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冰晶粒子多普勒功率谱正演方法的建立和初步应用

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冰晶粒子多普勒功率谱正演方法的建立和初步应用

作者：丁晗中国气象科学研究院

学位级别：硕士

由于冰晶粒子形状多样,其下落速度、后向散射截面、质量和粒径之间的关系十分复杂,影响了利用云雷达多普勒谱密度数据反演冰晶微物理特性的应用进展。本文在假设6种粒子形状的情况下,根据已经有的研究成果,建立了粒子质量、下落速度、... 详细信息

由于冰晶粒子形状多样,其下落速度、后向散射截面、质量和粒径之间的关系十分复杂,影响了利用云雷达多普勒谱密度数据反演冰晶微物理特性的应用进展。本文在假设6种粒子形状的情况下,根据已经有的研究成果,建立了粒子质量、下落速度、后向散射截面和粒子尺度的关系,讨论了在同样的滴谱情况下,不同粒子对应的功率谱的变化,以及空气上升速度、湍流和灵敏度对雷达功率谱及滴谱反演的影响,并利用于2018年在河北邢台的云雷达和飞机观测数据,进行了液体和固态滴谱、含水量和粒子体积平均直径的反演和对比。此外,为了利用单雷达反演完整的冰晶尺度谱,建立了粒子形状及数浓度分布模型,并利用2014年西藏那曲的观测数据进行反演验证,结果表明:(1)等效直径相同的粒子,聚合体的下落速度最大,其次是六棱柱冰晶和六角板状冰晶,扇形和星形的冰晶较小,相同尺寸冰球的下落速度约是冰晶粒子的2-3倍。后向散射截面最大的六棱柱冰晶,其次是星形冰晶、扇形冰晶、六角板冰晶与两种聚合体及冰球的后向散射截面十分接近。说明在利用功率谱数据反演滴谱时将不同种类的冰晶粒子统一视作冰球将会导致不同程度的粒子尺度低估,从而给滴谱反演带来误差。(2)相同滴谱分布下,不同冰晶类型的模拟雷达多普勒谱功率谱的宽度主要受粒子下落速度随粒子尺寸的增大的速率影响。粒子的下落速度随尺度增加而增加的越快,所产生的功率谱越宽,反之亦然。湍流对不同冰晶的多普勒谱有不同程度的影响,总体来说会使功率谱两端拓宽且削弱峰值,这也给粒子谱分布的反演带来较大的误差。(3)当分别假设云内只存在一种类型的冰晶粒子时,利用云雷达功率谱数据反演粒子滴谱的结果与飞机观测结果比较显示,每一类冰晶都在一定尺度区间内与飞机观测结果对应很好,说明在此区间内该类型粒子存在的可能性很大,也充分验证了雷达反演冰晶尺度谱的可行性。对比雷达反演的液态水含量及飞机观测结果,二者随高度的变化趋势基本一致,飞机实测值略小于雷达反演结果。(4)利用建立起的完整冰晶粒子分布模型,可以很好的反演出完整的冰晶尺度谱。西藏那曲的雨层云与深对流云个例微物理参数反演结果显示,雨层云的冰水含量及粒子有效半径分布较为均匀,深对流云相对较不均匀。回波反射率与冰水含量相关性较好,云内粒子有效半径大部分在60μm以下。

关键词：多普勒功率谱冰晶粒子尺度谱反演

低轨卫星信道多场景多普勒功率谱建模与硬件实现

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低轨卫星信道多场景多普勒功率谱建模与硬件实现

作者：郑奭轩北京邮电大学

学位级别：硕士

作为空天地一体化信息网络的重要组成部分,低轨卫星通信技术是新一代通信领域研究的热点。在低轨卫星传输环境中,信道衰落将直接影响通信系统性能的好坏。通过构建信道模型可以描述真实的信道特性,因而能够为系统设计及优化提供前提条... 详细信息

