毫米波大气衰减和天空噪声温度计算与分析

1、毫米波大气衰减和天空噪声温度毫米波大气衰减和天空噪声温度的计算与分析的计算与分析秦顺友秦顺友20152015年年1010月月1引 言2大气衰减计算模型3标准大气衰减计算与分析4大气参数对大气衰减的影响6结 束 语内内 容容 5天空噪声温度的计算与分析1引 言射频信号射频信号射频信号通过大气传射频信号通过大气传播，大气引起射频信播，大气引起射频信号衰减，毫米波尤为号衰减，毫米波尤为严重；同时大气衰减严重；同时大气衰减引起衰减噪声。引起衰减噪声。大气衰减与频率、天顶角和大气大气衰减与频率、天顶角和大气层函数有关。在卫星通信链路计层函数有关。在卫星通信链路计算、射电天文观测、深空链路分算、射电天文观

2、测、深空链路分析和天线参数计算与测量等领域，析和天线参数计算与测量等领域，均需要考虑大气衰减或天空噪声均需要考虑大气衰减或天空噪声温度的影响。温度的影响。卫星通信应用系统卫星通信应用系统深空探测应用系统深空探测应用系统跟踪与数据中继卫星系统（跟踪与数据中继卫星系统（TDRSSTDRSS）应用系统应用系统TfeedTgroundT天线噪声温度大气衰减噪声大气衰减噪声地面站天线地面站天线射电源射电源天线参数射电天文测量212KKASkTas大气衰减因子大气衰减因子因此可见：研究微波毫米波大因此可见：研究微波毫米波大气衰减和天空噪声温度，不仅气衰减和天空噪声温度，不仅具有重要的学术价值，而且具具有重

3、要的学术价值，而且具有重要的工程应用价值。有重要的工程应用价值。2大气衰减计算模型大气衰减是频率、天线仰角和大气层的函数。大气衰减是频率、天线仰角和大气层的函数。它随频率的增加而增加，随大气路径仰角的增它随频率的增加而增加，随大气路径仰角的增大而减小。假定测量条件为晴朗天空，并且大大而减小。假定测量条件为晴朗天空，并且大气层被模型化为标准大气层，当仰角在气层被模型化为标准大气层，当仰角在5 59090时，用分贝表示的大气衰减时，用分贝表示的大气衰减Latm为：为：ELhhLwwatmsin00式中：式中：EL大气路径的仰角大气路径的仰角()；0干燥空气与频率相关的衰减因子干燥空气与频率相关的衰

4、减因子(dB/km)；h0干燥空气的有效大气路径干燥空气的有效大气路径(km)；w水蒸气与频率相关的衰减因子水蒸气与频率相关的衰减因子(dB/km)；hw水蒸气的有效大气路径水蒸气的有效大气路径(km) 干燥空气和水蒸气的衰减系数与水蒸气密度、大气压干燥空气和水蒸气的衰减系数与水蒸气密度、大气压力和传输频率有直接关系，而空气和水蒸气在大气层力和传输频率有直接关系，而空气和水蒸气在大气层的等效高度与压力和频率有关。因此，精确计算干燥的等效高度与压力和频率有关。因此，精确计算干燥空气的大气衰减因子空气的大气衰减因子0、干燥空气的有效路径、干燥空气的有效路径h0、水、水蒸气的衰减因子蒸气的衰减因子w

5、和有效大气路径是非常复杂的。和有效大气路径是非常复杂的。Rec. ITU-R P.676-7建议利用曲线拟合方法，给出了频率在建议利用曲线拟合方法，给出了频率在1-350GHz范围内，各种干燥空气和水蒸气衰减因子和范围内，各种干燥空气和水蒸气衰减因子和有效路径的近似计算公式，由此可计算大气衰减的大有效路径的近似计算公式，由此可计算大气衰减的大小，其计算精确约为小，其计算精确约为10%。3 标准大气衰减计算与分析标准大气条件：标准大气天顶角方向的大气衰减标准大气天顶角方向的大气衰减频率频率/GHz大大气气衰衰减减/dB/dB1101000.010.1110100 计算结果表明：当毫米波在大气中传

6、播时，由计算结果表明：当毫米波在大气中传播时，由于水蒸气和氧分子的吸收作用，在不同频率点于水蒸气和氧分子的吸收作用，在不同频率点衰减各不相同，其中在衰减各不相同，其中在29.6GHz、84.2GHz、131.1GHz和和213.9GHz附近衰减较小，称为大附近衰减较小，称为大气窗口。此外在气窗口。此外在22.4GHz、59.8GHz、118.8GHz和和183.3GHz附近出现极大值，称为附近出现极大值，称为衰减峰。例如：当频率为衰减峰。例如：当频率为60GHz时，标准大气时，标准大气天顶角方向的大气衰减为天顶角方向的大气衰减为160.8dB。毫米波通信频段正是依据大气衰减的毫米波通信频段正是

