电磁波在对流层中传输与散射若干问题研究--《西安电子科技大学》2008年博士论文
电磁波在对流层中传输与散射若干问题研究
【摘要】：
电磁波在对流层晴空大气及降雨、降雪、沙尘等气象环境中的传输效应对无线电电子系统有重要的影响,电磁波在对流层中的传播与散射特性研究,是一项既取得了一定的理论和实验成果同时也面临着新挑战的课题。随着无线电电子技术的发展,电波传播工作者开始考虑一些新问题,例如:未来的通信频段和对信号的传输质量要求将会不断提高,那么电磁波在对流层中传输、散射效应的计算及预报模型的精度能否适应新频段、新技术和新精度的要求;空间环境控制和人工改变技术是空间环境军用和民用的重要方面,能否通过某种人为干预手段,改善无线电电子系统通信效果,拓展其在军事、民用等方面的应用,开发新的通信技术;如何结合随机介质中的波传播理论,研究和评估信号在对流层中的传输、散射效应对新的通信技术的影响机理及影响程度,如何对抗这些影响。所以,研究电磁波在对流层中的传输、散射特性,对提高无线电电子系统的性能和发展无线通信技术有重要的理论意义和实用价值,本文就电磁波在对流层中的传输、散射的若干问题展开研究,主要工作及研究成果如下:
研究了声波干扰改变晴空大气折射指数起伏特性的机理,推导出了大气折射指数起伏特性与声波参数的关系,得到了声波干扰下单位体积散射截面的计算公式,且做出计算、仿真和讨论。结合降雨、沙尘等离散随机介质的介电特性研究状况,分析了部分现有模型的特点,提出一个改进的计算离散随机介质等效介电常数的计算模型,以降雨环境为例进行了计算、仿真和讨论,并且对模型进行了分析和评估。
利用本文得到的等效介电常数计算模型,提出了修正计算雨致特征衰减的ITU-R模型中参数的方法,该方法可以结合特定地区降雨的物理特征,更精确地考虑雨致特征衰减ITU-R计算模型参数受雨滴尺寸、分布和温度等影响,提高对雨衰的计算精度。以Weibull谱为例做了计算、仿真和分析,得出了Weibull谱分布情况下,对ITU-R模型参数的修正结果,利用修正结果计算了雨致特征衰减,并且与实测结果做了比较。
拓展了现有文献中利用非一分钟降雨率预报雨衰的建模方法,提出了利用10分钟累积降雨率预报降雨衰减的建模方法。以我国部分地区的10分钟降雨率测量结果和鑫诺I号等卫星参数及雨衰测量结果为例,建立了利用10分钟降雨率预报雨衰的模型,对模型做出评价和分析。
分析了降雨和雨衰时间序列的特点,以雨衰时间序列为基础,建立了预报雨衰短期、实时、动态特性的ARIMA预报模型。利用实验测量的雨衰时间序列的频谱特性,对文中预报模型得到的降雨衰减实时、动态序列进行了检验,并且对本文得到的模型进行了评估和分析。
以圆柱目标和降雨环境为例研究了随机离散介质环境中目标的信杂比,研究结果表明,信杂比最优化与收、发天线极化状态密切相关,而且雨滴粒子的形状对最优信杂比对应的极化状态影响明显,所以实际应用中需要根据降雨环境物理特征,计算目标回波信号信杂比与收发天线极化状态关系,以便及时调整天线最佳极化状态,使得接收信号信杂比最优化。本文的讨论方法对沙尘和降雪等环境也适用。
分析了多径传输环境下接收端信号特点,以及研究接收信号包络概率密度函数的必要性。用随机介质中的波传播理论,研究、分析了降雨、降雪等恶劣气象环境对多径信道包络概率密度的影响机理,分析了在降雨、降雪等环境中多径传输模式可能发生的变化。以降雨环境和全向天线为例仿真、计算了降雨对多径信道包络概率密度的影响。对本文的仿真结果做出了分析,结果表明本文处理问题的方法和研究结果,对于高增益、窄波束天线情况也适用。
研究了对流层大气及其中沉降粒子对通信系统噪声的影响机理及重要性。以本文研究结果为基础,仿真了ITU推荐各雨区的降雨特征衰减的年时间统计分布,利用本文得到的雨衰预报模型,以鑫诺I号等卫星参数为例,仿真了我国部分地区降雨导致的噪声温度年时间百分比分布,以及由于降雨影响导致系统G/T下降的年时间百分比分布。研究结果表明,降雨对噪声温度的贡献不可忽略,在具体的通信系统需要结合特定地区降雨、降雪等气象环境的物理特征,精确分析衰减和散射特性,评估它们对系统噪声的影响。
