CN112632062A - 用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性建库方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性建库方法,解决了太赫兹信号大气传输失真补偿问题,该方法先由大气传输理论推导太赫兹频段气体吸收与相移系数计算公式。随后利用公式计算相同大气条件下,不同气体成分的太赫兹频段吸收与相移系数,确定主要贡献成分。接着,分析气象条件与大气成分参数之间的关系,确定数据库变量。最后,选取变量组合计算大气吸收与相移系数,建立数据库。本发明方法的优势在于:具有普适性,利用数据库匹配查找方法补偿失真信号,不受限于测量时的大气条件;通过匹配理论曲线与实测曲线可以实现大气条件参数反演,进而补偿失真信号。
Description
技术领域
本发明涉及大气传输特性计算与大气传输补偿领域,具体涉及一种用于信号失真补偿的 太赫兹频段大气传输特性数据库建库方法。
背景技术
太赫兹频段通常指频率0.1-10THz的频谱区间,与微波频段系统相比,太赫兹频段系统 可以采用的带宽更宽。因此,理论上而言,太赫兹无线通信系统的信道容量比现有通信系统 大得多,而太赫兹雷达成像系统则可以采用更宽的带宽生成高分辨率一维距离像。
然而,太赫兹信号更容易受到大气中气体分子及悬浮颗粒的影响,在经过大气传输后发 生幅度衰减与相位偏移现象,这些现象一方面限制了太赫兹系统的作用距离,另一方面引起 信号波形失真,导致通信误码率或探测虚警率的升高。因此,需要了解太赫兹频段的大气传 输特性,计算随频率变化的大气吸收系数与相位偏移系数,进而对大气传输后信号进行波形 失真补偿。
经过大气传输后的太赫兹脉冲,在频率域可以表示为:
E(f,l)=E(f,0)·exp[-α(f)l]·exp[iβ(f)l] (1)
式中,E表示太赫兹脉冲;f为频率;l为传输距离;i为虚数符号;α为大气吸收系数;β为 相位偏移系数。
由于大气条件多变,故在实际应用中很难准确获知大气的各项条件参数,因而在大气效 应补偿时,通常需要计算不同大气参数条件下的传输特性,建立大气传输特性数据库(又称 大气传输特性表格,参考文献[1]L.Guanter,R.Richter,and H.Kaufmann.On theApplication of the MODTRAN4 Atmospheric Radiative Transfer Code to OpticalRemote Sensing[J]. International Journal of Remote Sensing,2009,30(6):1407-1424.),通过数据库(或表格)检索 获取估计的大气条件参数及其对应的大气传输特性曲线。
与本发明相关的现有技术介绍如下:
1.1现有技术一的技术方案
采用LBLRTM(参见文献[2]S.A.Clough,M.W.Shephard,E.J.Mlawer,etal.Atmospheric Radiative Transfer Modeling:a Summary of the AER Codes[J].Journal of Quantitative Spectroscopy,2005,91:233-244.)、MODTRAN(参加文献[3]A.Berk,L.S.Bernstein,and D.C. Robertson.MODTRAN:A Moderate Resolution Modelfor LOWTRAN[D].AFGL-TR-87-0220, 1987.)等红外谱段大气辐射传输代码直接计算太赫兹频段的大气传输特性,并建立大气传输 特性数据库。
1.2现有技术一的缺点
