محاسبه تضعیف در محیط باران با مدل‌سازی شکل واقعی قطرات به روش تفاضل محدود حوزه زمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

2 صنعتی نوشیروانی

3 دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

چکیده

روش تفاضل محدود در حوزه زمان در سه بعد پیاده‌سازی و از آن برای محاسبه سطح مقطع کل ناشی از قطرات باران با شکل واقعی استفاده شده است. راستی‌آزمایی نتایج این روش از طریق شبیه‌سازی مدل MPP (واقعی) قطره باران با استفاده از روش معادلات انتگرالی حجمی در نرم‌افزار CST مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین میزان دقت مدل بیضی‌گون‌ قطره باران از طریق مقایسه نتایج سطح مقطع کل آن با مدل MPP سنجیده و نتایج شبیه‌سازی‌ها در فرکانس GHz 30 و به‌ازای قطبش‌های عمودی و افقی موج تابشی ارائه شده است. در نهایت از نتایج محاسبات سطح مقطع کل برای محاسبه تضعیف ویژه قطرات باران با مدل توزیع مارشال- پالمر برای قطرات در محیط استفاده شده است. نمودارهای میزان تضعیف ویژه ناشی از محیط باران به ازای شدت بارش‌های مختلف و در قطبش‌های عمودی و افقی موج تابشی ارائه شده‌اند. این نتایج در محاسبات مربوط به انتشار امواج در محیط‌های بارانی قابل اعمال خواهند بود.

کلیدواژه‌ها


   [1]      T. Oguchi, “Electromagnetic wave propagation and scattering in rain and other hydrometeors,” Proc. IEEE, vol. 71, no. 9, pp. 1029-1078, 1983.##
   [2]      D. P. Lin, H. Y. Chen, “Volume integral equation solution of extinction cross section by raindrops in the range       0.6-100 GHz,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 49, no. 3, pp. 494-499, 2001.##
   [3]      D. P. Lin, H. Y. Chen, “An empirical formula for the prediction of rain attenuation in frequency range 0.6-100 GHz,” IEEE Trans. Antennas Popagat., vol. 50, no. 4, pp. 545-551, 2002.##
   [4]      L. W. Li, T. S. Yeo, P. S. Kooi, M. S. Leong, “An efficient calculational approach to evaluation of microwave specific attenuation,” IEEE Trans. Antennas Popagat., vol. 48, no. 8, pp. 1220-1229, 2000.##
   [5]      S. A. Kanellopoulos, A. Panagopoulos, J. D. Kanellopoulos, “Calculation of electromagnetic scattering from a pruppacher-pitter raindrop using M.A.S and slant path rain attenuation prediction,” International Journal of Infrared and Millimeter Waves, vol. 26, no. 12, pp. 1783-1802, 2005.##
   [6]      M. Bahrami, J. Rashed-Mohassel, “An exact solution of coherent wave propagation in rain medium with realistic raindrop shapes,” PIER, vol. 79, pp. 107-118, 2008.##
   [7]      R. P. S. Gangwar, “The finite element approach for evaluation of extinction cross-section of realistically distorted raindrops,” Indian Journal of Radio Space and Physics, vol. 37, no. 2, pp. 114-120, 2008.##
   [8]      “Computer Simulation Technology (CST)”; http://CST.com##
   [9]      A. Battaglia, P. Franco and S. Orazio, “Radar and scattering parameters through falling hydrometeors with axisymmetric shapes,” Applied optics, vol. 40, no. 18, pp. 3092-3100, 2001.##
[10]      L. W. Li, P. S. Kooi, M. S. Leong, T. S. Yeo, M. Z. Gao, “Microwave attenuation by realistically distorted raindrops: part I. theory,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 43, no. 8, pp. 811-822, 1995.##
[11]      K. S. Yee, “Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwell’s equations in isotropic media,” IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 14, pp.    302–307, 1966.##
[12]      A. Z. Elsherbeni, V. Demir, “The finite-difference time-domain method for electromagnetics with MATLAB simulations,” The Institution of Engineering and Technology, 2016.##
[13]      J. S. Marshall, W. M. Palmer, “The distribution of raindrops with size,” Journal of Meteorology, vol. 5, pp. 165–106, 1948.##
[14]      P. Ray, “Broadband complex refractive indices of ice and water,” Applied Optics, vol. 11, no. 8, pp. 1836-1844, 1972. ##
[15]      ITU-R, “Specific attenuation model for rain for use in prediction methods,” Rec. ITU-R P.838-3, 2005.##
[16]      M. Bahrami, A. Lotfi, B. mirzapour, “Simulation of rainfall effects on radio wave propagation at Ku and Ka bands,” Iranian Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 6, no. 3, pp. 241-246, 2008. (In Persian)##
[17]      H. R, Pruppacher, and K.V. Beard, “A wind tunnel investigation of the internal circulation and shape of water drops falling at terminal velocity in air,” Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, vol. 96, no. 408, pp. 247-256, 1970.##
[18]      J. A. Morrison and M. J Cross, “Scattering of a plane electromagnetic wave by axisymmetric raindrops,” Bell Labs Technical Journal, vol. 53, no. 6, pp. 955-1019, 1974.##
[19]      K. V. Beard, and C. Chuang, “A new model for the equilibrium shape of raindrops,” Journal of the Atmospheric Sciences, vol. 44, no.11, pp. 1509-24, 1987.##
[20]      H. R Pruppacher and J. D. Klett, “Microphysics of clouds and precipitation, Kluwer Acad,” Morwell Mass, 1997.##
[21]      H. R Pruppacher and R. L. Pitter, “A semi-empirical determination of the shape of cloud and rain drops,” Journal of the Atmospheric Sciences, vol. 28, no. 1, pp.   86-94, 1971.##
[22]      T. Oguch, “Scattering properties of Pruppacher‐and‐Pitter form raindrops and cross polarization due to rain: Calculations at 11, 13, 19.3, and 34.8 GHz,” Radio Science vol.12, no. 1, pp.41-51, 1977.##
[23]      L. W. Li, P. S. Kooi, M. S. Leong, and T. S. Yeo, “On the simplified expression of realistic raindrop shapes,” Microwave and Optical Technology Letters vol.7, no. 4, pp. 201-205, 1994.##
[24]      R. E. Collin, “Antennas and radiowave propagation”; McGraw-Hill Higher Education, 1985.##
R. L. Oslen, D. V. Rogers, and D. Hodge, “The aRb relation in the calculation of rain attenuation,” IEEE Trans. Antennas Propagat., Vol. 26, No. 2, pp. 318-329, 1978##