作为空天地一体化信息网络的重要组成部分,低轨卫星通信技术是新一代通信领域研究的热点。在低轨卫星传输环境中,信道衰落将直接影响通信系统性能的好坏。通过构建信道模型可以描述真实的信道特性,因而能够为系统设计及优化提供前提条件。在低轨卫星信道建模中,由于低轨卫星信道具有多普勒效应极其显著、卫星仰角以及地面接收环境连续变化、多径衰落动态性强等特点,多普勒功率谱建模将面临模型表征准确度低以及模型参数拟合误差大等问题。为解决上述问题以提升模型的准确性,本文重点研究多普勒功率谱建模。论文的创新点及贡献如下:针对低轨卫星过境期间信道衰落特性动态变化,多普勒功率谱形状丰富多变,难以利用现有模型对其进行统一准确描述的问题,本文研究并提出了双边截断非对称Rician功率谱模型及其仿真算法。该模型依据低轨卫星与地面信道的差异性对现有模型的改进,能够采用一组模型参数对多普勒功率谱形状进行灵活调整,从而能够统一表征卫星过境期间多场景动态变化对多普勒功率谱造成的形变特性。针对建模的实测数据量大,且在不同场景之间易发生混叠,导致模型参数拟合数值误差较大的问题,本文提出了基于图谱指纹法的模型参数拟合方法,该方法通过对多场景中的多普勒功率谱的测量数据样本进行特征提取和分类,并甄选出每个场景中表征能力最强的数据来拟合模型参数,从而获取多场景下准确的多普勒功率谱模型参数。在不同仰角下的郊区及城市环境中,基于图谱指纹法拟合建立的模型与实测数据之间的均方根误差(RMSE)明显低于现有的拟合方法,从而证明该方法大幅消除了多场景样本混叠,提升了建模准确性。根据所提出的多普勒功率谱建模方法,本文基于Labview平台对低轨卫星信道模拟器的多普勒频移和多普勒功率谱功能模块完成了硬件设计和实现,并通过搭建硬件验证平台对实现功能的性能进行验证与评估。验证结果表明,带宽为100MHz时,多普勒频移定值测试的误差小于0.15%;使用的正弦波数目为48时,基于莱斯正弦和(SOS)算法实现的多普勒功率谱与理论值和仿真之间的平均RMSE分别为0.15和0.18,由此可见,本文硬件实现的多普勒功率谱模型是较为准确的。

关键词：低轨卫星卫星信道多普勒效应多普勒功率谱建模图谱指纹信道模拟器

定向天线MIMO信道中信号多普勒功率谱分析

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定向天线MIMO信道中信号多普勒功率谱分析

作者：蔡青华中科技大学

学位级别：硕士

天线技术广泛应用于各种各样的通信系统中,天线按照分布范围可以简单分为全向天线和定向天线。前者的应用范围相当广泛,后者目前应用不多,但是其并不需要复杂的算法,各个天线之间的相关性小由此带来良好的天线独立性,种种优点使得定向... 详细信息

天线技术广泛应用于各种各样的通信系统中,天线按照分布范围可以简单分为全向天线和定向天线。前者的应用范围相当广泛,后者目前应用不多,但是其并不需要复杂的算法,各个天线之间的相关性小由此带来良好的天线独立性,种种优点使得定向天线具有重要的研究前景和应用价值。本文基于MIMO信道,研究了定向天线对信号多普勒功率谱的影响,并结合仿真工作,对比分析了使用全向天线和定向天线时这种影响的区别。最后通过改变仿真环境及涉及仿真的参数对这种影响进行了仿真和分析。由于全向天线的天线增益为1,并且没有方向性的阻碍,分析起来比较简单和容易。但是从仿真结果可以看出,相对于全向天线而言,定向天线的使用可以明显减小对信号多普勒功率谱的影响。本文假定的定向天线其天线增益归一化为1,有明显的方向性特征,但为了计算的方便,其天线方向图函数设定得较为简便和单一。为了更全面的进行仿真和分析,在仿真中改变了MS(移动用户)的移动方向和移动速度。定向天线不应该只应用于某一个单一的通信环境,为了得到不同通信环境下的区别结果,文中针对入射波到达角的分布,设定了4种比较典型的分布情况,并且根据不同的通信环境给出不同的载波频率,由此来说明不同通信环境下的仿真结果。使用定向天线能减小对信号多普勒功率谱的影响,在室外环境中,选择远离BS(基站)所在位置方向并且与MS移动方向接近的波束,能够减小对信号多普勒功率谱的影响。以上结论都在仿真中得到了验证。

关键词： MIMO信道定向天线多普勒功率谱入射波到达角波束

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三维模型中的多普勒功率谱分析

通信技术 2015年第4期48卷 404-409页

作者：米杨张晓瀛魏急波国防科技大学电子科学与工程学院湖南长沙410073

多普勒效应是移动通信中最常见的现象,研究多普勒功率谱密度的分布,对建立更准确并贴合实际的无线信道模型具有重大意义。分析了两种不同几何模型中的多普勒功率谱,重点讨论了三维模型中入射波到达角度对多普勒功率谱的影响,仿真结果表... 详细信息

多普勒效应是移动通信中最常见的现象,研究多普勒功率谱密度的分布,对建立更准确并贴合实际的无线信道模型具有重大意义。分析了两种不同几何模型中的多普勒功率谱,重点讨论了三维模型中入射波到达角度对多普勒功率谱的影响,仿真结果表明,方位角和高度角的分布及最大角取值范围共同决定了多普勒功率谱的分布特性。