探讨了恶劣气象环境如何影响MIMO系统,分析了降雨、降雪等对流层气象环境可能对MIMO系统的影响。从理论角度探讨了降雨、降雪等对流层气象环境对MIMO系统信道容量的影响,以降雨环境和特定的天线结构为例,仿真了降雨衰减对MIMO系统信道容量的影响,结果表明降雨衰减对MIMO系统信道容量的影响明显。因此,对MIMO通信系统的设计过程中有必要考虑对流层气象环境的影响因素。
研究了声波干扰下对流层散射通信系统的散射损耗,将声波干扰下的散射损耗与没有声波干扰情况下散射损耗进行了对比,并且对研究结果做出分析、讨论。研究结果表明,声波干扰可以有效减小对流层散射通信散射损耗,声波干扰可以有效改善散射通信系统的性能和稳定性,声波干扰对流层对扩大散射通信系统应用领域可望有广阔的应用前景。
【关键词】：
【学位授予单位】：西安电子科技大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2008【分类号】：O441.4【目录】：
Abstract7-14
第一章 绪论14-26
1.1 研究背景和意义14-16
1.2 国内外研究概况16-21
1.2.1 对流层介电特性研究现状16-17
1.2.2 晴空大气中电磁波波传输、散射特性研究现状17-18
1.2.3 降雨、沙尘等气象环境中电磁波传输、散射特性研究现状18-21
1.3 论文安排及主要工作和创新点21-26
1.3.1 论文安排及主要工作21-23
1.3.2 论文的创新点23-26
第二章 对流层介电特性研究26-44
2.1 对流层晴空大气介电特性概述26-30
2.1.1 对流层晴空大气及其介电特性描述26-27
2.1.2 对流层晴空大气折射指数梯度分布27-28
2.1.3 晴空大气折射指数起伏特性28-30
2.2 声波干扰改变对流层晴空大气介电特性研究30-36
2.2.1 研究背景、意义及国内外研究状况30-32
2.2.2 声波干扰改变对流层晴空大气射指数机理32-34
2.2.3 仿真和讨论34-36
2.3 恶劣气象环境介电特性研究36-42
2.3.1 恶劣气象环境介电特性研究现状及分析36-37
2.3.2 改进的恶劣气象环境等效介电特性模型37-39
2.3.3 仿真和讨论39-42
2.4 本章小结42-44
第三章 电磁波在对流层中传输、散射特性研究44-96
3.1 电磁波在对流层晴空大气中的传输、散射特性44-49
3.1.1 电磁波在晴空大气中的传输、散射特性概述44-47
3.1.1.1 电磁波在对流层晴空大气中衰减特性44-45
3.1.1.2 对流层晴空大气对电磁波的去极化效应45-46
3.1.1.3 对流层晴空大气对电磁波的散射效应46-47
3.1.2 声波干扰下对流层晴空大气散射特性47-48
3.1.3 讨论和分析48-49
3.2 电磁波在恶劣气象环境中的传输、散射特性49-64
3.2.1 电磁波在恶劣气象环境中散射特性49-50
3.2.2 电磁波在恶劣气象环境中衰减、去极化理论50-54
3.2.2.1 电磁波在恶劣气象环境中衰减理论51-52
3.2.2.2 电磁波在恶劣气象环境中去极化理论52-54
3.2.3 电磁波在降雨环境中衰减、去极化实用算法54-64
3.2.3.1 降雨特征衰减解析计算模型54-62
3.2.3.2 降雨环境下去极化实用计算模型62-64
3.3 电磁波降雨衰减的长期统计特性及动态特性64-85
3.3.1 降雨衰减长期统计特性预报模型分析64-77
3.3.1.1 地面视距链路降雨衰减预报模型64
3.3.1.2 地-空链路降雨衰减预报模型64-72
3.3.1.3 地-空链路降雨衰减预报建模新思路72-77
3.3.2 降雨衰减动态特性预报模型77-85
3.4 降雨环境中去极化预报模型85-87
3.5 恶劣气象环境下目标散射极化特性研究87-93
