帶電沙粒的散射場及其對電磁波傳播的影響

發布日期：2017-07-03 來源：中國知網 作者：何琴淑周又和鄭曉靜 瀏覽次數：474

基于Rayleigh 粒子散射場理論, 通過求解帶電球形粒子的電磁波散射場, 得到不同能見度情況下沙塵暴對電磁波傳播的影響. 由于考慮了沙塵暴中沙粒帶電因素, 能在一定情況下使得所預測的沙塵暴對無線電波的衰減值大大提高并有可能與實驗測試結果相一致. 結果還表明: 當沙粒表面全部均勻帶電時,所得的帶電沙粒對電磁波衰減的影響與不帶電的沙粒一樣. 由此證實: 沙粒帶電是以表面部分區域帶電的方式存在的。

由于風沙運動和沙塵暴導致的對電磁波信號影響的研究一直是人們關注的一個重要課題. 對沙塵暴發生與移動路徑的遙感監測、沙漠腹地的無線通訊與廣播電視信號的有效傳送以及利用激光對的粒子速度的測量等, 都與沙粒介質對光或電磁波信號的散射密切相關。
人們很早就注意到沙塵對電磁波的影響. 據Bashir 和McEwan 的綜述介紹:早在1941 年, Ryde 就通過把沙粒視為半徑為1~25 μm的石英小球, 在估計了懸移沙粒的質量密度后, 計算了沙粒對雷達的折射率. 隨后, 大量研究表明: 沙塵暴中沙粒的濃度和沙粒的介電常數以及所發射的無線電波的頻率都直接影響電磁波的衰減. 如: Ahmed[3]通過測量沙粒的介電常數, 估算了當沙粒濃度為10 g/m3情況時10 GHz 電磁波的衰減為0.1 dB/km; 而當沙粒濃度為106 顆/m3, 介電常數為3.7 + 1.0j 時9.4 GHz 電磁波的衰減為10−3 dB/km[2]. 由于沙塵暴的強弱在氣象學中通常采用能見度來衡量(例如將能見度小于50 m 的沙塵現象定義為強沙塵暴), 因此人們通過建立沙塵暴能見度與沙粒濃度的經驗關系, 又分析了給定能見度時的不同粒徑情形下的電磁波的衰減, 發現電磁波的衰減還與沙粒的粒徑成正比[4]. 文獻[5]也得出衛星通信中由于塵暴導致的衰減與信號的頻率和最大粒徑有關的結論. 然而, Ghobrial1)在給出沙粒濃度隨粒徑的變化規律后, 通過計算沙粒對電磁波的折射率, 進而得到其衰減系數, 預測得到電磁波在沙粒濃度約為108 顆/m3 的沙塵暴中的衰減僅為1 dB/km. Haddad[6]等人采用類似方法也得到:9.4 GHz 的電磁波在能見度為10 m 的強沙塵暴中的衰減為1 dB/km. 由這些理論分析所得到的結果似乎看不出沙塵暴對無線電波的明顯影響。
本文認為: 在已有沙塵導致電磁波衰減的影響因素中, 應該考慮沙塵所帶電荷這一因素. 已有觀測和理論分析表明[9~11]: 風沙流中的沙粒是帶有電荷的, 且沙粒的帶電與由此形成的風沙電場對沙粒的躍移運動有明顯影響. 最新研究表明[12]: 火星上的沙塵暴遠強于地球并伴有放電現象. 為此, 本文通過將沙塵粒子考慮為表面局部帶電的球形粒子, 基于Rayleigh 的粒子散射場理論, 給出單個球形帶電粒子內部場的基本方程和散射解的解析表達式. 在利用已有的沙粒濃度與能見度的關系后, 給出預測沙塵暴對電磁波衰減的解析公式. 在一定的沙粒帶電的面電荷密度情況下, 由此得到的理論預測值能夠與Haddad 的實驗結果[6] 吻合.本文的研究結果不僅表明: 沙粒帶電對電磁波衰減的影響是存在的, 重要的, 而且清楚地給出了帶電沙粒對電磁波的衰減隨沙粒所帶電荷的分布區域、帶電量、外加電場強度以及入射波頻率、沙粒粒徑和能見度的變化規律.

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