衰减特性（精选7篇）
衰减特性 篇1
1 光 纤
光纤是由折射率极高的纤芯和包围在纤芯外面的折射率较低的包层所组成的光的传播媒介,一般为单层或多层的同心圆柱体,为轴对称结构[1]。
纤芯用来导光,包层保证光全反射只发生在纤芯内,塑料护套的作用为进一步确保光纤的机械和传输性能。在实际应用中,光的传输特性会受到光纤自身衰减特性的影响。
2 光纤的衰减特性
光波在光纤中传输时,光功率随着传输距离的增加而减少,这种减少称为光纤的衰减,可用下式定义:
式中,P(L)为传输到轴向距离L时的光功率;P(0)为在L=0处注入光纤的光功率;α为衰减系数,单位为dB/km;L为距离,单位为mm。
当光纤损耗均匀时,其损耗常用衰减系数可用α(λ)来表示:
式中,α(λ)为在波长为 时的光纤衰减系数。
常用的石英玻璃系列单模纤维的衰减系数在1310nm波长处约为0.35dB/km,在1550nm处波长约为0.20dB/km。
引起光纤的衰减的原因很多,主要可以从光纤本身的材料结构和成纤后的使用性能两方面考虑,现归纳于表1中[2]。
3 光纤衰减特性测量
测量方法一般分为两级:基准测试方法(RTM)和代用测试方法(ATM)[3]。二者都可用于产品的检验和工程的测量。如果测量结果出现差异,应以基准测试法为准。为确保测量方法的准确性,测量应符合下列要求:(1)测量仪表应经过计量检验,保证有良好的使用状态、必要的精确度和稳定度;(2)应在以下环境条件下测量:温度为15℃～35℃、相对湿度为45%～75%、气压为36～106kPa;(3)被测量端面应符合要求;(4)被测量光纤应消除振动和灰尘的影响,测试期间光纤的弯曲半径应足够大;光源侧光纤应保持稳定不变换。
无论是多模光纤还是单模光纤,测量特性参数时,都必须将光耦合或注入到光纤。光纤注入端附近,因传导模、漏模和辐射模并存,使得模式分布不均匀,从而造成测量不准确且无重复性。为此,必须采用适当的光注入系统,保证注入光满足一定的注射条件。注入光必须达到“稳态模分布”才能使光纤的衰减和带宽重现确定值。单模光纤应能激励起基模并在测量期间保持稳定。
多模光纤建立近似稳态模分布注入条件的激励方法有满注入和限制注入。满注入就是要激励起所有传导模,因此也成为全激励注入。限制注入就是限制激励起的传导模,抑制掉一部分高次传导模。测量光纤的不同特性参数时,必须采用不同的注入方式。例如光纤损耗特性时必须采用限制注入方式。多模光纤无论是满注入还是限制注入,一般采用两种注入方式:(1)稳态模式分布模拟装置;(2)具有足够长度的注入光纤系统。
单模光纤只传播基模,不存在稳态分布问题,因此单模光纤的注入条件一般只需在光源注入段将光纤打一个圈或者用1～2m单模光纤激励起基模。为了提高测试精度,也可在模激励器后加一滤模器和包层模剥除器。
光纤衰减是表示光信号在光纤中传输时能量损耗的一个重要传输参数。该参数对光纤质量评价和光信号再生中继距离起决定作用。ITU—T建议光纤衰减的基准测试方法是剪断法。单模光纤第一替代法是向后散射法,第二替代法是插入损耗法。多模光纤第一替代法是插入损耗法,第二替代法是向后散射法。
3.1 剪断法
剪断法是根据光纤衰减定义建立的测试方法。在稳定注入条件下,首先测量光纤的输出光功率P2(λ),如图1(a)所示。然后保证注入条件不变,在离注入段约2m处剪断光纤,测量此段光纤输出的光功率P1(λ),如图1(b)所示[4]。
由于2m光纤的衰减很小,可以忽略不计,因此P1(λ)就是被测光纤的始端注入光功率,被测量光纤的衰减可以按下式计算:
从2m处剪断光纤测量此段光纤的光功率时,可以在2m处端头制作一活动接头,接上光功率计,测量此段光纤的光功率。受操作人员水平或连接器件质量的影响,不同的光功率计在不同插拔条件下获得的光功率不稳定,差值可达几分贝,这样势必影响测试精度。因此,在两次光功率测试过程中,光功率计前段的活动连接器应保持不动。此时为了测得2m左右短光纤接受的光功率,光源输出尾纤与光功率计尾纤应用接头连接,如图2所示[5]。
由于在光源和光功率计之间增加了一个接头,同样增大了P1(λ)的不准确性,从而影响了光纤衰减的测量精度。
3.2 插入法
插入法和剪断法的不同之处在于,插入法用带活动接头的连接软线代短光纤进行参考测量。插入法测量过程如下:
首先将注入系统的光纤与接收系统的光纤相连,测出功率P1(λ),如图3(a)所示。然后将待测光纤连接到注入系统和接受系统之间,测出光功率P2(λ),如图3(b)所示[6]。
被测光纤的总衰减可以通过下式计算:
式中c0、c1、c2分别是连接器0、1、2的标称平均耗损值(dB)。此方法同样受到操作水平和连接器质量的影响,即使进行多次重复测试平均值,最大误差可达几分贝。
3.3 后向散射法
后向散射法是通过光时域反射仪OTDR不间断光纤来测量光纤的衰减方法,此法测试重复性和精确度差[7]。采用向后散射法测试某段光纤衰减,通常应对光纤分别进行双向测试,然后取平均值作为被测光纤的衰减,如图4所示。
