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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:謝光龍
研究生(外文):Guang-Lung Shie
論文名稱:Ka波段地面鏈路降雨效應與植被遮蔽效應之研究
指導教授:陳錕山陳錕山引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:太空科學研究所
學門:自然科學學門
學類:天文及太空科學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:89
中文關鍵詞:Ka降雨植被
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隨著無線多媒體網際網路應用的日益頻繁,地面微波通訊的應用
上日趨重要,由於頻譜之擁擠,世界各國均傾向採用Ka(26~40GHz)
波段。不過此一波段信號在地表大氣通道傳播時,容易受到自然環境
因素影響,其中又以降雨和植被遮蔽造成的信號衰減情況最為嚴重,
所以本文將針對降雨和植被遮蔽的效應進行討論。
在降雨效應部分,本文利用實際架設的Ka 波段地面鏈路來量測
降雨效應所造成的信號衰減,並且統計由中央氣象局所提供的中壢地
區及台灣北、中、南三區的十數年逐時降雨分佈,並與國際上常用的
ITU-R 與Crane 模式作比較後,發現兩者皆有明顯高估之情形,所以
本文基於本地實驗結果,嘗試修正ITU-R 與Crane 模式的係數,以符
合中壢地區真實的降雨分佈與降雨衰減;另外由於中央氣象局提供的
資料為逐時資料,但在通訊上使用逐分資料較為恰當,所以發展了逐
時與逐分資料的轉換,經由轉換中壢地區十數年的逐時資料為逐分資
料後,我們建議中壢地區降雨分佈的R0.01 值為71mm/hr。
在植被遮蔽效應部分,分別針對各主要樹種(混和、闊葉、針葉
林)進行量測信號穿透的衰減與機率分佈,實驗結果發現其有效衰減
ii
分別為7.24dB/m、9.67dB/m 與1.51dB/m;而在機率分佈上,三種主
要樹種皆偏向於Gamma 分佈。
...............................................................................................................................i
圖片目錄.......................................................................................................................vi
表格目錄........................................................................................................................x
第一章緒論..............................................................................................................1
1.1 研究目的........................................................................................................1
1.2 文獻回顧........................................................................................................2
1.3 內容簡介........................................................................................................4
第二章Ka 波段量測系統.........................................................................................5
2.1 信號發射端....................................................................................................6
2.2 信號接收端..................................................................................................10
2.3 雨量計..........................................................................................................15
2.4 資料儲存及控制軟體...................................................................................19
第三章降雨效應實驗與降雨率分佈統計..............................................................21
3.1 實驗使用設備...............................................................................................21
3.2 量測系統參數..............................................................................................21
3.3 實驗設備架設位置.......................................................................................22
3.4 實驗方法.......................................................................................................23
3.5 資料分析.......................................................................................................23
3.5.1 降雨分佈統計.........................................23
3.5.2 降雨衰減.............................................31
第四章降雨效應實驗結果討論與應用..................................................................35
4.1 降雨衰減模型...............................................................................................35
4.1.1 ITU-R 降雨分佈模型...................................35
4.1.2 全球降雨率模型(Crane model)..........................39
4.2 降雨效應實驗結果與應用..........................................................................44
4.2.1 實際降雨分佈與Model 之比較..........................44
4.2.2 修正ITU-R 參數與Rain rate conversion model .........45
