（固体力学专业论文）沙尘暴的沙粒带电对电磁波传播的影响研究.pdf

兰州大学博士学位论文 摘要 沙尘暴对电磁波传播的影响，以及在激光测量与主动遥感和被动遥感应用中，沙尘 命质对电磁波影响的理论研究扣实际应用日益成为人们关注的课题。尽管从1 9 世纪4 0 年代以来，就已发现沙尘暴中风沙带电现象，但是综观现有的各种研究，均未将沙粒带 电因素在沙尘暴对电磁波传播的影响研究中加以考虑。因而迄今为止，对电磁波衰减的 理论预测值远低于实际测量值的这一现象一直未能给出合理的解释，亦即目前基于随机 介质中的散射理论计算得到的电磁波在沙尘暴中传播的散射衰减的理论结果要低于实 验测量值将近一个量级。针对沙尘暴中沙粒表面带电或表面激发电流的卖际情况，本论 文提出了能准确模拟实验测量值的理论模型，建立了带电沙粒对电磁波传播影响的理 论，并将该理论应用于目前广泛用于两相流测量的激光多普勒仪的测量中，对测量结果 误差进行了分析，同时对沙尘暴的主动和被动遥感结果也重新进行了讨论，给出了一些 有意义的结果。 本文首先给出了当球形沙粒粒径远小于入射电磁渡波长时，单颗球形带电沙粒对电 磁波散射的r a y l e i 曲近似解，通过在边界条件中引入面电荷密度及电荷分布函数将沙粒 表面带电的情况在沙粒对电磁波散射问题的求解中加以了考虑，然后利用沙粒浓度与光 学可见度的关系，进一步讨论了给定沙尘暴能见度或沙粒浓度时，舍有带电沙尘的沙尘 暴对电磁波的衰减影响。对于任何粒径范围的球形沙粒，则是通过在边界条件中引入面 电导率这一参量将沙粒表面带电的情况引入散射问题的求解中，然后根据m i e 理论得出 沙粒带电时的散射场的精确解。随后又在给定沙粒表面带电的边界条件下，通过求解椭 球坐标系下的m a x w e l l 方程给出了带电椭珠粒子对电磁波衰减的影响结暴。周本文建立 的带电球形沙粒对电磁波的散射理论，我们对激光多普勒仪的测量原理及结果进行了分 析，并给出了沙粒不同的带电情形，不同的被测沙粒粒径、不同的照射频率和观测角度 对测量结果带来的不同的影响及误差程度。同时我们还给出了由于沙粒带电对沙尘暴的 主动遥感和被动遥感结果造成的影响，重新建立了主动遥感测量量一一单位体积的后向 散射截面与沙尘暴中粒径和能见度之间的定量关系，在被动遥感中重新建立了遥感测量 量一一辐射亮度温度与沙尘暴厚度、沙粒粒径范围及面电导率的定量关系。最后我们通 过讨论沙粒极化电场与外部电场的关系，尝试通过测量风沙电场推测沙尘寨浓度的可 能，以及通过测量面电荷密度，推测外部电场，进而推测沙尘暴浓度的可能。 关键词：p , a y l e i g h 近似：m i e 理论；带电球形粒子；带电椭球粒子；荷值比；面电荷密 度；面电导率；沙尘暴；散射；袁减；激光多普勒仪；主动遥感；被动遥感；单位体积 后向散射截面；辐射亮度温度；能见度；极化 兰州大学博士学位论文 a b s t r a c t t h ee f f e c t so fs a n d d u s ts t o r mo nt h ep r o p a g a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cw a v ea n d t h ei n f l u e n c eo f s a n d p a r t i c l e so nt h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e si nt h ea p p l i c a t i o no f l a s e r m e a s u r e m e n t sa n da c t i v ea n dp a s s i v er e m o t es e n s i n gh a v eb e c o m eo n eo ft h em o s t i n t e r e s t i n gt o p i c sb o t hi nt h e o r ya n di na p p i i c a t i o n s i th a sb e e nf o u n dt h a tt h e r ei s a l m o s tn o u n d e r s t a n d i n go ft h e e f f e c to fs a n d d u s ts t o r mo nt h e p r o p a g a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cw a v ei n c o r p o r a t i n gc h a r g e ds a n dp a r t i c l e s ，a l t h o u g ht h ep h e n o m e n a r e l e v a n tt os a n dc h a r g e si nas a n d d u s ts t o r mh a sb e e no b s e r v e ds i n c e1 9 4 0 s ，w h i c h r e s u l ti ns o m eu n r e a s o n a b l ee x p l a n a t i o ni nt h e o r yt ot h ee x p e r i m e n