雾和云)和雨等天气条

35、件下4。由于该模型能够对不同天气条件进行更接近实际的计算和模拟，并且可行性强，因此多年来已被研究人员普遍接受，成为研究毫米波大气辐射特性的重要模型。电磁波的参数决定了它更适合在中性大气中传播。一般来说，这种影响是由于吸收、散射和折射作用引起的。复折射指数是一个电磁辐射和大气媒质的量度，表达式为。在频率为f的平面波传输距离为L时相位和辐度满足 ： （4-1） 其中是初始振辐，c是光在真空中的传播速度，折射指数n依赖于频率和大气条件而变化，它的实部比标准值稍大，这使其传播速度比光速c略小，然而与之联系的正的虚部(n0.001)使幅度减小。复折射率的定义公式如下: （4-2） MPM模型由44个氧气

36、分子和30个水分子的线谱(ITHz以下)、水蒸气远翼吸收谱、干燥空气的非谐振谱、悬浮液滴(霆，雾或者云的环境)及雨的折射谱组成20。MPM的输入变量如表4.1所示。 由表可知，变量组(P,T,U,W,R)的时间和空间分布决定了辐射传输特性。大气状况是用大气压强来衡量的，满足: kpa (4-3) 其中p和e分别是干燥空气和水蒸气的局部压强。 相对反向温度变量和温度的关系为: (4-4) 相对湿度 %RH （4-5） 饱和水蒸气压强,温度和水蒸气密度的关系为: (4-6) 设p=101kPa，T=22(=1.0164)时，海平面上典型的大气状况在时间和空间上变化很大，如表4.2所示。 水滴密度的

37、增大和减小是由相对湿度决定的(80一99.9%RH)，它满足: (4-7) 其中参数C由下表4.3给出。 在不同气象条件下的平均值大致在0.01到0.5mg一之间。悬浮水汽凝结体的现表明云雾达到了饱和100%RH，它是用悬浮水滴密度砰来度量的，W值可通过水滴尺寸或可见光(0.55)的能见度VS(km)来估计4,水滴密度和能见度由下表给出表4.4水滴密度和能见度参数 雨具有悬浮于饱和空气中对流云的统计特性，它的垂直分布被等温线分成两部分，而随着季节和纬度的变化该等温线会在地平面到6km的高度变化。等温线下部分由水滴组成，上部区域是由冰粒组成。降雨的特性和降雨率R密切相，而降雨率R和以下因素有关:

38、时间百分比，即一年内降雨相对时间的平均值;有效雨点面积;瞬时悬浮液滴密度。根据这些参数的取值，把中纬度降雨类型作如下分类(水平距离L=10km)，如下表所示。表4.5 因子的变化表明降雨率R和液滴尺寸分布的相互关系。现实中比较常见的是中雨(直径1mm)，大雨(直径5mm)一般不很常见。 总之，MPM模型主要应用在1GHz到1THz的遥感、射电天文学、电信和雷达等领域。它描述了六个气象输入参数的特性，这些参数和指定模型的物理变量有关。MPM模型由六大模块组成，分别对应不同的天气条件，它们能控制超过500个参数。现在的MPM模型是修正后的版本，该模型无论从可靠性还是可行性而言都是一种有效分析大气毫

39、米波辐射特性的重要参考模型。4.1.1 复折射率模型 大气的折射特性由已知的大气参数来估计，利用这一系列参数计算散射复折射率: ppm (4-8)其是正的实部，是频率的函数。由虚部能得出功率衰减系数: (4-9) 其中实部: (4.1.2.3) 上述公式涉及到的大气参数如下: 对干燥空气: （4-10） 对水蒸气: （4-11） 对悬浮水滴： (4-12) 对降雨: (4-13) 在和的情况下，散射复折射率的定义可以由五个变量来表示 (4-14) 其中表示潮湿空气的谐振作用(44条氧气吸收线和30条水蒸气吸收线)的情况，表示干燥空气非谐振谱，表示水蒸气的连续谱，表示悬浮液滴折射率，表示雨的近似

40、折射率。4.1.2 氧气水蒸气的线状谱 大气中两个主要的吸收成分是氧气和水蒸气，其谐振线状吸收谱由下式给出: （4-15） 其中表示第i条谱线的强度(kHz)，是一个复数形式的谱型函数，单位为，根据压力展宽的影响，Rosenkranz对van Vleck一weisskopf谱型函数进行了修正。和分别为: （4-16） (4-17)其中： （4-18） 表示中心频率，氧气和水蒸气分子的线强和参数和的表达式由下表4.6给出。表4.6修正的氧气的44条吸收线的中心频率及对应的谱线计算系数表4.7修正的水蒸气的30条吸收线的中心频率及对应的谱线计算系数表4.8 表4.7和表4.8中和分别表示氧气和水蒸

41、气的谱线计算系数。其对应中心频率的取值如表4.7和4.8所示。当时，氧气和水的线强截止参数分别为和。 当海拔在35km以上时，必须考虑氧气的塞曼分裂效应的影响21。通过函数(4-17)中宽度用，代替可以对氧气在中间层的吸收谱线作粗略的估计，其中: （4-19） 其中是地磁场强度，受地理位置和海拔的影响，范围为(25一65)特斯拉，100km以上氧气的谱线就消失了。 海拔在60km以上的高空必须考虑多谱勒谱线增宽效应。从压力增宽到多谱勒谱线增宽的转变可由一个voigt模型函数来恰当的模拟。对MPM模型来说，中间层水的微弱的吸收线(海拔20一70km内复合比在3.5到5ppmv之间) 可以由函数(

42、4-17)来近似，其中宽度用来代替，即: (4-20)其中，是多谱勒宽度的平方。 衰减系数的峰值在最强MPM吸收线处()达;当频率超过ITHz时，水的吸收线超过了。在且时，主要存在线状谱，函数适用;但当时只能预测出有限的非零值22。在中心谱线附近超过范围吸收强度的预测线形还没有确定。4.1.3 非谐振干燥空气谱在地面大气压下，干燥空气的非谐振折射对衰减有一定影响23，用函数表示如下: (4-21) (4-22)其中德拜谱线强度和宽度分别是: （4-23） （4-24）其中： （4-25）4.1.4 水蒸气的连续谱 所谓的水蒸气的连续谱从满足以下公式: （4-26） （4-27） 上式作为水蒸气线状谱的补充。水蒸气的吸收谱对潮湿空气的衰减系数所起的作用比水的基态谱线更大。 绝对衰减系数是在频率内在以下条件下对纯水和潮湿空气的测量值:总压强 ；温度T=843 ;