3.5.1 恶劣气象环境的散射矩阵87-88
3.5.2 有限长圆柱目标在恶劣气象环境中的散射矩阵及信杂比88-90
3.5.3 仿真与讨论90-93
3.6 本章小结93-96
第四章 恶劣气象环境对多径信道包络概率密度的影响96-108
4.1 多径传输信道及接收信号的包络概率密度函数96-98
4.2 恶劣气象环境对多径信道包络概率密度影响98-104
4.2.1 恶劣气象环境对多径信道包络概率密度的影响机理98-100
4.2.2 恶劣气象环境对多径信道包络概率密度影响研究100-104
4.3 仿真和讨论104-107
4.4 本章小结107-108
第五章 大气及沉降粒子对卫星通信系统噪声的影响108-118
5.1 噪声温度及天线噪声温度概述108-111
5.1.1 噪声温度及大气噪声108-110
5.1.2 天线噪声110-111
5.2 大气及大气沉降粒子对噪声温度的影响111-112
5.2.1 大气气体辐射噪声111-112
5.2.2 大气沉降粒子对噪声温度的影响112
5.3 仿真和讨论112-117
5.4 本章小结117-118
第六章 恶劣气象环境对MIMO 信道影响118-126
6.1 MIMO 信道及恶劣气象环境对MIMO 系统影响118-120
6.2 恶劣气象环境对MIMO 信道容量影响120-122
6.3 仿真和讨论122-125
6.4 本章小节125-126
第七章 声波干扰对对流层散射通信系统散射损耗的影响126-134
7.1 对流层散射通信简介126-127
7.2 对流层散射通信散射损耗127-130
7.3 仿真和讨论130-132
7.4 本章小结132-134
第八章 结束语134-138
致谢138-140
参考文献140-154
攻读博士期间完成的论文和工作154-156
欢迎：、、)
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京公网安备74号面向道路交通状态监测的GPS与GIS数据预处理关键技术研究--《重庆大学》2008年硕士论文
面向道路交通状态监测的GPS与GIS数据预处理关键技术研究
【摘要】：
城市道路实时交通状态检测是实现交通管理及控制、诱导,进而改善道路交通条件的基础,对市民出行、公交调度、城市规划等也具有重要参考价值。
随着安装车载GPS装置的车辆逐渐增多,GPS浮动车技术已成为一种新型的道路交通状态检测方法。GPS与GIS数据预处理是实现GPS浮动车技术的基础环节,可以为道路交通状态检测提供更可靠的数据源,并将直接影响道路交通状态检测的效率和准确率。因此,深入研究GPS与GIS数据预处理关键技术,对于基于GPS浮动车的道路交通状态检测具有重要意义。
论文在深入分析MapInfo格式电子地图、GPS原始数据和现有地图匹配算法基础上,针对本课题研究背景和应用需求,提出了GPS与GIS数据预处理方案。重点研究了电子地图预处理、GPS异常数据处理及地图匹配算法。
针对地图预处理阶段需要解决的核心问题,研究了地图处理关键技术:根据应用需求,设计了地图数据库,实现了空间数据与属性数据的关联;针对MapInfo格式电子地图不具备拓扑结构、路网不连通问题,提出了基于路网信息预处理的城市路网拓扑结构构建算法;研究了路段边线节点自动生成算法,满足新地图匹配算法和交通状态GIS动态显示对路段边线节点信息的需求。
在GPS数据预处理方面,针对车载GPS装置采集的GPS原始数据存在多种测量误差,给出了相应的预处理方法,能够有效地修补缺失数据和修复错误数据,提高了原始数据的可靠性;此外,鉴于本课题中地图匹配的目的、对象规模、速度和匹配率要求都有别于车辆导航地图匹配,本文提出了一种新的基于地图预处理的地图匹配算法,与现有导航地图匹配算法不同,它是一种点到面(区域)的地图匹配算法;同时,针对需要对双向道两个方向的车辆进行分类的问题,提出了车辆行驶方向判断方法。