红外谱段的大气辐射传输特性通常指路径透过率及路径辐射。由普朗克方程(参见文献 [4]R.A.Schowengerdt.Remote Sensing:Models and Methods for ImageProcessing[M].USA: Academic Press,2007.)可知,大气路径辐射在0.1-2THz的频谱区间内极弱,可以忽略不计。 由于多数太赫兹系统为相参系统,因而在计算大气传输特性时,不仅需要考虑路径透过率, 还需要考虑相位偏移。因此,利用现有大气辐射传输代码直接计算太赫兹频段的大气辐射传 输特性,不能准确描述大气传输特性对太赫兹信号的影响。
2.1现有技术的技术方案二
利用实测数据及曲线拟合方法计算太赫兹频段的大气衰减及相位偏移系数(参见文献[5] Y.Yong,M.Mandehgar,and D.R.Grischkowsky.Understanding THz PulsePropagation in the Atmosphere[J].IEEE Transactions on Terahertz Science andTechnology,2012,2(4):406-415.)。 理论而言可以通过测量不同大气条件下太赫兹频段的大气透过率与相移函数,建立大气传输 特性数据库。
2.2现有技术二的缺点
由于大气条件多变,实际测量时的大气条件与试验测试时的大气条件存在较大差别,因 而在建立数据库时变量参数的选取及赋值都较为困难。此外,由于数据库的变量组合方式很 多,针对每一种变量组合进行测量试验既消耗人力物力,又无必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为:结合大气传输理论与典型大气模型,快速且准确地计算 太赫兹频段的大气传输衰减与相位偏移系数,采用理论计算数据建立大气传输特性数据库。 本发明提出一种用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性建库方法。首先基于大气传输 理论推导太赫兹频段大气气体吸收系数与相移系数计算公式。随后利用推导所得公式计算相 同大气条件下,不同气体成分在太赫兹频段的吸收系数与相移系数,确定主要贡献成分。接 着,联系气象条件参数与大气成分参数,确定数据库变量参数。最后,选取不同的变量组合, 计算得到大气吸收系数与相移系数,建立大气传输特性数据库。
本发明采用的技术方案为:一种用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性建库方 法,包括如下步骤:
步骤1:基于大气传输理论推导太赫兹频段大气吸收系数与相移系数计算公式;
步骤2:利用所述公式计算典型大气条件下各类气体的贡献;
步骤3:选取主要贡献气体;
步骤4:根据参考大气模型设定气温与气压的取值;
步骤5:分析气温与气压对各类气体密度的影响;
步骤6:计算典型参数组合的大气吸收与相移系数,建立数据库;
步骤7:通过数据库查找估计大气传输特性,补偿信号失真。
其中,所述的步骤1基于大气传输理论推导太赫兹频段大气吸收系数与相移系数计算公 式具体包括:根据逐线积分理论,吸收系数可以通过累加每条吸收谱线的贡献求得,当不考 虑散射系数时,随频率变化的消光系数有表达式:
式中,M为总谱线数;Nm为第m条谱线所属粒子的数目;Sm为第m条谱线的强度,单位为 Hz/(molecule·cm-2);Fm为第m条谱线的线型函数,与谱线中心频率fm及谱线宽度Δfm有关;
随频率变化的相移系数计算式给出如下:
式中,gm为与分子谱线有关的函数。
其中,所述的步骤2至步骤3具体过程如下:由式(4)与式(17)可知,大气总的吸 收与相位偏移系数是各类气体分子贡献的总和,因此可以分别计算各类气体分子的贡献,此外,各类气体分子将影响特定谱段的大气传输特性,可以通过计算典型大气条件下,太赫兹频段各类气体分子对大气透过率与相位偏移的贡献,选取主要贡献气体,在建立太赫兹频段 大气传输特性数据库时,仅考虑主要贡献气体,进而减少计算中使用的谱线数,提高运算效 率。
其中,所述的步骤4具体包括:由于气体分子的谱线强度、线宽、密度信息与大气温度 及大气压强有关,且地球大气随海拔高度的增加而逐渐稀薄,对太赫兹频段信号传输的影响 减小;故将气温与气压选为数据库变量,并根据六类参考大气模型设定温度与气压取值。