t s ，i e ，t h ep r e s e n t p r e d i c t i o n s o fs c a t t e r i n ga t t e n u a t i o nt ot h ep r o p a g a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s t h r o u g hf l s a n d d u s ts t o r mo nt h eb a s i so fs c a r e r i n gt h e o r yi ns t o c h a s t i cm e d i u ma r e a l m o s tl o w e rt h a nt h e i r e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n ta b o u to n eo r d er u n d e r c o n s i d e r a t i o no ft h ee f f e c to fs a n dc h a r g e so ri n d u c e de l e c t r i cc u r r e n t si n o np a r t i c l e s ： t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sat h e o r e t i ci n v e s t i g a t i o nt ot h er e l e v a n ts u b j e c ts u c ht h a tt h e e x i s t i n ge x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t c a nb ep r e d i c t e di nt h e o r y a f t e rt h a t ，t h er e l e v a n t a r e a so f a p p l i c a t i o n s ，e g t h em e a s u r e m e n t s k v i t hl a s e r d o p p l e r a n e m o m e t e ra n dt h e r e s u l t so fa c t i v ea n d p a s s i v er e m o t es e n s i n g ，a r ed i s c u s s e db y t h i si n v e s t i g a t i o nb a s e d o nt h e c h a r g e ds a n d m e d i u m ， f i r s t l y , t h e r a y l e i 出a p p r o x i m a t i o nr e s u l t so f t h es c a t t e r i n go fe l e c t r o m a g n e t i c w a v eb yas i n g l ec h a r g e ds p h e r i c a ls a n dp a r t i c l ea r eg i v e nw h i l et h er a d i u so fs a n d p a r t i c l ei sf a rl e s st h a nt h ew a v e l e n g t h o ft h ei n c i d e n tw a v e w i t ht h es u r f a c ec h a r g e d e n s i t ya n dt h ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o no f e l e c t r i cc h a r g e si n t r o d u c e di n t ot h eb o u n d a r y c o n d i t i o n s ，i ti sc o n s i d e r e dt h a te l e c t r o m a g n e t i cw a v ei s s c a t t e r e db ys a n dl j a r t i c l e w i 如e l e c t r i cc h a r g e sd i s t r i b u t e do ni t ss u r f a c e 。