毫米波大气衰减和天空噪声温度的计算与分析概述
毫米波在大气中的传播
1毫米波及其特点1.1 毫米波传播模型1.1.1 毫米波的概念1.1.1.1 毫米波的定义微波波段包括：分米波，厘米波，毫米波和亚毫米波。
其中，毫米波（millimeter wave），通常指频段在30~300GHz，相应波长为1~10mm的电磁波，它的工作频率介于微波与远红外波之间，因此兼有两种波谱的特点。
毫米波的理论和技术分别是微波向高频的延伸和光波向低频的发展。
图1.1中直观地展示出毫米波在整个光谱之中的具体位置。
图 1. 1 毫米波工作频率范围示意图1.1.1.2 毫米波的特点由于毫米波的波长范围在微波与远红外波相交叠处，因此它兼有二者的优点。
（1）毫米波相对于微波波段，由于波长较短，所以对于给定的天线尺寸（孔径），波束宽度较窄，增益较高，能获得较高的空间分辨率和精度；（2）因为毫米波系统天线波束窄，其信号的空间立体角小，不易受到干扰，同时信号也不易被截获，所以毫米波还具有保密性好、抗干扰能力强、具有很强的侦查和反侦察能力的特点；（3）毫米波波段可用频带较宽，在每个毫米波大气传播窗口都具有极大的带宽可供使用，由于大气电磁波具有选择性吸收，故可以充分利用“大气窗口”丰富的频谱资源用于通信、雷达等保密通信，还可利用其带宽光谱能力来抑制多径效应和杂乱回波，消除系统间的相互干扰；（4）毫米波穿透能力强，在“大气窗口”频率传播时，其衰减虽然比微波大，但却比红外和激光小很多，它具有穿透云、雾、烟尘以及等离子体的能力，它能对抗恶劣天气，进行全天候工作，这一特点对环境遥感和军事侦察等应用是十分重要的；（5）毫米波器件具有体积小、重量轻的特点。
毫米波波长短，这使得工作于毫米波段的系统天线尺寸可以做得较小，可缩小毫米波原件的尺寸，并且易于集成化、单片化，从而减小毫米波系统的体积和重量。
1.3毫米波的发展自1873年Maxwell发表《电磁学通论》以来，人们充分利用电磁资源在拓宽平铺方面作了大量的工作。
对于毫米波的研究，早在1889年就已提出，至今已有一个世纪的漫长岁月。
面向5G应用场景的毫米波传输衰减分析
间传播，波束窄，具有良好的方向性。
由于毫米波所处频段高，干扰较少，所以传播稳定可靠。
但是，由于水汽、氧气等吸收作用，毫米波在大气中传播会受到不可忽视的衰减。
同时，降雨、云雾及沙尘也会带来信号的额外衰落，所以毫米波单跳通信距离较短本文从大气吸收、云雾、降雨和沙尘等大气为主的分子会对电磁波能量进行吸收，引起电波衰减。
大气吸收对毫米波的传播影响主要有频率、水蒸气浓度和天线仰角。
在毫米波频段内，氧60GHz 条主要谱线。
分别将这些谱线的吸收衰减率线性相加，并考虑亚毫米波段和红外区域强度极高的谱线以及连续谱的影响，可得到氧气和水汽的吸收损耗率 dB/km 是干燥空气条件下的特征衰减；定水汽密度条件下的特征衰减；f 是电波频率，以是该频率相关的复合折射率的虚部，计算方由于氧气和水汽的吸收线很多，逐项计算所有吸收线对应频率对电波衰减的贡献十分复杂，中根据发射天线和接收天线的相对高度将传播路径分为水平路径和倾斜路径，给出了在高度范围内的简易计算方法。
此法与逐线计算的大气吸收衰减所得结果之间60GHz 水平路径和微小倾角倾斜路径的路径衰减计算方法相同。
整个积分路径上氧气衰减率为常数，对其求衰减率积分，其路径衰减可由如式60−66−p=1013hPa、温度t=15℃的条件下模拟的干燥空气与水汽衰减率以及总的衰减率随频2是在ITU-R建议的水蒸气密度）、大气压强p=1013hPa、温度℃的条件下模拟的干燥空气与水汽衰减率以及总特征衰减率随频率的变化曲线图：频率f/GHz水蒸气密度为10.5g/m³时衰减率与频率的关系=频率f/GHz水蒸气密度为13g/m³时衰减率与频率的关系知，毫米波对于氧气和水蒸气吸收衰减均是随着频率的升高而增大。
在倾斜路径上大气衰减随高度递增近似成负指数采用了等效高度的方法。
定义等效高度对电波的衰减才显得重要[5]。
云、雾是由微小水滴成水滴直径在0.001~0.4mm 之间，满足瑞利散射条件[8]。
在毫米波段的云衰减
在毫米波段的云衰减Abslmct计云层条件下，在波士顿地区大气衰减测量频率为15和35千兆赫。
实事上这些衰减数据是以太阳为源，用消光测量推测出来的。
二百一十组数据，收集了每一个在完整的云层覆盖下的频率;131组数据收集了局部云层覆盖条件下的频率。
每个数据集包括制成一仰角在20“至29”的测量。
并对该衰减角度的依赖性进行了检查。
证明了，在大多数云条件下的衰减是与通过吸收大气中斜程的距离成正比的。
对于上述有关8'，以地球平面近似为仰角平面是有效的，斜程距离与仰角余割成正比。
除了仰角，对于低仰角的倾斜路径距离与地球有效半径和大气的衰减有效高度相关。