其中,所述的步骤5具体包括:各类气体分子的密度随气温与气压变化。通过相对湿度 与饱和水蒸气含量定义大气中实际水蒸气密度,并利用参考大气中水蒸气密度与其它各类气 体分子密度的比值关系,得到各类气体分子的实际密度。
其中,所述的步骤6具体包括:对于太赫兹频段的大气传输特性而言,可以通过气温、 气压及相对湿度三个参数定义大气状态,建立大气传输特性数据库。
与现有用于太赫兹信号失真补偿的大气传输计算方法相比,本发明提出的太赫兹频段大 气传输特性建库方法具有以下优点:
(1)本发明方法具有普适性。参数选取方法使得数据库中包含了各类参考大气模型、 不同海拔高度的大气吸收与相位偏移系数。利用数据库匹配查找方法补偿失真信号,不受限 于测量时的大气条件,亦不需要知晓所有大气参数。
(2)可以实现大气条件参数反演。通过匹配单个散射中心、不同大气条件下的理论曲 线与实测曲线,可以估计大气条件参数,进而补偿失真信号。
附图说明
图1为用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性建库方法流程图;
图2为六类参考大气随海拔高度变化的气温廓线;
图3为六类参考大气随海拔高度变化的气压廓线;
图4为热带大气海拔高度5m处,传输距离6m时0.1-2.0THz频段水蒸气(H2O)的透过率与相位偏移曲线,其中,图4(a)为透过率曲线,图4(b)为相位偏移曲线;
图5为热带大气海拔高度5m处,传输距离6m时0.1-2.0THz频段氧气(O2)的透过率与相位偏移曲线,其中,图5(a)为透过率曲线,图5(b)为相位偏移曲线;
图6为气压1013mb,气温21℃,相对湿度51%、传输距离6.18m、0.1-2.0THz频段的大气传输特性,图6(a)为大气透过率,图6(b)为相位偏移;
图7为仿真得到的大气传输后雷达时域波形;
图8为不考虑大气传输时理想的一维距离像与大气补偿后的一维距离像。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明一种用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性数据库建库方法的框图如图1 所示,具体步骤如下:
步骤1:推导大气吸收与相移系数计算式。
太赫兹脉冲经过大气传输后,在频率域可以表示为:
E(f,l)=E(f,0)·exp[-α(f)l]·exp[iβ(f)l] (1)
式中,E表示太赫兹脉冲;f为频率;l为传输距离;i为虚数符号;α为幅度衰减系数;β为 相位偏移系数。
由式(1)可知,大气传输衰减的影响与太赫兹脉冲频率及传输距离有关。其中,大气 透过率通常用于描述信号功率的衰减程度,定义为:
τ(f)=exp[-ke(f)l] (2)
式中,τ为随频率变化的大气透过率;ke为随频率变化的消光系数。
考虑到幅度与功率为平方关系,故有:
α(f)=ke(f)/2 (3)
式(2)中的消光系数ke包含散射系数与吸收系数两部分。对于太赫兹频段信号,大气 分子及气溶胶的散射很弱,故本发明后续的讨论中仅考虑吸收系数的影响。
根据逐线积分理论,吸收系数可以通过累加每条吸收谱线的贡献求得。当不考虑散射系 数时,随频率变化的消光系数有表达式:
式中,M为总谱线数;Nm为第m条谱线所属粒子的数目;Sm为第m条谱线的强度,单位为 Hz/(molecule·cm-2);Fm为第m条谱线的线型函数,与谱线中心频率fm及谱线宽度Δfm有关。
式(4)中采用Van Vleck-Weisskopf(V-VW)线型函数(参见文献[6]C.H.Townesand A. L.Schawlow.Microwave Spectroscopy[M].New York:Dover,1975.),即:
由式(5)可知,当计算频点及谱线中心频率很高时,V-VW线型函数可近似为红外辐射计算中普遍使用的Lorentz线型(参见文献[7]L.S.Rothman,C.P.Rinsland,A.Goldman,et al. The HITRAN Molecular Spectroscopic Database and HAWKS(HITRANAtmospheric Workstation):1996Edition[J].Journal of Quantitative Spectroscopy&Radiative Transfer,1998, 60(5):665-710.)。
HITRAN数据库(参见文献[7])提供了大气中主要气体分子的吸收谱线数据,可用于计算 式(4)中的消光系数。HITRAN数据库中采用的单位为波数(cm-1),有转化关系:
式中,v为波数,单位为cm-1;vm为中心波数;c为光速,单位为cm/s。
将式(6)带入式(4)得到随波数变化的消光系数计算式。HITRAN数据库的具体使用方法可以参见文献[7]的附录,在此不再赘述。
第m条谱线所属粒子的数目Nm与大气条件有关,采用参考大气模型(参见文献[8]G.P. Anderson,J.H.Chetwynd,S.A.Clough,et al.AFGL Atmospheric ConstituentProfiles(0-120km) [R].AFGL-TR-86-0110,May,1986.)时有计算式:
Nm=pm·ρ (7)
式中,pm为该类气体分子在大气中所占的比重;ρ为大气密度,单位为molecule·cm-3。
大气密度随海拔高度及地域变化,可以通过测得的大气压强与大气绝对温度计算,即:
ρ=P/(KBT) (8)
式中,P为大气压强,单位为Pa;T为大气绝对温度,单位为K;KB为玻尔兹曼常数。
应当指出,式(8)所得的大气密度单位为molecule·m-3,故应用时需要考虑单位转换。
相位偏移系数β与介质的折射率有关,即:
式中,n(f)为传输介质的折射率。
折射率n与介电常数有关,即:
K(f)=n(f)2 (10)
式中,K为介电常数。
随频率变化的介电常数计算式给出如下(参见文献[6]):
式中,gm为与分子谱线有关的函数。
若采用V-VW线型,函数gm的定义为:
为便于分析,令:
X=n(f)-1 (13)
将式(13)代入式(10)则有:
K(f)=1+2X+X2 (14)
由于地球大气的折射率趋近于1,故式(14)等号右侧的X2远小于前两项,可以忽略不 计。联立式(11)与式(14)可解得X,即:
将式(13)与式(15)代入式(9),可以得到随频率变化的相位偏移系数,即:
注意到,当f=0时,与分子谱线有关的函数gm不为0。计算过程中认为频率零点的折 射率为1,故将式(16)修正为:
应当指出,通过单位转换,式(17)能够转换为随角频率变化的计算式。
步骤2:计算典型大气条件下各类气体的贡献。
由式(4)与式(17)可知,大气总的吸收与相位偏移系数是各类气体分子贡献的总和, 因此可以分别计算各类气体分子的贡献。对红外谱段大气传输特性的研究表明,地球大气的 主要成分是氮气、氧气、氩气及二氧化碳,但是,水蒸气、臭氧、一氧化碳、甲烷等微量气 体也会影响大气的传输特性。参考大气模型中给出了28种气体成分随高度变化的密度廓线, 这些气体的分子谱线信息可由HITRAN数据库(参见文献[7])提供,表1中列出了HITRAN 2012版本(参加文献[9]L.S.Rothman,I.E.Gordon,Y.Babikov,et al.TheHITRAN2012 Molecular Spectroscopic Database[J].Journal of QuantitativeSpectroscopy&Radiative Transfer, 2013,130(11):4-50.)中28种气体分子的化学式及谱线数。
表1 HITRAN 2012数据库中1-28号气体分子的化学式及谱线数信息表
尽管HITRAN 2012版本提供了47类气体分子的光谱谱线信息,然而,地球大气中29-47 号气体的含量很低,这些气体对于大气传输特性的影响很小。
步骤3:选取主要贡献气体。
