雨衰对气象卫星接收信号影响的相关性研究

陈翔石艳军廖俊

摘要：雨衰是指电波进入雨层中引起的衰减。它包括雨粒吸收引起的衰减和雨粒散射引起的衰减。雨粒吸收引起的衰减是由于雨粒具有介质损耗引起的，雨粒散射引起的衰减是由于电波碰到雨粒时被雨粒反射而再反射引起的。雨衰的大小取决于雨滴直径和电磁波的波长，电磁波的波长和雨滴直径越接近，衰减越大。

关键词：雨衰；风云三号；ITU-R模型

引言：本文以经典雨衰ITU-R模型为基础，对星地链路的雨衰进行了研究，对雨中的卫星信号场强进行分析，得到了雨中的工作频率、接收天线角度、降雨强度之间的相关变化关系。基于卫星接收信号的强度并与已知的天气情况进行横向和纵向比较，找出其中的规律变化，在此基础上根据卫星接收信号的强弱变化规律反推当前的天气情况。分析表明我国的风云三号气象卫星用于信号传输的下行链路由L波段，信号受降雨等因素影响不大，一般可以不考虑，但对于X波段雨滴对电波信号的衰减比较大。

1雨衰产生的原理及影响

雨衰是指电波进入雨层引起的衰减。大气中的雨、雪、雾等水粒子的直径大小和电磁波工作波长在同一个数量级，极易散射微波中的能量，造成散射衰减。当电波投射到这些水粒子时，粒子内部的自由电子和束缚电荷将受到外界电场力的作用而强迫振动[1]。若水粒子的半径远小于电磁波的波长，则整个水粒子上的电磁场可视为均匀分布的，它可以看成是一个等效的电偶极子，它随外场频率振荡产生二次辐射，从而将投射到它上面去的一部分功率散射出去；另一方面，由于水粒子内部分子之间的相互作用产生阻尼效应，使一部分电磁波功率转化成热能而消耗掉，这就形成了对电波能量的吸收[3]。当信号的波长比雨滴大时，散射衰减起决定作用，当电磁波的波长比雨滴小时，吸收损耗起决定作用。无论是吸收或散射作用，其效果都使电波在传播方向遭受衰减。就雨、雪、雾对微波传播的影响来说，其中降雨引起的衰减最为严重。

2ITU-R雨衰预报模型

ITU-R降雨衰减预报模式，是以Fedi所提出的模式为基础，其核心是采用了“等效路径长度”的概念，即将降雨的非平均性进行均匀化而引进能起等效作用的缩短因子，使得缩短了的路径长度乘以单位路径衰减（衰减率）就正好是实际测量的降雨衰减[4]。

由此，推导出了等效路径长度上的雨衰衰减量。ITU-R模式不仅具有较高的预报准确度，同时也符合工程应用的习惯。

3雨衰对卫星接收信号的影响

降雨衰减对我国的风云三号的接收影响巨大，直接影响到卫星通信的质量。按照ITU-R雨衰预报模式，以我国的风云三号卫星在X频段内的接收结果表明[2]。在不同的时间降雨概率下（0.001%~1%）不同轨道位置的雨衰值的比较说明，接收天线的仰角对的影响会随着仰角的增大而减小。结果表明，天线接收仰角的大小影响了倾斜路径的长度，仰角越大，通过雨区的倾斜路径的长度就越短，降雨衰减值就越小；反之，仰角越小则降雨衰减值就越大。

按照ITU-R雨衰预报模式，影响降雨衰减值的另外一个重要因素就是频率，以我国的风云三号卫星在L频段和X频段接收的结果表明。在广州地区，不同时间概率下的雨衰值会随着工作频率f的增大而增大，究其主要原因是随着频率f的增大而波长越来越接近雨滴的尺寸，这样就增大了雨滴对电磁波的吸收和散射，最终导致了降雨衰减值的增大。

参考文献：

[1]闵士权.卫星通信的现状与发展（上）[J].电子世界.2004年第6期

[2]风云三号气象卫星地面应用系统总体介绍[G].总参谋部第五十七研究所，2008

[3]杨峰.雨衰卫星链路质量的一种优化估计算法.空军工程大学电讯工程学院，2002

[4]RexITU-RP.618-8,PropagationDataandPredictionMethodsRequiredfortheDesignofEarthSpaceTelecommunicationsSystems[S],2003

第一作者简介：陈翔(1978-)，男，汉，安徽宿州人，硕士，高级工程师，从事卫星通讯工作。