专利摘要

本发明公开了一种改进的350GHz以下电波天顶衰减的简便算法，引入一个等效高度的概念，等效高度是一种等效的距离，这个距离上的大气看作是均匀的且其路径衰减等于此处的天顶衰减，利用等效高度可以方便计算得到天顶衰减。改进的等效高度模型引入了地球表面的温度和湿度使其对不同地区的适用性更好。本发明使毫米波、亚毫米波段地空路径衰减的估算更精确和具有实时性，因为在这些频段上，地空路径上的衰减是通信链路的设计中不能忽略的。

权利要求

1.一种改进的350GHz以下电波天顶衰减的简便算法，包括以下

步骤：

1)确定频率为小于350GHz的窗口频率、探测器为天顶方向；

2)利用基于地表温度和压强的干空气等效高度近似公式计算干空气等效高度；

3)利用ITU-R P.676-11建议书的附件1中对大气吸收的计算方法计算干空气衰减率；

4)将干空气等效高度和衰减率相乘得到干空气天顶衰减；

5)利用基于地表温度、水汽密度和压强的水汽密度等效高度近似公式和地表大气温度、压强和水汽密度计算水汽等效高度；

6)计算水汽衰减率；

7)将水汽等效高度和衰减率相乘得到水汽天顶衰减；

8)将干空气和水汽天顶衰减相加得到此频率上的大气总衰减。

2.如权利要求1所述的改进的350GHz以下电波天顶衰减的简便算法，其特征在于，步骤2)中所述的基于地表温度和压强的干空气等效高度近似公式为：

其中：

t3＝c0+c1f+c2f2+c3f3+c4f4+c5f5 (4)

c1＝–0.001968、c2＝5.353×10–5、c3＝–3.707×10–7、c4＝1.03×10–9、c5＝–1.02×10–1，

c0的值由下式给出：

c0＝-0.14+0.008t (5)

其中，t是温度，单位为℃；

本模型的限制条件：

f＜70GHz时

这里f是波的频率，单位为GHz，其中ptot代表地球表面的总气压。

3.如权利要求1所述的改进的350GHz以下电波天顶衰减的简便算法，其特征在于，步骤5)所述的基于地表温度、水汽密度和压强的水汽密度等效高度近似公式为：

hw＝1.66(B+C(h1+h2+h3)) (7)

这里

其中，

B＝42.01244-7.27769ln(t+273.15)+0.030287ρ (12)

C＝10.35695-0.03411(t+273.15)+0.043366ρ (13)

这里，ρ是水汽密度，单位为g/m3。

4.如权利要求1所述的改进的350GHz以下电波天顶衰减的简便

算法，其特征在于，所述的等效高度和天顶衰减之间的关系为：

A＝hoγo+hwγw (14)

其中，γo和γw分别为氧气和水汽衰减率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种简便的350GHz以下电波天顶衰减的简便估算方法，引进地表温度和湿度改进了ITU-R P.676-11建议书中的等效高度模型，使天顶衰减的计算精度更高且具有实时性。

背景技术

近年来，毫米波、亚毫米波波段硬件的发展使其应用范围扩大成为可能，例如，高速星基通信、雷达探测和遥感。因此，在通信链路设计、遥感信号分析等应用中，地空链路的衰减是必须要考虑的。

自上世纪八十年代以来，很多传播模型在光谱实验的基础上提出：Liebe在1980年代末期提出MPM(Millimeter-wave Propagation Model)模型；Urban在2004年提出了Moliere-5(Microwave Observation LIne Estimation and REtrieval,version 5)模型；J Mendork 2006年提出了SARTre([Approximate]Spherical Atmospheric RadiativeTransfer model)模型；2008年日本通信研究所提出了AMATERASU(Model for AtmosphericTerahertz Radiation Analysis and Simulation model)模型；2005年，P.Erikson和S.ABuehler提出了ARTS(Atmospheric Radiative Transfer Simulator)这个模型直到现在都一直在改进。但是，在以上的模型中，这些频段上路径衰减的链路计算需要完整的路径温湿压或者分子含量廓线信息，这些信息不能方便的得到。所以，亟需一种简便的近似模型对路径衰减进行精确且方便实时的估算。

对于地空路径，Suen利用大气可沉降水汽来分析THz波的传输特性，并分析了全球地空路径大气衰减。在ITU-R P.676-11建议书中，等效高度被用来进行大气路径衰减的估算。其中等效高度是一种等效的距离，这个距离上的路径衰减等于此处的天顶衰减。后者的输入条件更容易得到，但是模型中仅包含地表的大气压强，这对不同的气候和季节情况下是不适用的。因为对THz波传播影响更大的是湿度和温度。所以在改进的模型中，我们引入了温度和湿度来提高模型的精度，并使其更具普适性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于ITU-R P.676建议书中的等效高度模型，利用地表温度、湿度和压强改进的精度更高、普适性更强的模型。本发明针对的是更具有通信和探测潜力的窗口频率进行的。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案包括以下步骤：