4.2.3 修正Crane model 參數來真實描述降雨衰減..............52
第五章植被遮蔽效應實驗......................................................................................55
5.1 實驗使用設備..............................................................................................55
5.2 量測系統參數..............................................................................................56
5.3 實驗設備架設位置......................................................................................56
5.4 實驗方法......................................................................................................57
5.5 植被效應實驗數種與樹葉..........................................................................58
5.6 相關理論......................................................................................................61
第六章植被遮蔽效應實驗結果討論......................................................................64
6.1 功率衰減......................................................................................................64
6.2 接收功率之機率分布情形..........................................................................67
第七章結論與未來展望..........................................................................................73
7.1 結論..............................................................................................................73
7.1.1 降雨效應.............................................73
7.1.2 植被遮蔽效應.........................................74
7.2 未來展望......................................................................................................74
7.2.1 降雨效應.............................................74
7.2.2 植被遮蔽效應.........................................75
REFERENCES..................................................................................................................76
vi
圖片目錄
圖2.1 Ka 頻帶連續波信號產生器及接收器設備⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5
圖2.2 Ka 頻帶連續波信號產生器外觀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6
圖2.3 Ka 頻帶連續波信號收發器天線結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7
圖2.4 天線垂直剖面場型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8
圖2.5 天線水平剖面場型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8
圖2.6 Ka 頻帶連續波信號發射器內部元件結構一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
圖2.7 Ka 頻帶連續波信號發射器內部元件結構二⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9
圖2.8 Ka 頻帶連續信號接收器外觀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10
圖2.9 Ka 頻帶連續波信號接收器內部元件結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11
圖2.10 Ka 頻帶連續波信號發射器電源供給與DC 信號輸出部份⋯12
圖2.11 Ka 頻帶連續波信號接收器電源供給、中頻與DC 信號輸出部
份⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯12
圖2.12 HP8596E 頻譜分析儀外觀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13
圖2.13 傾斗式雨量計外觀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15
圖2.14 傾斗式雨量計內部結構圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16
圖2.15 光學式雨量計外觀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
圖2.16 光學式雨量計內部結構⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17
vii
圖2.17 信號及雨量資料接收控制軟體使用界面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19
圖2.18 信號及雨量資料資料接收控制軟體資料記錄格式⋯⋯⋯20
圖3.1 實驗設備架設位置圖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯22
圖3.2 1989~2000 中壢測站逐年逐時降雨資⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24
圖3.3 1989~2000 中壢測站降雨平均值與標準差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯24
圖3.4 1989~2000 中壢測站累積雨量與最大降雨率⋯⋯⋯⋯⋯⋯25
圖3.5 1989~2000 台北測站逐年逐時降雨資料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25
圖3.6 1989~2000 台北測站降雨平均值與標準差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯26
圖3.7 1989~2000 台北測站累積雨量與最大降雨率料⋯⋯⋯⋯⋯26
圖3.8 1991~2000 台中測站逐年逐時降雨資料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27