通过一种确定的半径和高度的统计技术描述，顶点衰减的大致情形从各组数据中被推测出来。
下一步来研究该衰减的湿度依赖性。
作为一个天顶的表面绝对湿度功能衰减线性回归分析，相关系数均是0.7到0.8。
完全和部分云覆盖条件下测得的衰减分别与以前获得的晴空衰减进行了比较，发现湿度的影响是比较高的。
最后，对云衰减的频率依赖性进行了研究。
有人认为云衰减的频率依赖性类似雾。
假设这种依赖成立，结合35 GHz的数据，根据云层条件可估计在光谱的窗口区域衰减频率高达100千兆赫。
最后得出这些结果，是估计为仰角，大气总衰减频率的函数算法，并推导出表面绝对湿度。
一、简介在毫米波波段大气衰减的理论和实验研究已开展若干。
根据已取得的成果可以很有信心地推测，造成毫米波波段的光谱损失的是气体和雨的吸收。
然而，这是非常困难的推断，因为在[1]，[2]中只有有限的实验数据可以说明损失是由云造成的;另外，云水含量，云程度的不确定性限制了它用模型[3]来计算衰减的准确性。
由于云衰减相对较低，毫米波波长较长，一般都需要在很长的道路进行测量，以获得可观的衰减。
在本文中，云衰减的推测是以太阳作为源，用消光测量的方法。
测量是在频率为15和35千兆赫在日出和日落时仰角从地平线附近到20°的范围内。
毫米波RCS测量大气吸收衰减修正方法研究
毫米波RCS测量大气吸收衰减修正方法研究文章分析了大气吸收对毫米波测量雷达散射截面（RCS）测量精度的影响。
根据试验场气象参数，建立了毫米波雷达大气吸收衰减工程模型，并对标准金属球实测数据进行了大气吸收衰减修正。
数据处理结果表明，该工程模型简单、可靠，能有效提高外场RCS测量精度。
标签：毫米波；大气吸收；RCS动态测量1 概述在电磁波作用下，大气中氧气和水蒸气分子会吸收电磁波能量而产生能级跃迁，将电磁波能量转变为分子内能，在其固有频率上对电磁波产生吸收衰减[1]。
在毫米波雷达外场RCS动态测量任务中，大气衰减严重，不同气象条件下的毫米波大气衰减存在明显的差异，这种差异严重影响了毫米波RCS测量精度[2]。
为提高RCS测量数据的可靠性，必须对毫米波大气衰减进行修正，以得到目标实际的RCS反射特性。
对流层吸收衰减计算公式复杂，为便于工程应用，提高数据处理效率，建立毫米波吸收衰减工程模型也是亟待解决的问题。
2 大气吸收衰减计算模型2.1 水蒸气吸收系数在0.1～1000GHz频段存在水蒸气分子的选择性吸收谱线，分别由22.235GHz和100GHz以上的谐振引起，对应的吸收系数分别记为？酌22和？酌res。
计算模型[2]-[4]如下：式中，f为频率（GHz），T为大气绝对温度（K）；pw为水蒸气的分压力（torr）；p为大气压力（Hpa）；？籽为水蒸气密度（g/m3），F为谐振线的形状系数。
2.2 氧气吸收系数氧气无固定的电偶极矩，无选择性吸收谱线。
在气压作用下，压致增宽形成中心在60GHz和118.75GHz附近的吸收带。
文章的氧气分子吸收模型考虑了40GHz～140GHz频段内44条氧气吸收谱线的贡献。
氧气吸收系数计算模型[4]如下：式中，C=2.0058。
系数AN由旋转量子数N、谐振线外形系数和非谐振分量共同确定。
2.3 折射分层大气吸收衰减计算模型电磁波在对流层传播过程中产生的总吸收系数为：由于大气是非均匀的，电磁波在大气中传播时折射指数随高度增加而变化。
噪声衰减参数
噪声衰减参数作者：sjzhakj2012-02-17 15:18摘要：衰减参数包括哪些以及各具体参数的设定。
衰减参数包括：环境参数；声屏障；建筑物；绿化林带。
环境参数在软件主界面的项目控制栏，衰减参数项中双击环境参数，弹出环境参数设定对话框，用户需要设定为本次噪声预测评价设定以下参数：常规气象参数每一种地面区域的声学性质由地面因子G计算。
三种反射表面地面因子G取值如下：⏹坚实地面：包括铺筑过的路面、水、冰、混凝土以及其他低疏松的地面，例如在工业城市各处经常出现的夯实地面，可以认为是坚实的。
坚实地面G=0；⏹疏松地面：包括被草或其他植物覆盖的地面，以及其他适合于植物生长的地面，例如农田。
疏松地面G=1。
⏹混合地面：由坚实地面和疏松地面组成。
，则G取0到1之间的值。
计算地面效应衰减的理论说明声波越过疏松地面传播时，或大部分为疏松地面的混合地面，在预测点仅计算A声级前提下，地面效应引起的倍频带衰减可用公式计算。
式中：r—声源到预测点的距离，m；h m—传播路径的平均离地高度，m；可按图5进行计算，h m= F/r，；F：面积，m2；r，m；若Agr计算出负值，则Agr可用“0”代替。
其他情况可参照GB/T17247.2进行计算。
估计平均高度h m的方法图●地面反射系数用来考虑由于地面反射引起的噪声的增加地面反射系数，最大为1（全反射），最小为0（全吸收）。