a n dt h e nt h ee f f e c t so f t h ea t t e n u a t i o n o fe l e c t r o m a g n e t i cw a v eb y s a n d d u s ts t o r m si n c o r p o r a t i n gc h a r g e ds p h e r i c a ls a n d p a r t i c l e sa r ep r e s e n t e dw i t ht h er e l 撕o no ft h ev i s i b i l i t y a n dt h ec o n c e n t r a t i o no f s a n d d u s ts t o r m f o ra n ys p h e r i c a ls a n dp a r t i c l ew i t ha n yr a d i u s ，t h ep r e c i s i o nr e s u l t s o fs c a t t e r i n gf i e l da r e g o t t e nb y m i et h e o r yw i t hs u r f a c ee l e c t r i c c o n d u c t i v i t y i n t r o d u c e di n t o 也e b o u n d a r y c o n d i t i o n s t h ee f f e c t so ft h ea t t e n u a t i o no f e l e c t r o m a g n e t i cw a v eb y t h ec h a r g e ds p h e r o i ds a n d p a r t i c l ea r ea l s og i v e nb ys o l v i n g t h em a x w e l le q u a t i o n si nt h ec o o r d i n a t eo fs p h e r o i dw i t ht h e g i v e nb o u n d a r y c o n d i t i o n sc o n s i d e r i n ge l e c t r i cc h a r g e so nt h es u r f a c eo fs a n dp a r t i c l e w i t ht h et h e o r y o ft h es c a t t e r i n go fe l e c t r o m a g n e t i cw a v ei n c o r p o r a t i n gc h a r g e ds a n dp a r t i c l e s ，t h e 兰州大学博士学位论文 p r i n c i p l ea n dr e s u k so fl a s e rd o p p l e r a n e m o m e t e ra r ea n a l y z e d ，a n dt h ee f f e c t so f t h ed i f f e r e n ts u r f a c ec h a r g e sc o n d u c t i v i t i e s ，t h er a d i io fs a n dp a r t i c l e s ，t h ei n c i d e m f r e q u e n c i e sa n dt h es c a t t e r i n ga n g l e so nt h em e a s u r e m e n tr e s u r sa n dt h ee r r o r sa r e p r e s e n t e d t h ei n f l u e n c e so f t h ec h a r g e ds a n dp a r t i c l e so nt h ea c t i v ea n dp a s s i v e r e m o t es e n s i n ga r ed i s c u s s e dt o o ，a n dt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n so ft h eb a c k s c a t t e r i n g s e c t i o np e ru n i tv o l u m ea n dt h er a d i ia n dv i s i b i l i t yi nt h ea c t i v er e m o t es e n s i n ga n d t h er e l a t i o n so ft h eb r i g h t n e s st e m p e r a t u r ea n dt h et h i c k n e s so fs a n d d u s ts t o r m ，t h e r a n g eo fr a d i ia n dt h es u r f a c ec h a r g ec o n d u c t i v ! t y i np a s s i v er e m o t es e n s i n ga r e r e b u i l t f i n a l l y , w ep r e s e n tap o s s i b l ew a y t oe v a l u a t et h ed e n s i t yo fs a n d d u s ts t o r m b yt h em e a s u r e m e n to ft h ee l e c t r i cf i e l da n db yt h ed e d u c e de l e c t r i c f i e l dw i t ht h e m e a s u r e m e n to f t h es u r