圖3.9 1991~2000 台中測站降雨平均值與標準差⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯27
圖3.10 1991~2000 台中測站累積雨量與最大降雨率⋯⋯⋯⋯⋯28
圖3.11 1989~2000 高雄測站逐年逐時降雨資料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯28
圖3.12 1989~2000 高雄測站降雨平均值與標準差⋯⋯⋯⋯⋯⋯29
圖3.13 1989~2000 高雄測站累積雨量與最大降雨率⋯⋯⋯⋯⋯29
圖3.14 CWB 逐時資料與本單位所使用之逐分及逐時資料⋯⋯⋯30
圖3.15 傾斗式與光學式雨量計對於信號衰減之靈敏度⋯⋯⋯⋯32
圖3.16 降雨率51.9 mm/hr⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯33
圖3.17 降雨率24.5 mm/hr⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯34
viii
圖4.1 美洲氣候分佈劃分(ITU-R)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36
圖4.2 歐洲與非洲的氣候分佈劃分(ITU-R)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯36
圖4.3 亞洲氣候分佈劃分(ITU-R)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37
圖4.4 ITU-R 提供的各地降雨分佈⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯37
圖4.5 美洲氣候分佈劃分(Crane)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯39
圖4.6 歐洲與非洲的氣候分佈劃分(Crane)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40
圖4.7 亞洲氣候分佈劃分(Crane)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯40
圖4.8 Crane 提供的各地降雨分佈⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41
圖4.9 Crane model 降雨率R 與經驗常數d⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯43
圖4.10 各地累積十數年逐時資料與逐分資料和model 之比較⋯44
圖4.11 將四個地區與本單位所得之R0.01 代入ITU-R model⋯⋯45
圖4.12 修正過後的ITU-R 與實驗結果的比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯47
圖4.13 轉換後所得之結果與實驗結果之比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯48
圖4.14 CWB 逐時資料與本單位所使用之逐分及逐時資料⋯⋯⋯49
圖4.15 轉換過後的逐時資料與修正過後ITU-R⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51
圖4.16 Crane model 預估之信號衰減與實際衰減作回歸分析⋯⋯53
圖4.17 特定降雨率下降雨衰減與有效距離的關係⋯⋯⋯⋯⋯⋯54
圖4.18 特定距離下降雨衰減與降雨率的關係⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54
圖5.1 植被效應實驗一設備架設位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯56
ix
圖5.2 植被效應實驗二、三設備架設位置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯57
圖5.3 植被效應實驗一之樹種⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯58
圖5.4 植被效應實驗一之樹葉種類⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯58
圖5.5 植被效應實驗二之樹種⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯59
圖5.6 植被效應實驗二之樹葉⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯59
圖5.7 植被效應實驗三之樹種⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60
圖5.8 植被效應實驗三之樹葉⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60
圖5.8 vv 偏極的simulation 與各種distribution⋯⋯⋯⋯⋯⋯62
圖5.9 hh 偏極的simulation 與各種distribution⋯⋯⋯⋯⋯⋯62
圖6.1 LOS 與混合樹林遮蔽功率衰減⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
圖6.2 LOS 與混合闊葉榕樹功率衰減⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯64
圖6.3 LOS 與混合針葉松樹功率衰減⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65
圖6.4 混合型樹林實驗結果與model 之比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯67
圖6.5 闊葉榕樹實驗結果與model 之比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯67
圖6.6 針葉松樹實驗結果與model 之比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯68
圖6.7 混合型樹林實驗資料使用moving window 作回歸分析⋯⋯69
圖6.8 闊葉榕樹實驗資料使用moving window 作回歸分析⋯⋯⋯69
圖6.9 針葉松樹實驗資料使用moving window 作回歸分析⋯⋯⋯70
表格目錄
表Ⅱ-Ⅰ Ka 頻帶連續波信號產生器設備規格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6
表Ⅱ-Ⅱ Ka 頻帶連續波信號接收器設備規格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10
表Ⅱ-Ⅲ HP8596E 頻譜分析儀規格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯14
表Ⅱ-Ⅳ 傾斗式雨量計規格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16
表Ⅱ-Ⅴ 光學式雨量計規格⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18
表Ⅲ-Ⅰ 降雨效應實驗發射與接收端的量測系統參數⋯⋯⋯⋯⋯21
表Ⅳ-Ⅰ 各地區累積降雨分佈的百分比(ITU-R)⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯38
表Ⅳ-Ⅱ-i 各地區累積降雨分佈的百分比(Crane)⋯⋯⋯⋯⋯⋯41
表Ⅳ-Ⅱ-ii 各地區累積降雨分佈的百分比(Crane)⋯⋯⋯⋯⋯⋯42