后向散射法可以测量光纤的全程总衰减,也可以用来检查中继段光纤全程的光学连续性,测试光纤在任何两点间的衰减和光纤接头损耗及光纤故障定位点[8]。后向散射法是光缆施工和维护中经常使用的一种测试手段,但是后向散射法测试光纤衰减也有不足之处,主要是测试结果受光纤均匀性和光纤衰减系数影响,还与操作者对OTDR的游标的正确定位密切相关。
4 总结语
光纤不仅应用于通信主干线中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工业检测、控制,而且在军事领域中的用途也越来越广泛。随着光纤及光纤技术的不断发展及在应用需求的持续推动下,光纤在通信光缆线路工程的设计中的应用更加的深入,甚至在其他行业的应用也有新的突破。
摘要：随着现代通信的发展,光纤技术的发展异常的迅速,目前光纤通信已成为信息高速公路的传输平台。光纤的许多特性与线路工程设计密切相关,其中损耗是系统设计特别需要考虑的特性,而对光纤特性的测量可为设计光纤系统时提供所需要的数据,也可为光纤的铺设与修复提供帮助。因此,我们有必要对光纤的衰减特性及其测量进行深入、全面的学习,以便更好的利用光纤、设计光纤系统和线路工程,发展和利用光纤技术。
关键词：光纤,损耗,衰减特性,测量
参考文献
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衰减特性 篇2
钽激光等离子体的自电离和辐射衰减特性
在自旋轨道劈裂阵模型下,考虑组态间的耦合,计算出类铜钽激光等离子体的跃迁组态的波长和对应的波数,通过组态平均分析了其自电离与辐射跃迁特性,得出相关的自电离系数和辐射衰减系数,这些参数为分析高离化钽激光等离子体的.双电子复合过程提供了重要的理论依据.
作 者：焦荣珍 冯晨旭 张茹 JIAO Rong-zhen FENG Chen-xu ZHANG Ru 作者单位：北京邮电大学理学院,北京,100876刊 名：原子与分子物理学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS年，卷(期)：24(6)分类号：O562.4关键词：自电离 辐射衰减 autoionization radiative decay
衰减特性 篇3
激光技术的飞速发展使其在军事及民生上得到广泛应用, 其中各种激光武器的应用与激光的大气传输特性息息相关。为此, 人们对激光大气衰减特性进行了大量的研究。在工程应用中通常依赖于经验公式对激光大气衰减系数进行估算[1,2], 这是一种比较简捷的方法, 也查阅一些权威的参考资料来获得常用激光波长和典型大气模式下的激光大气衰减系数[3], 但是这些数据是相当粗糙的, 无法满足激光武器的精度要求。由于影响1.06µm激光大气传输特性的主要是大气中的气溶胶, 而气溶胶的复杂性决定了不同地域、天气情况下激光传输特性的各不相同, 因此, 要比较可靠、精确地计算实际的激光大气衰减特性依然存在困难。
目前使用较多的辐射传输模式有FAS-COD, HITRAN, MODTRAN等[4,5,6], 在气溶胶模块处理方面都与美国空军地球物理所研究的LOWTRAN辐射模式相同, 最高版本LOWTRAN7模式在我国也有较多的用户。为了检验其中气溶胶模块的地域性差异, 文献[7]把在北京地区观测到的各种能见度下年平均气溶胶光学厚度与LOWTRAN7中城市气溶胶模式相同能见度下的光学厚度进行比较, 比较结果表明, 在低能见度下LOWTRAN的估值偏高约40%, 高能见度下偏低大约35%[7]。由此可见, 在实际应用中仍需与气溶胶的实际情况相结合, 掌握气溶胶在不同地区的特性, 不可完全依赖于经验的数据、模式等。
本文针对气溶胶的复杂性, 通过实验实测得到绥中地区不同天气类型、不同能见度下的1.06µm激光大气衰减系数, 分析了该地区气溶胶粒子数密度与能见度之间的函数关系, 以期该方法可以有效的将理论计算与实际气溶胶情况相结合, 为精确计算激光大气衰减数据提供依据。
1 1.06µm激光大气衰减系数与气溶胶的数学关系
对1.06µm激光波长来说, 几乎不存在分子吸收, 分子散射也比气溶胶衰减约小1~2个数量级, 主要的衰减是气溶胶的散射和吸收[8], 得到1.06µm激光大气衰减系数为[9]
式中:N (r) 为气溶胶粒径数密度谱分布, n为气溶胶折射率, r为气溶胶粒径, λ为激光波长。由上式可知, 计算某一地区某种天气情况下的激光大气传输衰减系数, 关键在于得到该种情况下较为准确的气溶胶粒径数密度谱分布。
典型的陆地气溶胶粒径数密度谱分布函数为[8]