理论部分考虑地面反射的理论说明当点声源与预测点处在反射体同侧附近时，到达预测点的声级是直达声与反射声叠加的结果，从而使预测点声级增高（增高量用ΔLr 表示）。
当满足下列条件时，需考虑反射体引起的声级增高：（1）反射体表面平整光滑，坚硬的。
（2）反射体尺寸远远大于所有声波波长λ。
（3）入射角θ＜85º。
r r-r d>>λ反射引起的增加量ΔLr 与r r /r d有关，可按下表计算：反射体引起的修正量表r r/r dΔL r（dB）≈13≈1.42≈21>2.50声屏障所谓声屏障是采用吸声材料和隔声材料制造出特殊结构，设置在噪声源与接受点之间，阻止噪声直接传播到接受点的降噪设备，可引起声能量的较大衰减。
飞机噪声在大气中衰减的计算方法及分析
飞机噪声在大气中衰减的计算方法及分析*闫国华，张子健【摘要】摘要:分析声吸收的基本原理，研究现有的大气声吸收的计算方法，运用新的大气声吸收的计算方法，计算民航客机在运营过程中产生的噪声在大气中的衰减量，并对影响其衰减的因素进行分析，然后将其结果与标准中提出的大气声衰减的方法进行比较。
通过对比可得出，本文所采用的方法对声衰减的计算更加准确。
【期刊名称】机械研究与应用【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4【关键词】关键词:声学;飞机噪声;声衰减系数;1/3倍频程0 引言随着国际民航业的不断发展，以及人们对民机环保性能的要求提高，民航界对民机的噪声水平要求越来越高，必须要采取各种措施进行减噪。
在采取措施减噪的过程中，对于噪声在大气中的衰减的计算也是必要的，这对于采取什么样的措施，有很大的帮助，对于飞机噪声的适航审定也是必要的。
此前，美国机动车工程师学会已经出版过有关大气声衰减的计算方法，并且于1975年3月进行了修订作为ARP866A标准出版。
中国民用航空总局于2008年颁布的飞机噪声适航审定标准CCAR36部［2－3］也提到了关于声吸收的算法。
此标准用在1/3倍频程中心或者低边缘频率计算纯音大气吸收系数去代替全频段1/3倍频程的衰减。
然而，笔者所采用的方法是用在传播路径上的准确频带中心频率的纯音衰减函数去计算1/3倍频程的衰减，然后与ARP866A标准中给出的大气声衰减方法进行比较。
(注:笔者所采用的方法只考虑空气中没有明显雾气或污染的情况，并且不涉及折射或者地面反射引起的大气声衰减。
)。
1 大气声吸收的定义及计算方法声衰减(声吸收)是由声音在大气中传播引起的。
大气声吸收包括热量的损失，剪切粘度的损失，和氧分子与氮分子的弛豫运动［4］造成的损失。
它是由声音的频率、大气温度、相对湿度和大气压力共同作用的结果。
1.1 精确算法通过宽带声用分数倍频程带通滤波器计算大气声衰减的通用积分法。
在ANSI S1－26－1995［5］和ISO 9613－16［6］标准中详细描述了精确算法。
第三章大气、云、降水对电磁波的衰减-南京大学
A = aZ b
Hitschfeld-Bordan solution
g( r) = exp -0.46b ò 0 A( l) dl
r
r
[
]
Z (r ) = Z ¢(r ) é1 - 0.46ba ò Z ¢ b (l ) dl ù ê ú 0 ë û
-1/ b
H-B solution is not stable
由于衰减作用，对于同一降雨带可能波长较长的雷 达能准确探测到，而波长较短的却不一定。
雨的衰减系数kp(dB/km) 雨强 (mm/h) 0.5 1 5 10 20 50 100 200
波 长 (cm)
0.9
0.11 0.22 1.1 2.2 4.4 11 22 44
3.2
0.003 0.007 0.061 0.151 0.375 1.25 3.08 7.65
5.6
0.001 0.002 0.014 0.033 0.0732 0.214 0.481 1.083
10.0
0.00015 0.0003 0.0015 0.003 0.006 0.015 0.030 0.060
减少
随着波长的增加，雨对雷达波的衰减迅速减小。当波长等于10cm时，雨强 达到100mm/h，所产生的衰减系数也小于0.03dB/km。但是在3cm波长时， 衰减相当严重，穿过径向尺度为100km、雨强为10mm/h的降水区，回波信 号的衰减可达30dB。5.6cm波长的电磁波，在穿过径向尺度为100km、雨强 为20mm/h的降水区，回波信号的总衰减量也可达15dB。
；
云中液态水含量一般在1 - 2.5 g/m3，浓积云上部可达40 g/m3;
冰云中的含水量很少超过0.5 g/m3，通常小于0.1 g/m3 。 与复折射指数 m，波长 都有关系。 ，温度 T ，以及粒子的相态
毫米波大气衰减和天空噪声温度的计算与分析概述
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