表Ⅳ-Ⅲ 各地逐時、逐分與model 之R0.01 之比較⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯50
表Ⅴ-Ⅰ 植被效應實驗發射與接收端量測系統參數⋯⋯⋯⋯⋯⋯56
表Ⅵ-Ⅰ 各樹種之功率衰減⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯66
表Ⅵ-Ⅱ 混合樹林之RSE test⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
表Ⅵ-Ⅲ 闊葉榕樹之RSE test⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯71
表Ⅵ-Ⅳ 針葉松樹之RSE test⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72
76[1] Bussey, H. E., “Microwave Attenuation Statistics Estimated fromRainfall and Water Vapor Statistics,” Proc. IRE, pp. 781-185, 1950.[2] Crane, R. K., “Electromagnetic Wave Propagation Through Rain,”Wiley, 1996.[3] Crane, R. K., ”Propagation Phenomena Affecting SatelliteCommunication Systems Operating in the Centimeter and MillimeterWavelength Bands,” Proc. IEEE, vol.59, pp. 173-188, Feb 1971.[4] Crane, R. K., ”Automatic Cell Detection and Tracking,” IEEE Trans.Geosci. Electronic., GE —17, 250-262, 1979.[5] Crane, R. K., ”Prediction of Attenuation by Rain,” IEEE Trans.Commun., COM-28(9), 1717-1733, 1980.[6] Crane, R. K., ” Evaluation of Global Model and CCIR Models forEstimation of Rain Rate Statistics,” Radio Sci., 20(4),865-879,1985b.[7] Crane, R. K., ”A Two-Component Rain Model for the Prediction ofAttenuation Statistics,” Radio Sci., 17(6), 1371-1387,1982.[8] ITU-R Rec. 530-8, International Telecommuication Union.[9] ITU-R Rec. 837-1, International Telecommuication Union.[10] ITU-R Rec. 838, International Telecommuication Union.[11] Olsen et al., “The b aR Relation in the Calculation of RainAttenuation,” IEEE Trans. Antenna and Propagation, vol. AP-26,NO.2 March 1987.[12] J. Morrison; Cross, M. J.,”Scattering of a Plane ElectromagneticWave by Axisymmetric Raindrops,”Bell Syst. Tech. J., vol. 53, No.6,July-Aug. pp. 995-1019, 1974.[13] Tzeng, Y. C., “T-Matrix Approach to Volume ScatteringSimulation,” University of Texas at Arlington, Ph.D ,1992.[14] S. T. Wu, “Preliminary Report on Measurement of Forest Canopieswith C Band Radar Scatterometer at NASA/NSLT,” IEEE TransGeosci. Remote Sensing, vol. GE-24, pp. 894-899, 1986.[15] H. Hirosawa, Y. Matsuzaka, and O. Kobayashi, “Measurement ofMicrowave Backscatter from a Cypress With and Without Leaves,”IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 27, no. 6, pp.698-701,1989.77[16] E. Mougin, A. Lopes, and T. LeToan, “Microwave Propagation at XBand in Cylindrical Shaped Forest Components: AttenuationObservation,“ IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 28, pp.60-69, 1990[17] K. S. Chen and Chih-Yuan Chu,"Statistical Characterization ofScattering Signals from Vegetation at Frequency Above X-band byNumerical Simulations," accept by JCIE 2001.[18] Moupfouma, F., ”Model of Rain Rate Distribution for Radio SystemDesign,” IEE Proc., 134, Pt.H, (6) 527-537,1987.[19] Moupfouma, F. et al., “ Modeling of the Rainfall Rate CumulativeDistribution for The Design of Satellite and TerrestrialCommunication Systems,” Int. Journal of Satellite Communications,vol. 13, 105-115, 1995.[20] Moupfouma, F. et al., “ A New Theoretical Formulation forCalculation of The Specific Attenuation due to PrecipitationParticles on Terrestrial and Satellite Radio Links,” Int. Journal ofSatellite Communications, vol. 15, 89-99, 1997.[21] Crane, R. K., “A Global Model for Rain Attenuation Prediction,”EASCON’78” Record, IEEE Pub, 78CH 1354-4 AES, Arlington,VA, Sept 1978.[22] 鞠志遠, “ 中壢地區Ka 波段地面鏈路降雨衰減實驗,” 國立中央大學太空科學研究所碩士論文, 1998.[23] 李果穎, “ K 波段地面鏈路降雨衰減效應之研究,” 國立中央大學太空科學研究所碩士論文, 2001.[24] 蔡代華, “ 植被微波散射與傳播理論之研究及其應用,” 國立中央大學太空科學研究所碩士論文,1995.
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