1)利用ITU-R P.676建议书中大气衰减模型和ITU-R P.835中不同纬度、不同季节的温湿压廓线，得到不同廓线情况下的正推等效高度；

2)将正推等效高度与原来的等效高度模型进行比较，得到差值；

3)对差值曲线进行拟合，记录拟合系数；

4)利用温度对干空气等效高度系数进行修正，得到改进的干空气等效高度模型；

5)利用温度和湿度对水汽等效高度系数进行修正，得到改进的水汽等效高度模型。

本发明的有益效果是：改进的等效高度模型引入了地球表面的温度和湿度使其对不同地区的适用性更好，使毫米波、亚毫米波段地空路径衰减的估算更精确和具有实时性。

附图说明

图1是本发明一种改进的350GHz以下电波天顶衰减的简便算法的流程图；

图2是吸收峰频率和窗口频率示意图；

图3是干空气等效高度不同大气廓线的相对误差曲线图，其中(a)为标准大气，(b)为低纬度地区，(c)为中纬度夏季，(d)为高纬度夏季；

图4是中纬度冬季干空气计算结果比较图，其中(a)为等效高度，(b)为天顶衰减，(c)为相对误差；

图5是高纬度冬季干空气计算结果比较图，其中(a)为等效高度，(b)为天顶衰减，(c)为相对误差；

图6是水汽等效高度不同大气廓线的相对误差曲线，其中(a)为标准大气，(b)为低纬度地区，(c)为中纬度夏季，(d)为高纬度夏季；

图7是中纬度冬季水汽计算结果比较图，其中(a)为等效高度，(b)为天顶衰减，(c)为相对误差；

图8是高纬度冬季水汽计算结果比较图，其中(a)为等效高度，(b)为天顶衰减，(c)为相对误差。

具体实施方式

参照附图1，利用本发明计算路径衰减的具体实现步骤如下：

步骤1，确定频率为小于350GHz的窗口频率、探测器为天顶方向；

如图2所示，除了图中表示的水汽吸收峰：22GHz、183GHz和380GHz；氧气吸收峰：50-70GHz频段和118GHz这些频段之外，都是吸收较小的窗口频率。在这些频段上，改进的等效高度模型的精度较高。

步骤2，利用本发明提出的近似公式和地表大气温度、压强计算干空气等效高度；

基于地表温度和压强的干空气等效高度近似公式写作：

其中：

t3＝c0+c1f+c2f2+c3f3+c4f4+c5f5 (4)

这里：

c1＝–0.001968、c2＝5.353×10–5、c3＝–3.707×10–7、c4＝1.03×10–9、c5＝–1.02×10–1，c0的值由下式给出：

c0＝-0.14+0.008t (5)

其中，t是温度，单位为℃。本模型的限制限制条件：

这里 其中ptot代表地球表面的总气压。

步骤3，利用ITU-R P.676-11建议书的附件1计算干空气衰减率：

ITU-R P.676-11(建议书的附件1)中对大气吸收的计算可以得到最高至1THz频率上的无线电波在大气中的衰减率，大气的吸收衰减率为

κa＝κo+κw＝0.1820fN″(f)dB/km (7)

其中：γO单位(dB/km)是干燥空气条件下的吸收衰减率(仅在氧气条件下，由于大气压力造成的氮和非谐振Debye衰减)。γw(单位dB/km)是在一定水汽密度条件下的特征衰减。f(单位GHz)是频率。

N″(f)＝∑SiFi+N″D(f) (8)

其中，Si是第i条线的强度，Fi是曲线形状因子以及总和扩展至所有线(对于高于118.750343GHz氧气线的f频率而言，只应将高于60GHz复合率的氧气线包括在总结中)；N″D(f)是大气压力造成的氮气吸收和Debye频谱的干燥连续带。仅利用氧气吸收谱线叠加计算加上N″D(f)的和表示干空气吸收衰减率。

步骤4，将干空气等效高度和衰减率相乘得到干空气天顶衰减：

Ao＝hoγo (9)

Ao是干空气天顶衰减。

步骤5，利用本发明提出的近似公式和地表大气温度、压强和水汽密度计算水汽等效高度；

基于地表温度、水汽密度和压强的水汽密度等效高度近似公式写作：

hw＝1.66(B+C(h1+h2+h3)) (10)

这里

其中，

B＝42.01244-7.27769ln(t+273.15)+0.030287ρ (15)

C＝10.35695-0.03411(t+273.15)+0.043366ρ (16)

这里，ρ是水汽密度，单位为g/m3。

步骤6，利用ITU-R P.676-11建议书的附件1计算水汽衰减率：

利用步骤3中水汽谱线谱线叠加即得到水汽的吸收衰减率。

步骤7，将水汽等效高度和衰减率相乘得到水汽天顶衰减；

Aw＝hwγw (17)

Aw是干空气天顶衰减。

步骤8，干空气和水汽天顶衰减相加得到此频率上的大气总衰减。总的大气天顶衰减为：

A＝Ao+Aw (18)

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：

1.仿真条件及仿真内容：

利用ITU-R P.835中的不同纬度、不同季节的温湿压廓线对改进的等效高度模型进行验证。

2.仿真实验结果：

基于ITU-R P.835-5中的廓线来验证两种等效高度模型，如图3-图8所示。从相对误差的曲线可以看出，在不同大气廓线的情况下，新模型的精度都有不同程度的改善，尤其是中纬和高纬的冬季，相对误差都从20％以上甚至接近50％减小到10％左右。所以本发明更加适用于不同的大气情况，且输入参量易得，使天顶衰减的更具实时性。

一种改进的350GHz以下电波天顶衰减的简便算法专利购买费用说明

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Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。