f a c ec h a r g ed e n s i t y k e y w o r d s ：r a y l e i g ha p p r o x i m a t i o n ；m i et h e o r y ；s p h e r i e f lc h a r g e ds a n dp a r t i c l e ； s p h e r o i dc h a r g e d s a n d p a r t i c l e ；c h a r g et om a s sr a t i o ；s u r f a c ec h a r g ed e n s i t y ；s a n d d u s t s t o r m ；s c a r e n n g ；a t t e n u a t i o n ；l a s e rd o p p l e ra n e m o m e t e r ；a c t i v er e m o t es e n s i n g ； p a s s i v e r e m o t e s e n s i n g ；b a c k s c a t t e r i n g s e c t i o n p e r u n i t v o l u m e ；b r i g h t n e s s t e m p e r a t u r e ；v i s i b i l i t y ；p o l a r i z a t i o n - 1 1 1 原创性声明 奉人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导f 独立 进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明 引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。所呈交的本学位论文所涉及的数据均为本论文研究_ 上 作得到的原始数据，不存在任何形式的修改和伪造。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：耻日 期：丝堕边 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学，即：本学位论文的研究成果发表均须经本人和导师的一 致同意，并仅以兰州大学作为署名完成单位( 如果有与其它单位的合 作部分将由合作双方协商确定，具体由导f 市确认) 。本人完全了辫兰 州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或向国家有关 部门或机构送交论文的纸质版和电予版，允许论文被查阅和借阅；本 人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离 校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：姬5 4 i k 导师签名 期：坦亟立 f 兰州大学f 芎量学位论x 致谢 本博士论文是在导师周又和教授的悉m 指导下完成的。从论文的选题、整体 框架的安排、直至论文的措辞袁进，无不凝聚着导师的_ 血。导师渊博的学识、 敏锐的洞察力、勇于创新的精神以及饱满的工作热情部给我留下了深剖的印象。 不仅如此，导师诚挚正直的人品、积极进取的人生态度，使我深爱感染，并将影 响我的一生。同时，还要特别地感谢邦晓静教授，在对我平时工作曲指导中他 那活跃的学术思想、对于问题的独到见解和准确把握，使我受益匪浅，在帮我整 理文章的过程中对作意义的提炼，对细节的严谨无不令我景仰而感动，借此机 会要再次对两位导师表示感谢。 不知不觉已经在电磁固体力学与智能结构这个优秀的i 、组里度过了六年，这 六年里迎来送去了很多的同学，感谢电磁固体力学与智能结构研究小组众住成员 与本文作者进行的有益探讨与帮助，感谢和我一同在学术上、生活上互相帮助、 鼓励、共同进步成长的众位同学。 感谢我的父母对我多年的养育之恩以及对我学业的支持。 本博士论文的研究受到9 7 3 项目( n o 6 20 0 0 0 4 8 70 2 ) 、国家自然科学基金、 杰出青年科学基金与海外青年学者合作基金和科技邯重点基础研究前期预研项 目等基金的资助，在此一并给予致谢： 何琴淑 2 0 0 5 年4 月 兰州大学博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 沙尘暴是一种危害极大的灾害性风沙现象，它能加剧土地沙漠化，对大气环境造成 严重污染，对生态环境造成巨大破坏，对交通和供电线路产生重要影响，给人民生命财 产造成严重损失。由于近几年强沙尘暴发生频数有逐步增加的趋势，沙尘暴对人类的危 害也将随之增大。伴随着对沙尘暴的观测发现沙尘暴中的沙粒带电并形成风沙电场。同 时由于电磁波在沙尘颗粒介质中的传播越来越广泛的应用，如遥感监测沙尘暴，以及通 过电磁波测量沙粒尺寸大小等实验手段，沙粒带电对电磁波传播的影响因此成为一个重 要的和迫切需要解决的研究课题。 1 1 研究背景 近些年来，频繁发生的沙尘暴，尤其是能见度几乎为零的强沙尘暴，对我国北方乃 至更大范围地区的工、农业与人民生活造成了很大影响。与此相随，日益严重的土地沙 漠化趋势所导致的草场和耕地沙化，村镇被流沙掩埋等，对我国可持续发展构成了严重 威胁。