带电沙粒的散射场及其对电磁波传播的影响

发布日期：2017-07-03 来源：中国知网 作者：何琴淑周又和郑晓静 浏览次数：327

基于Rayleigh 粒子散射场理论, 通过求解带电球形粒子的电磁波散射场, 得到不同能见度情况下沙尘暴对电磁波传播的影响. 由于考虑了沙尘暴中沙粒带电因素, 能在一定情况下使得所预测的沙尘暴对无线电波的衰减值大大提高并有可能与实验测试结果相一致. 结果还表明: 当沙粒表面全部均匀带电时,所得的带电沙粒对电磁波衰减的影响与不带电的沙粒一样. 由此证实: 沙粒带电是以表面部分区域带电的方式存在的。

由于风沙运动和沙尘暴导致的对电磁波信号影响的研究一直是人们关注的一个重要课题. 对沙尘暴发生与移动路径的遥感监测、沙漠腹地的无线通讯与广播电视信号的有效传送以及利用激光对的粒子速度的测量等, 都与沙粒介质对光或电磁波信号的散射密切相关。
人们很早就注意到沙尘对电磁波的影响. 据Bashir 和McEwan 的综述介绍:早在1941 年, Ryde 就通过把沙粒视为半径为1~25 μm的石英小球, 在估计了悬移沙粒的质量密度后, 计算了沙粒对雷达的折射率. 随后, 大量研究表明: 沙尘暴中沙粒的浓度和沙粒的介电常数以及所发射的无线电波的频率都直接影响电磁波的衰减. 如: Ahmed[3]通过测量沙粒的介电常数, 估算了当沙粒浓度为10 g/m3情况时10 GHz 电磁波的衰减为0.1 dB/km; 而当沙粒浓度为106 颗/m3, 介电常数为3.7 + 1.0j 时9.4 GHz 电磁波的衰减为10−3 dB/km[2]. 由于沙尘暴的强弱在气象学中通常采用能见度来衡量(例如将能见度小于50 m 的沙尘现象定义为强沙尘暴), 因此人们通过建立沙尘暴能见度与沙粒浓度的经验关系, 又分析了给定能见度时的不同粒径情形下的电磁波的衰减, 发现电磁波的衰减还与沙粒的粒径成正比[4]. 文献[5]也得出卫星通信中由于尘暴导致的衰减与信号的频率和最大粒径有关的结论. 然而, Ghobrial1)在给出沙粒浓度随粒径的变化规律后, 通过计算沙粒对电磁波的折射率, 进而得到其衰减系数, 预测得到电磁波在沙粒浓度约为108 颗/m3 的沙尘暴中的衰减仅为1 dB/km. Haddad[6]等人采用类似方法也得到:9.4 GHz 的电磁波在能见度为10 m 的强沙尘暴中的衰减为1 dB/km. 由这些理论分析所得到的结果似乎看不出沙尘暴对无线电波的明显影响。
本文认为: 在已有沙尘导致电磁波衰减的影响因素中, 应该考虑沙尘所带电荷这一因素. 已有观测和理论分析表明[9~11]: 风沙流中的沙粒是带有电荷的, 且沙粒的带电与由此形成的风沙电场对沙粒的跃移运动有明显影响. 最新研究表明[12]: 火星上的沙尘暴远强于地球并伴有放电现象. 为此, 本文通过将沙尘粒子考虑为表面局部带电的球形粒子, 基于Rayleigh 的粒子散射场理论, 给出单个球形带电粒子内部场的基本方程和散射解的解析表达式. 在利用已有的沙粒浓度与能见度的关系后, 给出预测沙尘暴对电磁波衰减的解析公式. 在一定的沙粒带电的面电荷密度情况下, 由此得到的理论预测值能够与Haddad 的实验结果[6] 吻合.本文的研究结果不仅表明: 沙粒带电对电磁波衰减的影响是存在的, 重要的, 而且清楚地给出了带电沙粒对电磁波的衰减随沙粒所带电荷的分布区域、带电量、外加电场强度以及入射波频率、沙粒粒径和能见度的变化规律.

更多详细内容请见附件