式中:N总为气溶胶粒子数密度, 即全部尺寸范围的积分等于气溶胶总数密度, A=0.883×103, ν在清洁的大气中约为4, 而在污浊的大气中其值下降为2.5, 通常取为3。气溶胶大气模型晴朗和阴云条件下的垂直分布提供了MV=5km时, N总=13780 (微粒/cm3) ;MV=23km时, N总=2828 (微粒/cm3) 的数据[9]。
当相对湿度RH>70%时, 对粒子大小进行如下修正, 即r′=r F:
将式 (2) 代入式 (1) 中得到1.06µm激光大气衰减系数为
将气溶胶粒子数密度代入式 (4) 中即可计算得到1.06µm激光的大气消光系数。
气溶胶粒子的数密度和质量浓度随时间和地点的变化较大, 例如, 在海洋上空大粒子和巨粒子的数密度有时仅为1个/cm3左右, 而在工业区个别则可高达105个/cm3, 霾粒子的浓度通常为10~103个/cm3[10]。因此, 仅仅依据资料提供的气溶胶分布模型数据计算不同地区、不同天气情况下的激光消光系数是不够精确的。
2 1.06µm激光大气衰减实验及结果分析
为了得到精确的1.06µm激光大气消光系数, 明确气溶胶粒子数总浓度对1.06µm激光消光系数的影响, 作者在绥中地区8月、9月选取当地常见的很晴朗、明朗、轻雾几种典型天气进行1.06µm激光大气衰减实验。
2.1 1.06µm激光大气衰减实验原理
实验利用1.06µm激光目标指示器作为激光光源, BGS6321激光能量计1套进行接收, 光源发散角1mrad, 出射光斑直径20 mm, 能量计接收面直径25 mm。选择通视条件很好的地点, 分别将两设备放置在一定距离远的两个水平位置处, 发射光源并读取能量计读数, 选择在不同能见度天气下进行重复实验。并通过多次测量的方法确定光源的出射光能量, 降低实验误差, 大气能见度、湿度数据均来自于机场气象雷达的实时测量数据。
依据实验原理, 大气透过率表达式为
利用大气透过率数据可根据式 (6) 计算得到大气1.06µm激光消光系数
式中:tP为激光器输出能量, rP为激光能量计接收到的能量, S为能量计接收面积, L为光束传输距离, α为激光束发散角, D为出射光源直径;
部分实验数据如表1所示, 将实验数据代入式 (5) 、式 (6) 计算得到绥中地区不同能见度下的1.06µm激光大气衰减系数, 并示于表1。
2.2 实验误差分析
在实验中, 为了减小误差提高实验精度, 采取了一系列措施。
1) 发射光源时, 为避免手动操作仪器引起人为的瞄准误差, 采用了遥控触发方法发射光源;
2) 实验地点通视效果好, 且周围除地面杂草外没有任何物体可对激光束产生多次反射;
3) 实验获取的气象参数来源于气象雷达的实时测量, 数据精确度高;
实验中仪器不稳定、天气状况不够良好等因素, 对实验数据造成了一定的误差。
1) 激光能量计测量能量的不确定度为±5%±1范围;
2) 实验时伴随的大气弱湍流对激光束质量产生了一定的影响。
激光大气湍流效应表现为激光光束截面内的光强闪烁, 光束的弯曲和漂移、光束的扩展和畸变以及空间相干性退化等[8]。
扩展效应用光束有效直径deff度量, 根据式 (7) 计算得到不同实验情况下的扩展半径数据, 如表2所示。
表2中, 分别显示了每次实验激光束的扩展半径及光斑直径, 将两组数据进行比较, 不难发现扩展半径要远远小于光斑直径, 因此, 弱湍流的扩展效应对实验的影响可忽略。
漂移效应用光斑重心的漂移方差σd2度量, 如下式所示:
实际大气中漂移角一般为30µrad, 湍流强烈或传输距离长时会出现饱和效应, 饱和值为50µrad。而激光束一般要比此宽10~100倍, 因此对大部分应用而言, 漂移的影响不大, 尤其是在弱湍流情况下。
大气闪烁效应可用对数光强起伏方差表示:
将实验数据代入上式计算得到对数方差波长与传输距离乘积的均方根值如表3所示。
表3中, 分别给出了光强对数值及波长与传输距离乘积的均方根值λL, 比较两组数值可知:光强对数方差要远小于均方根植, 且由于实验采用的接收能量计口径数值2倍于λL, 即真实存在的光强起伏方差要小于计算所得方差的1/5。因此, 大气闪烁效应对实验的影响可忽略。
根据弱湍流效应的理论计算结果可得到结论:弱湍流对实验数据产生的影响可忽略不计。
2.3 实验结果分析
图1中给出了两条曲线, 其中实线为根据实验数据绘制的1.06µm激光大气消光系数与能见度的关系曲线, 虚线为依据资料提供的气溶胶粒子数密度计算得到的1.06µm激光消光系数与能见度的关系曲线。
比较两条曲线发现:绥中地区实际的激光大气消光数据要远大于依据资料数据计算得到的激光大气消光系数, 表明气溶胶模式提供的粒子数密度与绥中地区真实的气溶胶情况并不一致, 验证了气溶胶粒子数密度与地域密切相关的特点, 由此可知, 仅依赖于典型气溶胶模式是无法计算得到精确可靠的激光大气消光数据的。
由式 (4) 可以得到气溶胶粒子数密度与1.06µm激光大气消光系数的关系如下式所示:
根据实验所得消光系数数据及天气情况, 可根据式 (10) 计算得到绥中地区不同能见度下的气溶胶粒子数密度, 如表4所示, 并绘制关系曲线图2。