7、依据大气衰减的传播规律进行选择的，例如传播规律进行选择的，例如Ka波段卫波段卫星通信（上行频段星通信（上行频段27.5-31GHz，下行，下行频段频段17.7-21.2GHz)，星际链路采用，星际链路采用60GHz频段。频段。1101000.010.11101001000 频率频率/GHz大气衰减大气衰减/dBEL=90EL=30EL=10不同仰角的标准大气衰减曲线不同仰角的标准大气衰减曲线计算结果表明：随着大气传播路径仰角的增加，大气计算结果表明：随着大气传播路径仰角的增加，大气衰减减小；随着仰角的降低，大气传播衰减增加，当衰减减小；随着仰角的降低，大气传播衰减增加，当仰角很低时，大气衰减急

8、剧增加。在仰角很低时，大气衰减急剧增加。在Ka波段和波段和EHF频频段的卫星通信系统中，为了克服降雨和大气衰减段的卫星通信系统中，为了克服降雨和大气衰减的影的影响，地球站天线工作仰角应选择高一些。另外，在实响，地球站天线工作仰角应选择高一些。另外，在实际工程应用中，只要知道天顶方向的大气衰减，就可际工程应用中，只要知道天顶方向的大气衰减，就可以计算任意仰角的大气衰减。以计算任意仰角的大气衰减。4 大气参数对大气衰减的影响下图给出了地面不同温度天顶方向的大气下图给出了地面不同温度天顶方向的大气衰减曲线。大气压力为衰减曲线。大气压力为1013hPa，水蒸气，水蒸气密度密度7.5g/m3，地球表面温

9、度分别，地球表面温度分别-30C 、0C 和和30C。计算结果表明：在大气压。计算结果表明：在大气压力和水蒸气密度不变的情况下，随着地面力和水蒸气密度不变的情况下，随着地面温度的降低，大气衰减增大。温度的降低，大气衰减增大。1101000.010.1110100 频率频率/GHz大大气气衰衰减减/dBt =-30Ct =0Ct =30C下图给出了不同大气压力天顶方向的下图给出了不同大气压力天顶方向的大气衰减曲线。水蒸气密度大气衰减曲线。水蒸气密度7.5g/m3，地球表面温度地球表面温度15C，分别计算半个，分别计算半个标准大气压、标准大气压、1个标准大气压和个标准大气压和1.5个个标准计算结果

10、表明：在水蒸气密度不标准计算结果表明：在水蒸气密度不变和地面温度不变的情况下，随着大变和地面温度不变的情况下，随着大气压力的降低，大气衰减减小。气压力的降低，大气衰减减小。1101001E-30.010.1110100 频率频率/GHz大大气气衰衰减减/dBp=506.5hPap=1013hPap=1519.5hPa下图给出了不同水蒸气密度天顶方向的大气衰下图给出了不同水蒸气密度天顶方向的大气衰减曲线。大气压力减曲线。大气压力1013hPa，地球表面温度，地球表面温度15C，分别给出了水蒸气密度为，分别给出了水蒸气密度为2.5g/m3、7.5g/m3和和15g/m3计算结果表明：在大气压力和计

11、算结果表明：在大气压力和地面温度不变的情况下，当频率小于地面温度不变的情况下，当频率小于6GHz时，时，水蒸气密度对大气衰减影响不大，随着频率的水蒸气密度对大气衰减影响不大，随着频率的升高，水蒸气密度越小，大气衰减越小。升高，水蒸气密度越小，大气衰减越小。频率频率/GHz大大气气衰衰减减/dB1101000.010.1110100 =15g/m3 7.5g/m3 2.5g/m3A：=7.5g/m3B：=0g/m3青海德令哈毫米波望远镜（口径为青海德令哈毫米波望远镜（口径为13.713.7米，海拔高度米，海拔高度32003200米，工作频率米，工作频率85-115GHz85-115GHz）5 天

12、空噪声温度计算与分析计算出大气衰减计算出大气衰减Latm后，则天空噪声温度为：后，则天空噪声温度为：atmatmatmcmbskyTLLTT115027312.10tTatm式中：式中： Tsky天空噪声温度（天空噪声温度（K）；）； Tcmb微波背景噪声温度（微波背景噪声温度（K）；）； Tatm大气噪声温度（大气噪声温度（K）。）。 11010010100 频率频率/GHz天空天空噪声噪声温度温度/KEL=90EL=30EL=10不同仰角标准大气天空噪声温度不同仰角标准大气天空噪声温度计算结果表明：天空噪声温度与大气衰计算结果表明：天空噪声温度与大气衰减成正比的，大气衰减越大，天空噪声减成

13、正比的，大气衰减越大，天空噪声温度越大。当大气衰减很大时，天空噪温度越大。当大气衰减很大时，天空噪声温度趋于常数；在相同频率条件下，声温度趋于常数；在相同频率条件下，仰角越低，天空噪声温度越大，仰角越仰角越低，天空噪声温度越大，仰角越高，天空噪声温度越小。高，天空噪声温度越小。6 结束语微波毫米波信号通过大气传播过程中，受到大气衰减的影响。微波毫米波信号通过大气传播过程中，受到大气衰减的影响。在毫米波频段，大气衰减更为严重，且大气衰减引起系统噪声在毫米波频段，大气衰减更为严重，且大气衰减引起系统噪声温度的增加。本文国际电信联盟温度的增加。本文国际电信联盟Rec. ITU-R P.676-7的建议，给的建议，给出了出了1-35