预测复杂环境下电波传播特性的算法研究

【摘要】： 随着高频电磁波技术的迅猛发展,复杂环境下的电波传播特性预测已经成为一个重要的研究课题。在构建诸如雷达预警、电子战和指挥自动化等诸多军事无线电系统时,准确的战场电磁环境数据是不可或缺的重要内容。在合理规划和优化现代移动通信网络时,城市小区电波传播特性是非常重要的参考依据。 在已有的电波传播预测模型中,基于射线跟踪方法的诸多模型不能同时处理不规则地形和复杂大气结构对电波传播的影响,因而无法准确预测复杂环境下的电波传播特性,而从波动方程推导出的抛物方程(PE)模型则能克服这个缺点,是目前预测对流层电波传播问题最为准确的模型,因此,本文主要基于PE方法,深入研究了预测对流层大尺度电波传播特性的二维抛物方程(2DPE)模型和预测城市小区电波传播特性的三维抛物方程(3DPE)模型。 在构建2DPE模型时,通过对现有多个PE模型的比较,确立了一种可以通过分步傅立叶变换(SSFT)算法求解的宽角抛物方程(WAPE),详细分析了WAPE本身和SSFT算法给预测结果带来的误差,提出了减小误差的方法;为获得WAPE的初始场分布,提出了WAPE在二维无界空间的格林函数和求解WAPE初始场的格林函数法,与目前计算PE初始场的常用方法相比,本文的方法不但精度更高而且具有通用性;深入研究并实现了阻抗边界条件下SSFT算法的高效形式——离散混合傅立叶变换(DMFT),纠正了文献中关于DMFT公式的错误。 在应用WAPE模型预测对流层大尺度电波传播问题时,通过对现有多个不规则地形模型的比较,确立了一种目前最为精确的地形模型,详细阐述了在此地形模型下,WAPE模型预测不规则地形上电波传播特性的方法;阐述了对流层复杂大气结构对电波传播的影响,深入研究了WAPE模型处理复杂大气结构的方法和实现步骤;详细阐述了从数字地图中抽取地球大圆上二维地形剖面的方法,建立了基于数字地图的WAPE模型。 为预测城市小区内的电波传播衰减特性,本文建立了以电磁场位函数表现的宽角矢量3DPE模型,与以往的以场分量表达的矢量3DPE模型相比,本文的3DPE模型形式简单,求解速度快;为快速求解3DPE,本文提出了一种高效的SSFT算法——场的奇偶分解法;深入研究了平地面上单个损耗建筑分布时,在不同的电波入射条件下,3DPE模型处理建筑垂直面边界条件的方法:对于垂直入射情况,提出了以前向差分结合傅立叶变换(FD-FT)的方法计算边界面上的场分布;对于斜入射情况,采用二维傅立叶级数展开法计算边界上的场分布,给出了本文基于场的奇偶分解法的计算公式,修正了文献中关于傅立叶级数计算公式的错误。在此基础上,本文最后用3DPE模型计算了多个建筑分布时的电波传播衰减特性,取得了很好的计算结果。