大气湍流-ITU.doc

ITU-R -1建议书
工作在20 THz-375 THz频带内的地—空系统的设计所需的传播数据
(ITU-R 228/3号研究课题)
(2003-2005)
国际电联无线电通信全会,
考虑到
a) 20 THz-375 THz之间的频谱,在近地和深空环境下可用于通信;
b) 合理地规划工作在20 THz-375 THz频带内的地—空系统必须具备合适的传播数据;
c) 规划工作在20 THz-375 THz频带内的地—空系统所需的最重要的传播参数的计算方法已经制定;
d) 这些方法对可用的数据已尽可能地进行了测试,结果表明其准确度既兼容于传播现象的自然变化量,又适合于工作在20 THz-375 THz频带内的系统规划中的大多数现有应用,
认识到
a) 国际电联《组织法》第12条第78款规定无线电通信部门的职责包括:“……进行无频率范围限制的研究,并通过建议书……”,
建议
1 采用附件1中给出的预测传播参数的方法,在该附件中所指的各个有效范围内,用于规划地—空系统。
注1 —关于20 THz-375 THz之间频率的传播预测方法的附加信息可在ITU-R 。
附件 1
1 大气因素
20-375 THz频率范围内在地球和在轨空间飞行器之间工作的一个系统的性能受地球大气的影响。这些大气效应包括:
— 沿传播路径存在的大气气体分子对信号的吸收,造成信号幅度整体降低;
— 沿传播路径存在的微粒,其大小从小于一个波长到多个波长,对信号散射造成信号幅度显著降低;
— 由于沿传播路径大气密度的变化,使电波发生折射,造成发射源位置的明显变动;
— 由于大气中热量的变化导致大气骚动,造成接收信号幅度和相位的波动。
本附件只涉及对流层对有用信号的影响。本附件中的预测方法,已经尽可能的在地面—自由空间链路和天文系统的测量中进行了测试。结果表明它们适用于基本系统规划。但是,由于大气的时间和空间可变性,任何工作在20 THz-375 THz频带内的地面系统部署之前必须进行传播特性的本地测量。
2 吸收
图1说明了沿三条天顶路径的大气吸收与频率的关系。其中,浅灰色区域代表相对较低的吸收,它对应位于海拔5 km处湿度较低区域的站点。深灰色区域说明位于海拔2 km的站点会受到更多的大气吸收。黑色区域表明对位于海平面并通过ITU-R 。该图清楚的说明了,除在一些干燥高纬度位置,大气对1 THz-10 THz频带(300 mm-30 mm)内几乎所有频率的电磁能量都是不透明的。10 THz以上,大气的吸收特性又变得对地—空间电磁能量的传播有利。
图2详细描述了沿与图1相同的三条天顶路径,大气对10 THz以上(30 mm以下)频带的吸收特性,它表现为一连串的低吸收区域,中间被很强但很窄的高吸收区域隔开。各个低吸收区域的边界是许多微细的弱吸收线。吸收线的产生是由于大气中气体成分的存在,包括但又不限于NH3、CO2、CO、CH4、NO2、NO、O2、O3、SO2、H2O和各种CFC。吸收线的强度由大气温度和气压决定。
可以采用与ITU-R 。但是,由于在整个10 THz-1 000 THz (30 mm- mm)频带内存在数千条独立的吸收线,这种方法为密集运算。
图1
沿垂直路径的大气吸收
波长(mm)
3 散射
大气散射使发射能量偏离预期的传播路径,造成在接收机处信号强度显著降低。大气的散射特性由沿传播路径存在的散射微粒的直径决定。散射特性表现为三种形式:
— 瑞利散射
— 米氏散射
— 与波长无关的散射
瑞利散射
当沿传播路径存在的散射微粒的物理直径比电磁波波长小得多时,大气散射表现为瑞利散射。在大于20 THz(波长小于15mm)的频率上,瑞利散射是由于电磁波与大气气体中的极性分子的相互作用而产生的。
图2
10 THz以上(30 mm以下)频带沿垂直路径标准大气的吸收
频率低于375 THz( mm)时,由于瑞利散射造成的接收信号的损耗可以忽略。但是,瑞利散射与波长的四次方成反比。频率大于1 000 THz ( mm)时,瑞利散射对发射信号的影响变得和米氏散射类似。
瑞利散射的最主要影响是在接收机中引入了背景噪声。背景噪声在沿地对空路径和空对地路径上都存在。与空间飞行器工作的地球站在白天操作的主要噪声源来自太阳光的瑞利散射。虽然不是瑞利效应,但是指向地球的空间飞行器也会受到地表面反射的太阳光产生噪声的影响。
图3给出了在几种条件下的天空辐射率H,单位为W/m2/mm/sr。为了简单起见,表1