由式(4)与式(17)可知,各类气体分子将影响特定谱段的大气传输特性。可以通过计算典型大气条件下,太赫兹频段各类气体分子对大气透过率与相位偏移的贡献,选取主要 贡献气体。在建立太赫兹频段大气传输特性数据库时,仅考虑主要贡献气体,进而减少计算 中使用的谱线数,提高运算效率。
步骤4:根据参考大气模型设定气温与气压的取值。
由参考文献[7]及式(8)可知,气体分子的谱线强度、线宽、密度等信息与大气温度及 大气压强有关。地球大气随海拔高度的增加而逐渐稀薄,对太赫兹频段信号传输的影响减小。 图2与图3分别给出了六类参考大气模型随海拔高度变化的气温与气压廓线。由图可知,若 仅考虑对流层与平流层大气(海拔高度60km以下),气温取值为200K至300K,气压取值 1018mb至0.2mb。
步骤5:分析气温与气压对各类气体密度的影响。
式(7)与式(8)定义了气温与气压对大气总密度的影响,然而,部分气体分子的占比 pm随气温与气压变化。以水蒸气为例,大气中的饱和水蒸气量是与气温有关的函数,表2中 列出了不同温度下的饱和水蒸气含量。定义相对湿度,用于描述实际水蒸气密度与饱和水蒸 气密度之间的关系,即:
式中,RH为相对湿度,取值在0到1之间;ρw为实际水蒸气密度;ρs为饱和水蒸气密度, 与气温有关,由查表获得。
表2不同温度下的饱和水蒸气含量记录表
因此,可以通过气温、气压及相对湿度三个参数定义大气状态:一方面由气温与气压得 到大气总密度,以及各组分间的比例关系;另一方面由气温与相对湿度得到水蒸气密度,并 利用比例关系得到各类气体分子的密度。
步骤6:计算典型参数组合的大气吸收与相移系数,建立数据库。
经过步骤3至步骤5的分析,选取气温、气压及相对湿度三个变量,设定参数的取值并 建立计算各参数组合对应的大气吸收与相移系数。计算过程中,仅采用主要贡献气体的谱线 信息,提高数据库生成效率。
步骤7:通过数据库查找估计大气传输特性,补偿信号失真。
仿真不同大气参数条件下独立散射中心的一维距离像,寻找与实测一维距离像匹配度最 高的仿真一维距离像,反演大气传输特性信息。利用反演得到的大气传输特性信息补偿信号 失真。
具体实施举例:
下面以建立0.1-2.0THz频段大气传输特性数据库为例,对本发明做进一步说明。
所述的步骤2:计算典型大气条件下各类气体的贡献。
选取热带大气模型海拔高度5m的大气参数,计算传输距离6m、0.1-2.0THz频段内各类 气体分子在的大气透过率与相位偏移,图4与图5分别给出了水蒸气(H2O)与氧气(O2)的透过率及相位偏移曲线。
所述的步骤3:选取主要贡献气体。
大气参数保持不变,传输距离增加至1km,统计各类气体分子在0.1-2THz频段内透过 率最小值及相位偏移最大值,其结果分别由表3与表4列出。由表可知,水蒸气是影响0.1-2THz频段大气传输特性的最主要气体,其次是氧气,接着是臭氧、一氧化碳等气体,多数气体对该频段的大气传输特性几乎没有影响。
表3热带大气海拔高度5m处,传输距离1km时各类气体分子0.1-2.0THz频段透过率最小值统计表
表4热带大气海拔高度5m处,传输距离1km时各类气体分子0.1-2.0THz频段相位偏移最大值统计表
选取水蒸气(H2O)、二氧化碳(CO2)、臭氧(O3)、一氧化二氮(N2O)、一氧化碳(CO)、氧气(O2)、氨气(NH3)、盐酸(HCl)、甲醛(H2CO)及氰化氢(HCN)十类气体分子, 计算气压1013mb,气温21℃,相对湿度51%、传输距离6.18m(计算参数随意选取)的大 气透过率与相位偏移,结果如图6所示。
如图6所示,由选取气体成分计算得到的大气传输特性与采用全部气体成分计算所得曲 线基本重合。通过定量分析可知透过率的最大偏差值为1.17×10-6,相位偏移的最大偏差值 为6.87×10-7。采用选取气体成分计算所需时间约为2s,而采用全部气体成分计算所需时间 约为14s。由此可见,通过选取主要贡献气体可以大大提升运算效率。
所述的步骤4:根据参考大气模型设定气温与气压的取值。