衰减曲线。大气压力为1013hPa，水蒸气 密度7.5g/m3，地球表面温度分别-30°C 、 0°C 和30°C。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 温度的降低，大气衰减增大。
100
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
大 气 衰 减 /dB
10
气层被模型化为标准大气层，当仰角在5°～
90°时，用分贝表示的大气衰减Latm为：
Latm
式中：
0 h0 w hw
sin EL
EL—大气路径的仰角(°)；
γ0—干燥空气与频率相关的衰减因子(dB/km)；
h0—干燥空气的有效大气路径(km)；
γw—水蒸气与频率相关的衰减因子(dB/km)；
100
大 气 衰 减 /dB
10 1 0.1
ρ=15g/m3 7.5g/m3 2.5g/m3
0.01
1
10
100
频率/GHz
A：ρ=7.5g/m3
B：ρ=0g/m3
青海德令哈毫米波望远镜（口径为 13.7米，海拔高度3200米，工作频率 85-115GHz）
5
天空噪声温度计算与分析
计算出大气衰减Latm后，则天空噪声温度为：
1000 100 10
EL=90° EL=30° EL=10°
大气衰减 /dB
1 0.1 0.01 1 10 100
频率/GHz 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 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，大气衰减急剧增加。在Ka波段和EHF频 段的卫星通信系统中，为了克服降雨和大气衰减的影 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 以计算任意仰角的大气衰减。
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频率/GHz 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
减成正比的，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 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 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。 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
3
标准大气衰减计算与分析
标准大气条件：
100
大 气 衰 减 /dB
10 1 0.1 0.01 1 10 100
频率/GHz
标准大气天顶角方向的大气衰减
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 衰减各不相同，其中在29.6GHz、84.2GHz、 131.1GHz和213.9GHz附近衰减较小，称为大 气窗口。此外在22.4GHz、59.8GHz、
温度的增加。本文国际电信联盟Rec. ITU-R P.676-7的建议，给
出了1-350GHz频段范围内，大气衰减的计算模型，并计算了大 气衰减曲线，分析了大气衰减的传播规律。研究了大气参数对 大气衰减的影响。该文对于卫星通信链路设计、深空探测链路 计算以及射电天线测量等领域，具有重要的参考应用价值。
100 10 1 0.1 0.01 1E-3
p=506.5hPa p=1013hPa
大 气 衰 减 /dB
p=1519.5hPa
1
10
100
频率/GHz
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1013hPa，地球表面温度 15°C，分别给出了水蒸气密度为2.5g/m3、 7.5g/m3和15g/m3计算结果表明：在大气压力和 地面温度不变的情况下，当频率小于6GHz时， 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。
hw—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
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
空气的大气衰减因子γ0、干燥空气的有效路径h0、水
蒸气的衰减因子γw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1-350GHz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 的大小，其计算精确约为±10%。