最后,利用重庆市公交电子地图和公交车辆GPS实时定位数据,在VB6.0+MapX平台上对上述几项关键技术进行了实验。结果表明,基于路网信息预处理的城市路网拓扑结构构建算法的精度和效率较其它算法明显提高;路段边线节点自动生成算法简单有效;基于地图预处理的地图匹配算法和车辆行驶方向判断方法的效率高且精度满足路段平均速度估计的需求。
【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2008【分类号】：U495【目录】：
中文摘要4-5
英文摘要5-10
1 绪论10-17
1.1 研究背景10-11
1.1.1 城市交通的主要问题及解决途径10
1.1.2 基于浮动车的道路交通状态检测的意义10-11
1.2 国内外研究现状11-14
1.2.1 浮动车技术的研究现状11-12
1.2.2 数据预处理关键技术的研究现状12-14
1.3 课题的提出、研究目的意义及论文的研究内容14-17
1.3.1 课题的提出及研究目的和意义14-15
1.3.2 研究内容15-17
2 相关技术概述17-24
2.1 引言17
2.2 浮动车技术概述17
2.3 GIS的概述17-18
2.3.1 GIS的概念17
2.3.2 GIS的主要功能17-18
2.4 组件式GIS18
2.4.1 组件式GIS的特点18
2.4.2 GIS组件产品18
2.5 Mapx组件技术18-21
2.5.1 MapX的空间数据结构19-20
2.5.2 MapX组件的模型结构20
2.5.3 MapX的功能概述20-21
2.6 GPS定位技术21-22
2.6.1 GPS系统的组成21
2.6.2 GPS的定位原理及精度21-22
2.6.3 车辆GPS定位22
2.7 数据库技术22-23
2.8 本章小结23-24
3 GPS与GIS数据预处理问题分析及方案设计24-32
3.1 引言24
3.2 数据预处理概述24-26
3.3 地图预处理问题分析26-28
3.3.1 电子地图概述26
3.3.2 MapInfo电子地图数据存在的问题及预处理的必要性26-28
3.4 GPS数据存在的问题及预处理的必要性28-29
3.5 数据预处理方案设计29-31
3.6 本章小结31-32
4 地图数据库设计及地图预处理32-49
4.1 引言32
4.2 地图数据库设计32-37
4.2.1 GIS的数据类型32-33
4.2.2 MapInfo的数据结构33-35
4.2.3 系统空间数据库组织35-36
4.2.4 系统空间数据库的设计36
4.2.5 系统属性数据库的设计36-37
4.2.6 空间数据库与属性数据库关联37
4.3 地图预处理流程37-38
4.4 地图预处理关键技术38-48
4.4.1 路网拓扑结构构建算法38-44
4.4.2 路段边线节点自动生成算法44-47
4.4.3 直线段方向角计算方法47-48
4.5 本章小结48-49
5 GPS数据预处理49-68
5.1 引言49
5.2 GPS数据预处理流程49-50
5.3 GPS异常数据预处理方法50-55
5.3.1 缺失数据的识别50-51
5.3.2 错误数据的识别51-52
5.3.3 数据的修复52-55
5.4 地图匹配技术55-67
5.4.1 地图匹配的基本描述55-56
5.4.2 现有地图匹配算法分析56-58
5.4.3 基于地图预处理的地图匹配算法58-63
5.4.4 车辆行驶方向判断方法63-67
5.5 本章小结67-68
6 实验结果分析68-75
6.1 引言68
6.2 地图预处理结果分析68-72
6.2.1 路网拓扑结构构建实验结果分析68-70
6.2.2 路段边线节点自动生成实验结果70-72
6.3 地图匹配结果分析72-73
6.4 车辆行驶方向判断结果分析73-74
6.5 本章小结74-75
7 总结与展望75-76
参考文献77-80
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