风沙运动造成的危害不仅引起了我国政府的重视，也吸引了许多科研工作者对其 展开深入研究，以期通过不断了解并揭示风沙运动基本规律和机理，来达到对沙尘暴开 展有效预报和对沙漠化进行合理防治的目的。 在早期，人们就发现沙尘暴对电磁信号有很强的衰减作用( r y d e ，1 9 4 1 ) 。近2 0 年 来随着电子信息技术的迅速发展，包括各种电磁产品、无线电通讯和卫星遥感技术的广 泛应用，以及沙尘暴发生频率的增高，迫切要求在更深入的层次上，对沙尘暴中的电磁 信息进行定量的研究。随着对沙尘暴本身认识不断加深，也要求我们对沙尘暴进行更细 致深入的研究，其中沙尘暴和电磁波之间相互影响的效果是该类研究的主题之一。比如 随机沙尘介质中电磁波的传播，同时通过电磁波参量的测得反演随机沙尘介质中的一些 性质参数等。 沙尘暴是大气流动与地面沙床相互作用而形成的强烈风沙运动的突发事件。有关沙 尘暴的启动机制、输运过程和沙尘暴的内部结构的认识与了解，目前无论在实验测量方 面还是理论分析方面已经有大量的研究工作但仍然处于十分有限的认识阶段( b a g n 0 1 d ， 1 9 3 8 ；o w e n ，1 9 6 4 ；g r e e l e y ，1 9 7 9 ；g r e e l e y 髓dl e a c h ，1 9 7 8 ；a n d e r s o n a n dh a f t ， 1 9 8 8 ：a n d e r s o n e t a l ，1 9 9 1 ；w e m e t a n d h a l l e t ，1 9 9 3 ；s h a o ，2 0 0 0 ；z h o ue t a l ， 2 0 0 2 ) ，缺乏对其较为完整的把握，进而影响到对沙尘暴的发生源头及其途经地区的灾 害进行有效的监测和预报。专家指出，中国沙尘天气潜在源地分布跨度大，自然条件恶 兰卅f 火学博士学位沦文第一章绪论 劣，地面监测站稀少，目前非常缺少对沙尘天气发生、发展、传输及其强度变化等特征 的观测数据。因此，无论从时间尺度还是空问尺度的监测来看，卫星遥感都是一种极重 要的手段。在2 0 0 1 2 0 0 2 年的监测中，识别沙尘天气的准确率达8 8 ，识别沙尘暴的准 确率达9 5 以上”。 沙尘暴的监测方法中，传统的地面监测方= 玄受到许多因素的制约，不能很好地刻画 沙尘暴过程。利用遥感技术从空间对沙尘暴进行监测是目前最为有效的手段，随着遥感 技术的不断发展，它在沙尘暴研究中发挥着越来越重要的作用，利用多种遥感数据监测 沙尘暴、提取沙尘暴信息以及定量分析沙尘暴的有关参数已成为沙尘暴研究的热点课 题，是今后沙尘暴研究的主要方向。当前已经针对不同平台的卫星数据发展出来了许多 沙尘暴监测方法，对这些方法的优化和完善是今后一段时间沙尘暴监测研究的主要任 务，其中建立定量的沙尘暴信息提取遥感模型尤为重要。 在应用光学法获得流体速度之前，实验流体力学一直使用机械测量探头来获得流体 速度信息，总压和静压探头结合在一起是测量平均速度的主要方法，而热线和热膜风速 仪是测量瞬时速度、平均速度和速度相关的主要方法，但是机械探头因扰动回流图形而 不能用于与回流有关的流动测量中，在小尺寸管道中的机械探头也会造成堵塞，因而也 不适用，而热线和热膜风速测量技术只限于低温、低速和低湍流度以及在回流区以外的 特性恒定的流动。激光多普勒测速技术是能克服上述所有限制，于六十年代发展起来的 应用于实验流体力学的一种重要的测量技术，由于具有准确度高、响应快和干扰小等特 点，己在流速、流量测量及其它流体力学研究，尤其是紊流的测量和研究中得到广泛的 应用。激光多普勒测速仪( l d a ) ( e l i a s s o _ aa n do a n d l i k e r ，1 9 7 4 ；杜斯特等人，1 9 9 2 ) ， 测量的实际上是流体中随流体一起流动的、具有示踪作用的某些自然或人为加入的微粒 ( 如尘埃) 在穿过测量区即干涉条纹匿时的速度，以及对粒子尺寸和浓度的测量。在工 业生产和科学研究领域越来越受到重视，例如，气悬体的监测；喷涂和冷却中，雾化液 滴大小对喷涂质量和冷却速度的影响；大气和气象研究中颗粒与污染的分析；飞机飞行 中表层结冰的研究；燃烧器中雾化液滚和燃烧效率的研究；高速水流中气蚀和微气泡的 研究；化学和药物作用过程的估算；清洗和沉积过程研究等。但是由于该技术采用的光 教射模型是m i e 散射模型，且激光是种电磁波，那么必然受到被测粒子的物理、化学 以及电磁特性的影响，建立激光多普勒测遵仪钡4 量结果与被测粒予间准确的定量关系直 接影响着测量结果的准确性。 风沙带电现象一直就有学者在关注着( g i l l ，1 9 4 8 ；g r e e l y a n dl e a c h ，1 9 7 8 ；s c h m i t a n d s c h m i t ，1 9 9 8 ；黄宁和期晓静 2 0 0 0 ；z h c n g c t a l ，2 0 0 3 ：郑晓静等人，2 0 0 4 ；z h e n g e ta l 一2 0 0 4 a ，2 0 0 4 b ) ，在太空探索活动的研究中也发现：太空其它星球地貌形成过程中 中国卫星气象学家势耕沙尘暴六大特征，中国科学院遥感应用研究所，2 0 0 3 3 1 9 。 