表4中的数据显示:随着能见度的降低气溶胶粒子数密度逐渐增大。又由图2可以发现:能见度与气溶胶粒子数密度呈一定的函数关系。由于限制能见度的主要因素不是大气分子而是大气气溶胶, 所以把能见度和气溶胶衰减联系起来是很自然的, 因此, 可以建立能见度与气溶胶数密度的函数, 利用能见度来表达气溶胶的粒子数。
根据图2分析能见度与气溶胶粒子数密度的数学关系, 并利用Matlab曲线拟合工具拟合得到绥中地区不同能见度下的气溶胶粒子数密度, 拟合后的曲线如图3所示, 函数关系式如下式所示:
将式 (11) 代入式 (4) 中, 即可根据能见度数据计算得到绥中地区夏季晴朗、轻雾两种不同天气类型下的1.06µm激光的大气传输特性。
3 结论
文章通过实验的方式分析了气溶胶大气模型分布数据与实际地域气溶胶情况的一致性差异, 验证了气溶胶随地域、季节变化的特点, 并根据实验数据建立了绥中地区8、9月份晴朗、轻雾天气情况下能见度与气溶胶粒子数密度的函数关系, 为该地区激光设备的工程应用提供了较为精确的理论计算依据。
就工程应用而言, 用大气能见度来估算大气气溶胶衰减更为方便实用, 特别对于晴朗、霾、雾天气, 此法更为有效。因此, 建立各个地区不同天气情况下的气溶胶粒子数密度与能见度的函数关系, 是实现激光大气传输特性快速、简洁、精确计算的有效方法。
鉴于气溶胶的地域性差异及季节性差异, 不同地区各个季节的气溶胶与能见度的关系也并不相同, 由于文章中建立能见度与气溶胶粒子数密度函数关系的方法适用于不同地区、不同季节, 因此, 可根据该方法构建各个地区四季的能见度与气溶胶浓度函数关系, 从而实现对1.06µm激光大气消光系数更为精确的计算, 为各类激光设备在不同地区的精确工程应用提供有力的数据支持。
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衰减特性 篇4
1 冲击发电机
1.1 冲击发电机特点
冲击发电机又名短路试验发电机, 专门用于短路试验。冲击发电机的每次试验都相当于常规发电机的出线端事故短路, 冲击电流有效值可达上百千安, 对定、转子的绕组和结构有特殊的要求[10]。
冲击发电机一般有以下3种特征容量: (1) 型式容量。是指与该台冲击发电机定、转子尺寸及重量相当的汽轮发电机的额定容量, 也称额定视在功率。 (2) 出端容量。是指在额定电压下, 不加任何外阻抗, 只对冲击发电机超瞬变电抗Xd"计算的最大三相对称短路容量。 (3) 允许使用容量。是指电机制造厂或者试验站为保证冲击发电机的使用寿命而规定的试验使用容量。随着电力系统的快速发展, 高压开关设备的电压和开断电流不断增长, 作为大功率试验室电源的冲击发电机有尽可能大的短路 (开断) 容量[11]。表1列出了目前国内外投入使用的大型冲击发电机特征容量。
1.2 试验对冲击发电机的要求
以冲击发电机为试验电源的大功率试验室如图1所示, 试品位于试验小室内, 整个回路应能满足不同电流、电压等级的试品。通过调节限流电抗器值 (L) 来满足不同的试验电流, 调节试验变压器 (TR) 变比来满足不同的电压等级。
对一台冲击发电机评定, 不仅要看冲击发电机的短路容量和短路电流的大小, 还要考虑短路电流的衰减特性如何。冲击发电机三相短路情况下的电流衰减趋势可由式 (1) 表示[3,4]:
式中:UN为额定线电压;Xd"为超瞬变电抗;Xd'为瞬变电抗;Td"为超瞬变时间常数;Td'为瞬变时间常数;k为强迫倍数 (强励电压与空载励磁电压之比) 。实际试验回路中需要外接阻抗 (Xe) , 此时的冲击发电机短路电流衰减曲线由式 (2) 表示:
在GB 1984—2003附录B中对高压断路器在型式试验中试验参量的公差提出了具体的要求, 例如高压断路器基本短路试验方式T100s (断路器进行100%容量的完全对称开断试验) , 规定试验值为额定短路开断电流的100%, 试验公差为0~+5%, 即只允许5%以内的正公差;标准同时对试验参量中工频恢复电压 (URV) 提出了试验公差为±5%的要求, 由于URV与开断电流I存在线性关系, 即通过强励来补偿短路电流的同时也就对工频恢复电压做了补偿。这不但要求试验回路的阻抗配置合理, 同时还要求设定合适的强励电压值来保证冲击发电机的短路电流特性, 以满足高压断路器的试验参量及其公差符合相关标准的要求。
2 国产大容量冲击发电机
2.1 6 500 MV·A冲击发电机特性
我国生产的大容量冲击发电机主要有DSF-100-2型 (型式容量为100 MV·A, 出端容量为3 200 MV·A) 与DSF-200-2型 (型式容量为200 MV·A, 出端容量为6 500 MV·A) 冲击发电机, 均由哈尔滨电机厂生产制造。DSF-100-2型短路发电机容量小, 电气暂态参数差, 不能进行有效的强励, 工频电流和工频恢复电压衰减大, 已经不能满足当代大容量试验室的发展要求[5]。DSF-200-2型冲击发电机是在DSF-100-2型冲击发电机的运行实践和借鉴国外同类型设备的基础上设计开发的, 并于2003年投入商业运行。6 500 MV·A冲击发电机的设计参数如表2所示。