毫米波大气衰减和天空噪声温度 的计算与分析
秦顺友
2015年10月
内 容
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 天空噪声温度的计算与分析 结 束 语
5
6
1
引 言
射频信号
射频信号通过大气传
播，大气引起射频信 号衰减，毫米波尤为 严重；同时大气衰减 引起衰减噪声。
t =-30°C t =0°C t =30°C
1
0.1
0.01
1
10Biblioteka 频率/GHz100
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7.5g/m3， 地球表面温度15°C，分别计算半个
标准大气压、1个标准大气压和1.5个
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
气压力的降低，大气衰减减小。
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
衰减曲线。大气压力为1013hPa，水蒸气 密度7.5g/m3，地球表面温度分别-30°C 、 0°C 和30°C。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 温度的降低，大气衰减增大。
100
大 气 衰 减 /dB
10
1000 100 10
EL=90° EL=30° EL=10°
大气衰减 /dB
1 0.1 0.01 1 10 100
频率/GHz 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 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，大气衰减急剧增加。在Ka波段和EHF频 段的卫星通信系统中，为了克服降雨和大气衰减的影 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 以计算任意仰角的大气衰减。
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
算、射电天文观测、深空链路分
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
温度的影响。
卫星通信应用系统
深空探测应用系统
跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS） 应用系统
天线噪声温度
T
Tfeed
大气衰减噪声
Tground
天线参数射电天文测量
气层被模型化为标准大气层，当仰角在5°～
90°时，用分贝表示的大气衰减Latm为：
Latm
式中：
0 h0 w hw
sin EL
EL—大气路径的仰角(°)；
γ0—干燥空气与频率相关的衰减因子(dB/km)；
h0—干燥空气的有效大气路径(km)；
γw—水蒸气与频率相关的衰减因子(dB/km)；
100
大 气 衰 减 /dB
10 1 0.1
ρ=15g/m3 7.5g/m3 2.5g/m3
0.01
1
10
100
频率/GHz
A：ρ=7.5g/m3
B：ρ=0g/m3
青海德令哈毫米波望远镜（口径为 13.7米，海拔高度3200米，工作频率 85-115GHz）
5
天空噪声温度计算与分析
计算出大气衰减Latm后，则天空噪声温度为：
Tsky
Tcmb 1 1 Tatm Latm Latm
Tatm 1.12273 t 0 50
式中：
Tsky―天空噪声温度（K）；
Tcmb―微波背景噪声温度（K）；
Tatm―大气噪声温度（K）。
天空 噪声 温度 /K
100
EL=10°
10
EL=30° EL=90°
118.8GHz和183.3GHz附近出现极大值，称为
衰减峰。例如：当频率为60GHz时，标准大气
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
传播规律进行选择的，例如Ka波段卫
星通信（上行频段27.5-31GHz，下行 频段17.7-21.2GHz)，星际链路采用
60GHz频段。
射电源
2kTas K1K 2 AS
地面站天线
大气衰减因子
因此可见：研究微波毫米波大
气衰减和天空噪声温度，不仅 具有重要的学术价值，而且具 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。 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