皇 兰州大学博士学位论文 第章绪论 静电力是影响风沙运动的主要因素之一，此外，在2 0 世纪末美国国家宇航局制订的火 星登陆计划中为了保证探测仪器设备免遭静电干扰，考虑了火星地表层内风沙流中的风 沙电效应及其影响规律( r c n n oe ta 1 ，2 0 0 3 ) 。颗粒带电对沙尘暴内部参数与电磁波信 号间的关系或者是其余应用中的被测颗粒与探测信号间的关系是否有影响，而很多已有 的研究已经证明带电冰粒，带电雨滴的确是对电磁波信号的传播有影响的( b o h r 。na n d h u m ，1 9 7 7 ；r a p p e ta 1 ，2 0 0 3 ；b a l a c h a l l d r a i le ta 1 ，2 0 0 3 ) ，带电沙粒的影响是否和它 们一样，影响到何种程度也就必须加以讨论。 1 2 研究现状与进展 沙尘暴是沙暴和尘暴的合称。沙暴系指大风把沙粒吹入近地丽的大气层中所形成的 携沙风暴，尘暴则是指大风将大量尘粒吹入大气层中形成的携尘风暴。一般来讲，当沙 源和尘源同时存在时，首先扬起的是尘粒，当风速增大时沙粒才可能被扬起，因为沙粒 需要更大的起动风速。在沙地和沙漠中，可能只发生沙暴，虽然有少量的尘粒，一般达 不到尘暴的标准。但大多数的情况下，沙暴、尘暴系相伴发生，以沙尘暴的形式出现。 沙暴一般仅发生于近地面的大气层中，而尘暴既可以发生近地面的大气层中，也可以发 生在高层大气中。沙粒的移动距离比较近，而尘粒则可以远距离输送，并可以形成尘云， 随风远飘，在远方未直接受到尘暴影响的区域形成降尘天气。尘粒在风速较小但空气有 一定的上升运动时，可以形成扬尘天气。 1 21电磁波在沙尘暴中传播的进展和现状 风沙运动和沙尘暴导致的对电磁波信号影响的研究一直是人们关注的一个重要课 题。对沙尘暴发生与移动路径的遥感监测、沙漠腹地的无线通讯与广播电视信号的有效 传送以及利用激光对粒子速度的测量等，都与沙粒介质对光或电磁波信号的散射密切相 关( f r e d f i c ka n dv j v e k a f l a n a d a i l ，1 9 9 9 ) 。 大气降水一直被认为是导致毫米波段( 即3 到3 0 0 g h z ) 的卫星通讯衰减的主要因 素，衰减甚至可以达到几十分贝的量级，因商有大量的关于雨对通讯系统衰减的定量研 究，相较于如此多的关于雨的研究，关于沙尘暴对穿过它的电磁波的衰减的研究则显得 很少，这可能与在过去认为通讯通道几乎不可能用于沙尘区有关，但是随着近二十年来 地理和政治环境的改变，在沙尘地区已有大量的通讯需求出现，比如为了追踪躲入沙漠 地区的贩毒分子，需要准确的给出信号在沙尘暴中的衰减以保证在该种环境下有足够的 能力保持信号联系；同时持续不断的中东地区的战争也突显了该问题的需求，当伊拉克 战争打响时，由于沙尘暴的频繁发生，也对美军强大的激光武器造成一定影响，这两个 例子都表现出研究沙尘暴对电磁波的影响不仅具有很强的民用价值，在军事应用上也是 很重要的。尽管工作不多，但是一直有科学工作者从各个方面研究关于沙尘暴对电磁波 一3 一 兰州火学博士学位i 仓文第章绪论 衰减的工作。 直接在野外观测沙尘暴对实际通讯衰减的是a 1 - h a f i d 等人( 1 9 7 9 a ，1 9 7 9 b ，1 9 8 0 ) 以及c h e n ( 】9 9 1 ) 。a 1 h a f i d 等人在n a s i r i y a d a r a i j 观测沙坐暴对1 1 g h z 的微波通讯的 影响，通过场的测量他们发现接收信号的衰减程度达到每几十分钟衰减1 0 到15 分贝， 且1 0 分贝衰减持续1 5 0 分钟，2 6 分贝衰减持续4 0 分钟。而c h e n 等人的测量结果为短 期( 几十分钟) 的沙暴会衰减微波接收信号1 0 1 5 d b ，观测到一次1 0 d b 的衰减持续1 5 0 分钏，另一次2 6 d b 衰落持续4 0 分钟，在某些严重沙暴情况下，信号衰减会导致一连几 小时的完全衰落。对高于1 0 g h z 频率的微波信号来说，沙粒浓度越大衰减越大，当波 长接近沙粒大小时，衰减达到最大值。这两次试验结果大大超过了后面将提到的其它学 者基于简单的衰减理沦预测出来的衰减值，而且测量时的光学可见度为6 到1 0 k m ，这 是很弱的沙尘暴环境。其余的研究 ：作都是通过间接方式讨论沙尘暴对电磁波的衰减。 在有关沙尘暴对无线电波可能产生的影响的理论方面的研究中，大部分作者基于单 个粒子对毫米波传播的散射理论和r a y l e i g h 近似计算了无线电信号能量的衰减，结果 表明当入射频率不太高，能见度不是很差时，衰减并不严重。还有一些作者指出交叉去极 化可能是沙尘暴影响毫米波传播的重要因素。今后的研究方向将是建立考虑大气折射作 用及风沙电现象影响的更详细的模型。 黄宁等人( 1 9 9 8 ) 总结了目前沙尘暴对无线电波可能的影响有以下几个方面；1 、 沙尘粒子的散射和吸收，从而导致信号能量的衰减：2 、沙尘粒子形状的不规则与粒子 空间取向有一定分布规律，而造成信号的交叉去极化效应；3 、由于沙尘暴对毫米波可 能产生折射和绕射以及沙尘粒子纵向分布的不均匀性而引起信号的多径传播；4 、沙尘 在天线上的沉积而导致信号增益衰减、方向图畸变和交叉去极化效应。且大多数作者的 研究主要集中在前两个方面。 