2.2 短路电流衰减特性仿真及分析
根据6 500 MV·A冲击发电机的设计参数和三相短路情况下电流衰减曲线计算公式, 建立其MATLAB仿真模型, 仿真时间为0~0.3 s, 表示冲击发电机从0时刻开始短路持续0.3 s之后恢复到开路状态。
Xe为0时不同强励倍数下的相电流有效值曲线如图2所示。从响应曲线来看, 需要k>15才能支撑短路电流在0.3 s内没有明显衰减的现象。k≤15时存在短路电流衰减的情况, 并随着强励倍数的减少, 短路电流会成比例下降。
1.k=15;2.k=13;3.k=11;4.k=9;5.k=7;6.k=5;7.k=3;8.k=1
Xe为18.5 mΩ时不同强励倍数下相电流有效值曲线如图3所示。从响应曲线来看, 11
1.k=15;2.k=13;3.k=11;4.k=9;5.k=7;6.k=5;7.k=3;8.k=1
对Xe为18.5 mΩ条件下k=1和k=11两种强励电压下的短路电流响应进行比较, 如图4所示。T为0.3 s时, k=11与k=1对应的短路电流有效值Ik11, Ik1分别为120.8 k A, 72.49 k A。以Ik11为试验需要的短路电流计算, Ik1存在40%的衰减量, 即Ik1/Ik11=0.6。0.3 s时的工频恢复电压URV及其公差Δ计算见式 (3) 和 (4) :
式中:URV-ki, Iki分别为不同强励倍数下的工频恢复电压和开断时的短路电流有效值。通过计算可得:URV-k1为8.173 k V, Δk1为41.62%;URV-k11为13.62 k V, Δk11为2.71%, Δk11<5%<Δk1。可见, 施加适当的强励倍数与不加强励, 对冲击发电机的短路电流及工频恢复电压存在非常明显的影响。
Xe为36 mΩ时不同强励倍数下相电流有效值曲线如图5所示。从响应曲线来看, 在9
1.k=15;2.k=13;3.k=11;4.k=9;5.k=7;6.k=5;7.k=3;8.k=1
同一强励倍数下 (k=9) , 3种不同外阻抗条件下短路电流衰减情况如图6所示, 在同一强励电压下, 外接阻抗越小电流衰减越厉害, 随着外接阻抗的增加电流补偿效果越明显。
3种不同外阻抗以及不同强励倍数条件下, 在0.3s时短路电流有效值分布如图7所示。随着外接阻抗增加, 短路电流有效值逐步减少, 对应的允许使用容量也同步降低;在同一外阻抗条件下, 短路电流随着强励倍数的增加而变大。
1为外接阻抗0;2为外接阻抗18.5 mΩ;3为外接阻抗36 mΩ
4 结束语
大容量冲击发电机作为试验电源广泛的应用于大功率试验室, 冲击发电机组的整体性能决定了大功率试验室的检测能力。依据国产6 500 MV·A冲击发电机的相关参数建立其仿真模型, 用来分析其短路电流的衰减特性。从仿真结果来看, 冲击发电机的短路电流特性与强励电压有密切的联系, 可根据试验需求调整试验回路阻抗, 通过设定强励电压在某一范围内即可控制冲击发电机的短路电流衰减量, 以保证试验参量及其公差满足相关标准的要求。通过仿真可以初步确定满足不同试验需求时的强励电压范围, 对今后大功率试验室的运行具有较为重要的参考意义。
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衰减特性 篇5
关键词：超宽带,实测数据,频率特性
0 引言
UWB (超宽带)脉冲信号覆盖了几个GHz的频率范围[1],从而在信道传播特性中表现出更为复杂的频率依赖行为,直接影响实际工程中UWB无线收发信机的设计。文献[2]表明,UWB信号脉冲波形的畸变本质上是由信道传递函数H (W )频率特性不均匀造成。文献[3-5]基于UWB穿墙实验给出了特定频率不同材料的透射系数和损耗因子值,同时文献[5]还表明UWB信号穿过同一材料障碍物的透射系数和损耗因子随频率变化而变化。IEEE 802.15.4a标准工作组公布的信道模型[6]的优点是模型简单,然而其NLOS(非视距)时域统计的频率响应基本上是一个全频段随机响应。而文献[7]结合系统带宽影响和T-R(发-收)距离建立了一个统一的测距误差模型,得出在室内NLOS环境中测距误差与距离无关的结论,但是结合其测试平面图可以发现,虽然从不同传播方向及距离的测试位置出发来研究问题,但是并没有考虑NLOS的统计特征。
本文通过对NLOS环境的频率相关路径损耗进行建模,并基于南加州大学实测数据对频率相关路径损耗指数进行拟合,以期获得统计条件(即在同一传播方向,T-R距离的增加)下UWB信号的频域衰减特性。
1 UWB室内NLOS环境频率相关路径损耗建模