关键词：多普勒功率谱到达角分布三维模型

基于模糊逻辑的风廓线雷达功率谱数据质量控制研究

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高原气象 2015年第2期34卷 568-574页

作者：董德保张统明翁宁泉窦炜明安徽省大气探测技术保障中心合肥230031 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室合肥230031

随着风廓线雷达组网观测系统建设的推进,质量控制是提高风廓线雷达观测资料应用效益的重要环节。通过介绍风廓线雷达回波信号的产生机理、信号与数据处理流程,研究了风廓线雷达多普勒功率谱的湍流回波与干扰回波的特征,给出了功率谱的... 详细信息

随着风廓线雷达组网观测系统建设的推进,质量控制是提高风廓线雷达观测资料应用效益的重要环节。通过介绍风廓线雷达回波信号的产生机理、信号与数据处理流程,研究了风廓线雷达多普勒功率谱的湍流回波与干扰回波的特征,给出了功率谱的特征量,提出了基于模糊逻辑提取大气湍流回波信息的质量控制方法,改进了多普勒速度估算的准确性。为检验质量控制方法的可靠性,以合肥2008年6月4日10:42:16(北京时,下同)东波束和8日10:36:20西波束的多普勒功率谱数据处理为例开展了风廓线观测资料质量控制的个例试验分析,结果表明处理后观测资料的可用性较好。

关键词：多普勒功率谱模糊逻辑质量控制风廓线

基于L波段大功率同步卫星系统的移动接收信道特性研究

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基于L波段大功率同步卫星系统的移动接收信道特性研究

作者：王广敏上海交通大学

学位级别：硕士

移动互联网产业的迅猛发展带动了人们对于移动多媒体服务需求的增长,现有的基础设施容量及覆盖能力已经成为广域大容量信息服务的重大瓶颈。因此构建面向移动接收的高效大功率同步卫星广播传输覆盖网,为多形态移动用户提供广覆盖、高品... 详细信息

移动互联网产业的迅猛发展带动了人们对于移动多媒体服务需求的增长,现有的基础设施容量及覆盖能力已经成为广域大容量信息服务的重大瓶颈。因此构建面向移动接收的高效大功率同步卫星广播传输覆盖网,为多形态移动用户提供广覆盖、高品质的信息传播及数据服务是目前亟待研究的重大问题。本论文主要是围绕面向移动接收的L波段大功率同步卫星广播传输系统所蕴含的同步卫星移动信道建模展开研究。重点分析L波段同步卫星移动接收信道特性以及模拟实现过程。在L波段同步卫星移动接收信道特性研究中,本文详细分析了信道的传播特性,从电磁波传播原理和通信链路物理层理论两个方面着手,重点分析瑞利序列的仿真问题。针对传统的正弦波叠加实现瑞利过程中,由于相位的均匀分布使得生成的序列是确定性序列,因此不适用于多径信道环境,所以本文针对这一问题给出了一个随机相位优化的方案。并通过软件仿真对比论证了该优化后模型的随机性较好。接着,由于正弦波叠加实现多普勒功率谱的仿真过程中,对应频域上的脉冲将会对多普勒功率谱的仿真产生“毛刺”现象。所以本文从物理层角度出发,根据时频转换原理,推导出在正弦波实现多普勒功率谱过程中,正弦波数量与系统参数尤其是多普勒频移之间的关系。并通过仿真验证了参数的合理性性。并通过实现精度与模型复杂度之间的折中考虑,给出了最佳正弦波数目的选取方案。同时,由于卫星的仰角和直射信号分量的存在,使得入射信号在一定的方位角内进行入射,而不是依照经典的均匀分布入射。所以本文重点分析了在卫星通信链路中入射信号的角度分布问题,通过对通信链路建模分析,得出入射信号角度服从一种类高斯分布结论,并进一步给出了该角度分布下的多普勒功率谱。该结论通过软件仿真得到了初步的验证,并且通过其他文献的测试结果得到验证。最后本文给出了针对L波段同步卫星通信信道的建模思路和方法。从而为下一代广播卫星通信系统中收发端关键技术的研究提供一个初步的理论和实现基础。通过对实地采集样本的分析,引入Markov链实现信道无缝切换,最终总结出适合国内卫星移动通信系统的信道模拟方法。仿真结果从信号的时域包络变化以及概率分布两个方面进行说明,该建模方法能够很好的模拟国内实际场景下的通信信道环境。同时在信道模拟过程中,本文还引用线性插值算法以实现状态切换过程中幅度和相位的连续问题。通过仿真结果证明了插值算法能够较好的降低状态切换过程中引入的误差问题。