最早讨论沙尘暴中的微波散射特征的是r y d e 1 9 4 1 ) ，但是他只讨论了尘暴中的雷 达反射率，而且发现除非是很强的沙尘暴和频率超过3 0 g h z 的微波，否则影响都是可 以忽略掉的。在这项早期的丁作中他提出了沙暴和尘暴的区别，认为沙暴主要包含的粒 径大于7 5 微米且最高上升高度为2 米，而尘暴则包含小粒子且上升高度要高得多。由 于没有关于沙尘暴中粒子尺寸的精确信息，r y d e 计算的沙粒粒径范围为1 微米到2 5 微 米，并假设l c m 厚的表面层可以升至3 0 0 米高度，由此估算出悬移沙粒质量密度为7 1 0 。眈m 3 。而尘粒的介电常数采用石英的介电常数，损耗正切视为很小，尽管他指出沙 尘中的铁元素会使其增大，但由于有如此多的不确定性，他只计算了雷达的反射率而没 有计算衰减值。 在沙粒对电磁波传播影响的理论研究中，许多学者都对沙尘暴对电磁波的衰减进行 了理论预测( a h m e d ，1 9 7 7 ；g h o b r i a le ta 1 ，1 9 7 8 ；g h o b r i a l ，1 9 8 0 ；c h u ，1 9 7 9 ；a n s a r i a n d e v a n s ，1 9 8 2 ：h a d d a de ta l ：，1 9 8 3 ；v i s h v a k a n n aa n d r a i ，1 9 9 3 a ；c o m p a r e t t o ，1 9 9 3 ； 4 - - 兰州大学博士学位论文第章绪论 x i a oa n d w u ，1 9 9 3 ；d o n g e ta 1 ，1 9 9 4 ；s i n g he ta l ，1 9 9 5 ：董庆生等人，1 9 9 6 ：s r i v a s t a v a a n dv i s h v a k a r m a ，2 0 0 3 ：徐英霞等人，2 0 0 3 ；) 从他们的研究中可以看出预测衰减时， 沙粒的形状、大小、分布以及介电常数很关键，大量的研究就是围绕沙粒的这，l 个方面 展开的。 在关于介电常数的讨论中包括了频率、含水量和化学含量对介电常数的影响等等。 a h m e d ( 1 9 7 6 ) 为了给出一个推导固体粒子介电常数的公式做了一系列实验测量，并给 出了矿尘、尘土和沙的介电常数的估计值，但是因为测量时粒子间相互作用的极化场不 能确定，所以与测量介电常数有关的粒子间的平均电场值也无法确定，因此他提出的理 论通常只能给出等效介电常数的上下限。a h m e d ( 1 9 7 7 ) 还估计了1 0 g h z 电磁波在真 实尘暴中的衰减，假设质量密度为1 0 。g e m 3 ，对沙质材料其值为0 1 d b k m ，对土质材 料为0 4 d b k m 。他们的丁= 作在浮尘研究上具有一定的开拓性，但是由于没有全面考察其 含水量和化学组成使得该工作并不完善。 1 9 7 9 年。c h u 的工作使得这方面的研究工作向前迈进了一大步，他将光学可见度与 沙尘浓度之间的关系定量化了。这样对于不太好测量的沙尘浓度就可以通过光学可见度 来替代。采用小粒子的r a y l e i g h 近似，同时忽略掉散射截面，最终得出结论：当所有沙 尘浓度严格均匀时，衰减与悬移质量成正比，光学衰减则与【n ( a ) a 2 d a 成比例。这意 味着在给定能见度下的衰减直接与粒子大小成比例。在r a y l e i g h 近似下，c h u 计算_ 1 1 g h z 时，粒径分别为0 0 1 r a m 和0 i m m ，以及介电常数分别为2 5 + j 0 0 2 5 和1 0 0 0 1 的沙粒的衰减对能见度为1 0 0 米，粒径为0 + l m m 的沙粒最大衰减值为0 0 3 d b k m 。c h u 将结果与a h m e d 和a u c h t e r l o n i e ( 1 9 7 6 ) 的结果做了比较，发现除了尘土的损耗正切值 远低于a h m e d ( 1 9 7 6 ) 所给的结果外，其余结果都吻合得很好。c h u 认为是由于a h m a d ( 1 9 7 6 ) 所用的尘土的含水量未知导致的。 从以上工作可以看出关于尘暴粒子的介电常数和含水量问题依然不能加以确定，而 这大大影响着对衰减的预测。g h o b r i a l ( 1 9 8 0 ) 给出了几种尘土样本的介电常数的试验 测量和粒径的概率分布，以及当浓度为1 0 8 颗米3 时对x 波段的吸收为1 d b k m 。 a n s 撕和e v a n s ( 1 9 8 2 ) 将衰减计算扩展n t3 7 g h z ，同时总结了频率与介电常数 的关系为：( a ) 干燥沙粒的介电常数的实部和虚部几乎都与频率无关；( b ) 含水量对虚 部起主导作用，虚部与频率有着复杂的关系，但是在1 到2 4 g h z 频率范围内随着频率 的增加而增加；( c ) 含水量对实部也有一定的影响，但是低于8 g h z 时，实部一直为常 数，当频率增大到2 4 g h z 时，实部开始减小；( d ) 干燥颗粒的化学组成对介电常数的 影响并不大，但是当有金属成分和磁性材料出现时就有很大影响。 随后s h a r i e f 和g h o b f i a l ( 1 9 8 3 ) 讨论了沙粒的含水量和化学组成对介电常数的影响。 