1.1 自由空间电波传播的路径损耗
电磁波在自由空间传播一定距离后,信号能量会发生损耗,其单位面积上的电波功率密度S为
式中,GT为发射天线增益,PT为发射功率,d为传播距离。S乘以接收天线的有效面积AR即得到接收天线处的电波功率:
式中,AR=(λ2/4π)GR,λ=c/f,c为光速,f为电磁波工作频率,GR为接收天线增益。因此接收天线获取的电波功率为
当发射、接收天线增益均为0dB,即GT=GR=1时,接收天线的接收功率为
自由空间传播路径损耗定义为发、收功率之比,则由式(4)得到路径损耗为
以dB计,则式(5)可写为
1.2 NLOS环境电波传播的路径损耗
在式(4)中引入参考距离d0,可得自由空间参考点表达式
式中,d为电磁波实际收发距离,d0为参考点距离,P(d0)为信号参考点的接收功率,P(d)为实际传播距离处的接收功率。
如果对参考点和实际接收点的信号接收功率取对数,则式(7)可改写为
式中,LP(d)即为由自由空间电波传播得到的基于参考点的路径损耗,LP(d0)=(4πd0/λ)2为参考距离处取对数后的路径损耗。
考虑电波在NLOS环境中传播时存在直射、反射、绕射和散射等多种传播机制,路径损耗随距离增长的速度不再是平方关系,而是介于1.6~6之间的指数关系,因此衰减指数由n表示(介于1.6~6 之间),则实际接收点的路径损耗可表示为
1.3 UWB频率相关的室内NLOS环境路径损耗模型
由于UWB通信系统的带宽达GHz以上,电磁波在NLOS环境下传播特性相对复杂,整个频带内收发天线的增益不再保持恒定,其频率响应也不可能是一个全频段随机响应,UWB信号穿过同一材料障碍物的透射系数和损耗因子也随频率变化而变化,因而会导致NLOS环境下UWB信号衰减特性随频率变化。因此实际中必须把UWB信道多径衰落的幅度、时延、时间空间相关性和具体传播环境联系起来,提出相应的与频率相关的UWB路径损耗模型,该模型能够描述UWB信号在统计条件下不同频段的传播衰减特性。由于式(9)中NLOS环境电波传播的路径损耗仅与参考点接收功率有关,而与频率相关的衰减特性并没有反映在路径衰减指数上,显然n是随频率变化的一个参数,因此,可以在式(9)的基础上定义频率相关的路径损耗模型
式中,V(f)是与频率相关的路径损耗指数,表示电磁波的路径损耗随着频率的变化而变化,它的具体表达式可由UWB实测数据拟合得到。
2 基于UWB室内NLOS环境实测数据的频率相关路径损耗指数拟合
2.1 时域实测数据的频谱估算
本文中UWB实验数据来源于美国南加州大学,由Joon-Yong Lee在室内NLOS环境测量所得,由Intel研究实验室收集,图1所示为其NLOS环境的UWB实测时域接收信号。
为获得信号频域统计特性,基于实测UWB信号时域数据y(t)进行了功率谱密度的计算,其具体实现如下:
(1)将y(t)的N个样本值yN(n)看成能量有限的信号,对其进行傅里叶变换,得到YN(ejω):
(2)计算YN(ejω)的幅度的平方,再除以N,对y(t)的功率谱P(ejω)进行估计,即
通过上述计算,得到接收信号的功率谱密度,图2为UWB接收信号相应的功率谱密度。
2.2 相关路径损耗指数拟合
对实测数据处理后得到了频域数据,再对频域数据进行不同频点的衰减值计算,进而统计出不同传播距离不同频点的实际路径损耗指数,选取线性多项式函数和指数函数对统计出的实际损耗指数进行曲线拟合。为了使拟合曲线尽量逼近实际路径损耗指数数值,本文将拟合函数的未知参数限制在4个以内(参数太少则误差较大,参数太多则函数过于复杂)。多项式函数和指数函数的参数设置及均方误差、均方根误差如表1所示,实际路径损耗指数及相应的拟合曲线如图3所示。
由表1和图3可知,三阶多项式函数的拟合曲线更逼近实际数据,其均方误差和均方根误差是4种拟合函数中最小的,拟合性能最好。因此本文选择三阶多项式函数作为UWB频率相关的NLOS环境路径损耗指数的表达式,即V(f)可表示为
将式(13)代入式(10),得到基于UWB室内NLOS环境实测数据的频率相关路径损耗模型表达式
式中,LP(d0)为参考点路径损耗,可由实测数据计算得到。
3 频域衰减特性分析
由于南加州大学的实测发射信号带宽为1.3GHz,中心频率约为1.1GHz,即信号的频带范围为0.45~1.75GHz,因此本文以1.1 GHz为中心,将接收信号分为两个频段,低频段为0.45~1.1GHz,高频段为1.1~1.75GHz,应用式(14)给出的频率相关路径损耗模型分别对这两个频段的频域衰减进行仿真和比较,仿真结果如图4所示。
由图可见,随着信号传播距离的拉长,UWB信道的高频端表现出更为明显的统计衰减特性,这与图3所示实测数据的衰减指数整体随频率升高而增长的现象完全吻合,表明随着距离的拉长及室内障碍物的增多,对高频分量的遮挡作用更为明显。上述基于南加州大学实测数据建立的UWB室内NLOS环境的频率相关路径损耗模型可以用于估计UWB室内办公环境通信系统容量,指导无线通信系统的设计。