关键词： L波段广播卫星通信多普勒功率谱 Jakes模型 Markov信道模型线性插值

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三维空间非平稳车载几何信道模型的研究分析

电子学报 2018年第5期46卷 1265-1268页

作者：江浩张在琛党建吴亮东南大学移动通信国家重点实验室

本文提出一种新型的三维空间非平稳车载几何信道模型.我们采用圆柱体描述发射端(Mobile Transmitter,MT)以及接收端(Mobile receiver,MR)附近运动的车辆,而采用椭圆柱描述路边静止的建筑物.由于发射端和接收端的相对运动而使得本文提出... 详细信息

本文提出一种新型的三维空间非平稳车载几何信道模型.我们采用圆柱体描述发射端(Mobile Transmitter,MT)以及接收端(Mobile receiver,MR)附近运动的车辆,而采用椭圆柱描述路边静止的建筑物.由于发射端和接收端的相对运动而使得本文提出的模型呈现时变非平稳几何特性.针对提出的三维空间信道模型,作者深入研究其统计特性,比如时域相关特性以及多普勒功率谱分布.仿真结果和过去研究结果进行比较,进而验证本文提出的信道模型能够很好地描述车载无线通信环境.

关键词：三维空间信道模型车载通信时域相关特性多普勒功率谱

奇异值分解在海洋回波多普勒信息提取中的应用

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武汉大学学报（理学版） 2001年第5期47卷 653-656页

作者：吴敏文必洋赵汉青武汉大学电子信息学院湖北武汉430072

运用矩阵奇异值分解原理 ,分析了功率谱估计对探测海洋表面信息和硬目标信号的意义 ,对接收信号的自相关矩阵进行分解以提高谱估计的分辨率 ,并将处理后的方法对实测数据进行功率谱的估计 ,与处理前的回波谱图进行比较 ,实验证明 ,得出... 详细信息

运用矩阵奇异值分解原理 ,分析了功率谱估计对探测海洋表面信息和硬目标信号的意义 ,对接收信号的自相关矩阵进行分解以提高谱估计的分辨率 ,并将处理后的方法对实测数据进行功率谱的估计 ,与处理前的回波谱图进行比较 ,实验证明 ,得出的奇异值分解方法可以改善多普勒回波功率谱的性能。

关键词：多普勒功率谱谱估计奇异值分解目标信号海洋回波高频地波雷达海洋探测

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融合卫星姿态的星地信道建模及硬件模拟

信号处理 2024年第6期40卷 1019-1029页

作者：周强军吕崇玉陈小敏华博宇台鑫朱秋明南京航空航天大学电磁频谱空间认知动态系统工业与信息化部重点实验室江苏南京211100 中电科思仪科技股份有限公司山东青岛266555

针对传统星地信道模型及其硬件模拟方法没有考虑卫星姿态对信道特性影响的问题,本文基于几何地理随机模型(Geometry-based Stochastic Model,GBSM)框架,提出了一种融合卫星姿态的星地信道模型。该模型通过构建四个独立的坐标系并引入姿... 详细信息

针对传统星地信道模型及其硬件模拟方法没有考虑卫星姿态对信道特性影响的问题,本文基于几何地理随机模型(Geometry-based Stochastic Model,GBSM)框架,提出了一种融合卫星姿态的星地信道模型。该模型通过构建四个独立的坐标系并引入姿态修正矩阵,来描述卫星姿态变化对星地信道特性造成的影响。在此基础上,本文基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA),设计并研制了一种星地信道硬件模拟器。硬件模拟器采用差分迭代的算法来生成信道衰落因子,可以极大提高硬件模拟的实时性,确保生成的衰落数据与实际场景相匹配。同时,还采用了并行处理架构,可以支持最大640 MHz带宽的星地信道模拟。为了将衰落数据与并行架构相匹配,引入了并行内插算法,可以将串行的衰落数据内插成同速率的多路并行衰落数据。此外,为了能够精准控制硬件装置输出信号的功率,设计了基于预训练的功率校正方法。通过内部校正源信号预先训练出整个模拟过程给信号带来的增益再进行功率补偿,从而保证输出信号的功率可以被精准控制。最后,在典型场景下开展仿真模拟,导出硬件模拟器的输出结果并分析其统计特性,结果表明实测输出的概率密度函数(Probability Density Function,PDF)和多普勒功率谱密度(Doppler Power Spectral Density,DPSD)与理论值吻合,证明本文设计的硬件模拟器可以准确地复现实际场景下卫星姿态发生变化的星地信道。本文提出的融合卫星姿态的星地信道模型以及研制的硬件模拟器很好地解决了传统模型以及硬件模拟方法的局限性,在卫星通信系统的优化、评估和验证环节具有极大的潜在价值。

关键词：星地信道模型信道模拟姿态修正矩阵多普勒功率谱