根据图2与图3,设定气温范围为-20℃至40℃,间隔2℃;气压范围为0.1至1.1个标准大气压(1个标准大气压为1013mb),间隔0.1个标准大气压。
所述的步骤5:分析气温与气压对各类气体密度的影响。
水蒸气密度可以根据饱和水蒸气含量及相对湿度计算,设定相对湿度范围为0.1至1, 间隔0.1,由此计算各温度条件下的水蒸气密度,进而确定各大气气体组分密度。
所述的步骤6:计算典型参数组合的大气吸收与相移系数,建立数据库。
根据步骤4与步骤5中设定的参数组合,计算各组参数对应的大气消光系数与相位偏移 系数,形成以气温、气压及相对湿度为变量的太赫兹频段大气传输特性数据库。
所述的步骤7:通过数据库查找估计大气传输特性,补偿信号失真。
利用建立的数据库仿真经大气传输后的波形信号,并与实际的回波信号匹配,可以反演 大气条件参数,并补偿波形失真。图7中给出了为经过大气传输后的雷达时域波形,受大气 传输特性的影响,散射中心偏离实际位置,且附近出现高旁瓣。图8所示为理想与补偿后的 一维距离像,两者非常接近但存在细微差别。
本发明还可以采用的替代方案同样能完成发明目的:大气吸收与相移系数计算过程中 (步骤1)可以使用V-VW线型以外的线型函数,例如Lorentz线型等;计算各类气体贡献时(步骤2)可以采用HITRAN数据以外的分子谱线信息数据库,如JPL分子谱线信息数据 库等;而设定参数(步骤4与步骤5)时可以采用除六类参考大气模型以外的大气成分垂直 廓线。
Claims (6)
1.一种用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性建库方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤1:基于大气传输理论推导太赫兹频段大气吸收系数与相移系数计算公式;
步骤2:利用所述公式计算典型大气条件下各类气体的贡献;
步骤3:选取主要贡献气体;
步骤4:根据参考大气模型设定气温与气压的取值;
步骤5:分析气温与气压对各类气体密度的影响;
步骤6:计算典型参数组合的大气吸收与相移系数,建立数据库;
步骤7:通过数据库查找估计大气传输特性,补偿信号失真。
3.根据权利要求2所述的用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性建库方法,其特征在于:所述的步骤2至步骤3具体过程为:由式(4)与式(17)可知,大气总的吸收与相位偏移系数是各类气体分子贡献的总和,因此可以分别计算各类气体分子的贡献,此外,各类气体分子将影响特定谱段的大气传输特性,可以通过计算典型大气条件下,太赫兹频段各类气体分子对大气透过率与相位偏移的贡献,选取主要贡献气体,在建立太赫兹频段大气传输特性数据库时,仅考虑主要贡献气体,进而减少计算中使用的谱线数,提高运算效率。
4.根据权利要求3所述的用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性建库方法,其特征在于:所述的步骤4具体包括:由于气体分子的谱线强度、线宽、密度信息与大气温度及大气压强有关,且地球大气随海拔高度的增加而逐渐稀薄,对太赫兹频段信号传输的影响减小;故将气温与气压选为数据库变量,并根据六类参考大气模型设定温度与气压取值。
5.根据权利要求4所述的用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性建库方法,其特征在于:所述的步骤5具体包括:各类气体分子的密度随气温与气压变化,通过相对湿度与饱和水蒸气含量定义大气中实际水蒸气密度,并利用参考大气中水蒸气密度与其它各类气体分子密度的比值关系,得到各类气体分子的实际密度。
6.根据权利要求5所述的用于信号失真补偿的太赫兹频段大气传输特性建库方法,其特征在于:所述的步骤6具体包括:对于太赫兹频段的大气传输特性而言,可以通过气温、气压及相对湿度三个参数定义大气状态,建立大气传输特性数据库。
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