4 结束语
本文对UWB信号NLOS环境下的频率相关路径损耗进行了建模,然后再基于实测UWB数据进行了路径损耗指数的拟合,从而得到了UWB信号在NLOS传播环境中的频域变化规律。研究表明,在室内NLOS环境中UWB信道的高频统计衰减特性尤为明显。此结论对于不同NLOS环境中(例如楼内、楼间、旷野和森林等)UWB通信的容量和测距定位性能估算等具有重要的参考价值。
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衰减特性 篇6
目前, 已发展了很多求解参与性介质内红外辐射传输的数值方法, 如热流法、蒙特卡洛法、离散传递法、离散坐标法等[1]。求解过程中需要知道介质内粒子的衰减散射特性分布。对于大尺寸介质或高精度要求而大量划分网格时, 粒子辐射物性的求解将在运算过程中耗费相当多的时间。因此, 开发一种快速预测粒子红外物性参数的计算模块可以大大提高辐射传输运算速度。最小二乘支持向量机 (leastsquaressupportvectormachine, LSSVM) 是一种遵循结构风险最小化 (SRM) 原则的核函数学习机器。LSSVM最早由Suykens等提出[2], 其核心思想就是用等式约束替换标准支持向量机中的不等式约束。由于最小二乘支持向量机的简单性和有效性, 在很短的时间里已广泛用于许多领域[3—5]。本文主要基于最小二乘支持向量机回归算法, 建立Al2O3粒子红外特性预测模型, 同时采用微粒群方法[6]解决模型超参数优化问题, 将优化得到预测模型应用于吸收散射性介质的红外辐射传输计算。
1 预测模型
考虑一个有n个样本的训练集, 支持向量机模型将数据非线性映射到一个高维特征空间:
最小二乘支持向量回归算法就是要求解下面的优化问题:
其中ω为权矢量;b为偏差量;γ为惩罚因子;ei为误差变量。
约束条件为
式 (3) 中, αi为Lagrange乘子。
这样, 求解的优化问题转化为求解线性方程:
通过求解线性方程组 (4) 得到LSSVM回归模型
LSSVM模型的性能取决于2个超参数的选择:惩罚因子γ决定了最小化LSSVM优化目标函数时, 其模型复杂度和经验风险之间的关系;核函数参数σ决定了回归模型的表达式。这2个参数在很大程度上决定了最小二乘支持向量机的学习和泛化能力。本文采用微粒群算法对其进行参数寻优。
微粒群方法 (PSO) 是一种基于群体的随机优化技术。PSO将每一个可能产生的解表述为群中的一个微粒, 每个微粒都具有自己的位置向量和速度向量, 以及一个由目标函数决定的适应度。所有微粒在搜索空间中以一定的速度飞行, 通过追随当前搜索到的最优值来寻找全局最优。
微粒的速度由个体极值和全局极值来更新。
式 (6) 中Vi+1为更新后的微粒速度;Vi为当前微粒速度;w为惯性权重, 表示当前速度对下一代速度的影响权重;Xi为当前微粒位置;r1和r2为范围在内变化的随机数;c1和c2为加速常数;Pi和Pg为个体极值和全局极值。
PSO基本算法流程可简单描述为:初始化一群微粒, 即每个微粒被随机赋予初始位置Xi (视为潜在解) 和初始速度Vi, 计算其适应度。在每一次迭代中, 微粒的速度和位置根据公式 (6) 更新, 并评价其适应度。当一个微粒发现一个好于它以前所经历的位置, 则将此坐标记入向量Pi中, Pi与该微粒当前位置向量之差被随机加入到下一代速度向量, 致使下一代微粒围绕此点震荡搜索, 见公式 (6) 中第2项, 此项亦称为“认知”分量。微粒群中迄今为止搜索到的最优位置Pg与该微粒当前位置向量之加权差也被随机加入到速度向量, 以调整下一代速度, 见公式 (6) 中第3项, 此项亦称为“社会”分量。这两项调整使微粒围绕两个最优值展开搜索。
2 结果及讨论
如上所述, 实施微粒群-最小二乘支持向量机回
归算法, 优化参数选取c1=c2=1.95;w用线性递减方式:。将γ和σ的组合作为一个粒子, 取值均大于零, 每代种群的规模设为20个粒子。
对于适应度函数设计本文主要考虑回归模型的泛化能力:
式 (7) 中RMSET、RRMSEP分别为训练集及测试集均方根误差。
图1为1 215K时Al2O3粒子2 000—5 000cm-1光谱区间衰减截面MIE理论结果与本文预测结果比较, 可以看出, 预测结果与理论结果符合得很好, 从而验证了本方法的可行性。表1为分别采用MIE程序与本文预测模块计算某喷焰流场2-5μm红外辐射特性的结果比较, 可以看出在不同网格划分情况下采用本文预测模型运算时间均会大大缩减, 同时又可以保证计算精度。
3 结论