a i 。b a d e r 和d a w o u d ( 1 9 8 3 ) 以及v i s h a k a r m a a n dr a i ( 1 9 9 3 b ) 和z h a o ( 1 9 9 3 ) 则对几 种样本的介电常数进行t n 量。 5 一 兰州大学博士学位论文第一一章绪隆 h a d d a de ta 1 ( 1 9 8 3 ) 对包括从伊拉克一次沙尘暴中采集到的沙尘样本的介电常数 和粒径分布进行r 测量，然后利用c h u ( 1 9 7 9 ) 提出的讣算方法计算了94 g t t z 时的衰 减值，同时他们还做了一个试验，将模拟用的沙尘样本悬浮于实验室中，对9 4 g h z 电 磁波穿过它刚的衰减加以测量，令人吃惊的是测量得到的衰减值要比计算值大了将近3 0 倍，比如，对于悬浮浓度为6 1 0 - s g c m 3 的沙尘，测量衰减值为0 0 3 4 d b m ，而训算值 却为00 0 1 d b m 。 b a s h i r 和m c e w a n ( 1 9 8 6 ) 在他们的综述中指出，尽管试验值和理论计算值之间如 此巨大的差别还不能加以完整解释，但是要推翻传统的衰减理论也是不够充分的，而更 进一步的调查研究将是很具有吸引力的。 还有一部分工作是关于沙粒粒径大小及分布对衰减的影响的研究。c h u ( 1 9 7 9 ) 、 g h o b r i a l ( 1 9 8 0 ) 、h a d d a de ta 1 ( 1 9 8 3 ) 、a l i ( 1 9 8 6 ) 和a h m e de ta l ( 1 9 8 7 ) 都曾对粒 径的概率分布及大小以及它们对衰减系数的影响做过分析。 前面的计算中都是将沙粒视为球形颗粒，但是自然界的颗粒并不是都可以用球形粒 子来模拟，而且形状对衰减的影响也是不可忽略的，还有诸如对柱状、椭球状、针状颗 粒在散射问题中的应用的研究。有关沙尘暴中的粒子形状的研究最早是由m c e w a n 等人 ( 1 9 8 3 ) 进行的，他们在外加静电场的条件下，用显微镜分析了1 9 7 2 1 9 7 9 年k h a r t o w m 收集的尘暴样品，发现模拟粒子的最适宜的形状为椭球，并且测得椭球的平均轴长之比 为a ：b ：c = l ：0 7 6 ：0 5 3 。1 9 8 7 年g h o b r i a l 等人用类似的方法考察了5 0 0 个尘土粒子的形状， 他得出结论，即粒子形状为椭球，其轴之比可近似取为a ：b ：c = l ：0 7 5 ：( 0 7 5 ) 2 。 b o u w k a m p ( 1 9 4 7 ) 提出了椭球波函数的特征值和特征向量的解法，s c h u l t z ( 1 9 5 0 ) 求解了长椭球形良导体的雷达散射截面，s i e g e l e ta 1 ( 1 9 5 6 ) 又进行了一些数值计算方 面的尝试，随后f l a m m e r ( 1 9 5 7 ) 等人利用超越方程和级数求和等方法求解椭球波函数， 进而确定散射场和内部场，a s a n oa n d y a m a m o t o ( 1 9 7 5 ) 讨论了均匀长椭球形( 或扁椭 球) 粒子对线性极化电磁波的散射问题，将矢量波方程在椭球坐标系下用分离变量法展 开为三个独立方程，其解用椭球波函数的级数形式表示，系数通过给定的边界条件确定。 随后，a s a n oa n d y a m a m o t o ( 1 9 7 9 ) 利用文a s a n oa n d y a m a m o t o ( 1 9 7 5 ) 提出的方法， 计算了吸收性椭球粒子的散射特征，还针对任意取向的，均匀的椭球粒子散射问题提出 了相应的计算方法( a s a n oa n dy a m a m o t o ，1 9 8 0 ) 。后来又有很多研究者分别从数值计 算方法及椭球粒子对电磁波散射影响的结果上进行了讨论，包括b a r b e r a n dh i l l ( 1 9 9 0 ) 、 b o h r e na n ds i n g h a l n ( 1 9 9 1 ) 、k u i ke ta 1 ( 1 9 9 2 ) 、m i s c h e n k o a n d t r a v i s ( 1 9 9 4 ) 、曾学刚 等人( 1 9 9 2 ) 、s i n g h e ta 1 ( 1 9 9 5 ) 、韩一平和吴振森( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) 、张培昌等人( 2 0 0 1 ) 等等。对于一些特殊形状，如针状，盘状小粒子可采用r a y l e i g h - g a n s 近似进行计算 ( k e r k e r ，1 9 6 9 ) 。 还有一部分关于沙尘暴对电磁波传播的影响的工作是关于交叉极化( b a s h i r e ta 1 ， 6 一 兰州大学博士学位论文 篇一章绪论 1 9 8 0 ；a n s a r ia n de v a n s ，1 9 8 2 ；s r i v a s t a v aa n dv i s h v a k a r m a ，2 0 0 3 ) 以及信号延迟方面 的研究( f