本文提出了一种粒子红外辐射物性预测模型。该方法基于最小二乘支持向量机算法, 建立粒子衰减特性回归模型, 同时采用微粒群方法解决模型的超参数优化问题, 将优化得到的预测模型应用于吸收散射性介质的红外辐射传输计算。验证结果表明, 本文提出的方法是可行的, 使用本方法能够准确预测粒子红外特性, 可以提高辐射传输计算速度, 适用于大型的吸收散射性介质红外辐射特性的工程计算。
摘要：应用最小二乘支持向量机建立了Al2O3粒子衰减特性预测模型, 引入微粒群算法解决了模型多参数优化问题, 结合辐射传输数值求解方法获得了吸收散射性介质的红外辐射特性。比较结果表明, 该方法具有较好的预测能力, 在保证模拟结果精度的同时提高了运算速度。
关键词：粒子辐射特性,最小二乘支持向量机,微粒群算法
参考文献
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衰减特性 篇7
涂层在现代工艺中得到了越来广泛的应用,可以对材料进行保护,起到防腐、防振、隔热等效果。涂层一般由高聚合物材料和复合材料等新型材料来构成,这些材料的黏弹特性一般不容忽略。Love波是涂层基底结构中的一种导波。由于是SH横波激发,不存在模式转换问题,被广泛应用于传感器件[1,2,3]。很多文献对Love的传播特性进行过研究,但考虑涂层黏弹效应的并不多。随着材料工业的发展,对黏弹材料及相关结构中的各种黏弹波模式的研究在逐渐拓展。如对黏弹Rayleigh波[4],黏弹SH波[5],黏弹Lamb波[6]等的研究,基于Kelvin模型,研究分析黏弹涂层基底结构中Love的频散及衰减特性。
1 黏弹模型建立
黏弹固体的Kelvin模型本构方程可表示为[7]:
式(1)中是应力偏量;eij=为应变偏量;σ和e分别表示成力球张量及应变球张量,应变为:
这些应变中表示各阶黏弹模量;含义为对(求k阶导;
由于粘滞流变特性主要显示在切变方面,不及体变粘滞,考虑平面谐振波,则黏弹固体的Kelvin模型可表示为[8]:
(ω是指角频率,j为单位虚数)
可得
式(4)中,λ*(ω),μ*(ω)是与频率有关的介质类Lame常数;表示弛豫时间。当Kη=0时退化为弹性体;ηk,μk是介质的黏滞模量弹性剪切模量。
2 频率方程建立
对于选取坐标系如图1,取向下为正,设涂层具有黏弹性质,厚度为H,基底为弹性半空间介质,分别记为1,2。
设SH波位移振动为y方向,则于位移的波动方程的解为
分别为介质1、2的横波或复横波波速、μ2为与介质黏滞有关的切变模量;A1、A2、B1为待定系数。
由边界条件,z=0时位移应力连续,
时应力为0。
得其频率方程为
3 Love波频散及衰减特性
以环氧涂层-铝基底情况,考虑环氧的黏弹特性环氧及铝的参数分别选取如表1。
这里取Kη=0.1 ns及1 ns两种小黏滞情况进行模拟分析。如图2是利用式(9)计算的环氧为弹性体时(Kη=0 ns,环氧厚度H=0.1 mm)的Love波频率相速度间关系。可以看出Love波是频散的且是存在多种模式的导波。
实际上Love波是由俘获在表面层内、并由自由表面及交界面处多次全反射的平面波相干而产生的而产生频散现象。随着频率增加导波速度在降低,波速介于基底及涂层横波波速之间;这是因为低频时波的能量主要集中在金属铝表面,体现为铝的表面波速。而当频率增加时,能量逐渐集中在环氧内,特别是高频时对应的是环氧表面波速。
图3是Kη=0.1 ns和Kη=1 ns两种情况下(环氧涂层厚度0.1 mm,基底为铝)Love的频散曲线,由图3可以看出,由于黏滞的影响,Love的频散曲线稍有变化,这是由于黏滞所引起的附加频散效应引起的。但由计算可以看出,这种附加频散效应很小,只在高频高阶模式是才有一些较明显的变化。因此,在选用低阶模式,频率不是很高时,可以基本忽略黏滞频散效应。
图4、图5为两种情况下(环氧涂层厚度0.1mm,基底为铝)的频率-衰减关系(图中只显示了前两种模式)。可发现粘滞引起的衰减效应比频散效应要明显的多;在低于2 MHz时衰减很小,这是因为频率低是能量主要集中于弹性固体中,而弹性固体没有衰减,但之后随着频率增加,涂层中能量增大,衰减系数也迅速增大。另外还可发现两个图的形状非常相似,在小黏滞情况下,衰减与黏滞系数近似成正比。
4 结论
基于黏弹基本理论,推导出了黏弹黏弹Love波的频散方程,分析了其频散特性及衰减特性。发现小黏滞情况下,黏滞对频散特性的影响不大,特别是在低频低阶模式时这种由黏滞引起的附加频散基本可以不计。Love的衰减只在较高频率时比较明显,在较黏滞情况下,黏滞系数和衰减近似成正比,利用衰减曲线可以进行涂层的特性评价,也有助于Love波在传感方面的应用。
摘要：基于Kelvin黏弹固体模型,由波动基本理论,推导出了黏弹Love波的频率方程。计算了其频散特性及衰减特性。分析了产生的原因。所得结论有助于Love波传感的应用及涂层特性评价。
关键词：Love波,Kelvin,模型,频率散射,频率衰减
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