ITU-R P.526的算法及多刃峰繞射解析

前言

電波在傳播過程中遇到尺寸和工作波長相近的障礙物時(shí)，會(huì)繞過障礙物向前傳播，這種現(xiàn)象叫做電波的繞射。

在電視、調(diào)頻廣播頻段（30 MHz～1000 MHz），由于其波長在米級及百米級范圍，在復(fù)雜地形、地物的地理?xiàng)l件下，電波容易發(fā)生繞射現(xiàn)象。

傳統(tǒng)的電波傳播預(yù)測模型ITU-R P.370以及ITU-R P.1546比較適用于開闊和低起伏的丘陵地區(qū)，而對于多山地區(qū)，其預(yù)測誤差相對較大。為此，國際電聯(lián)在1978年制訂了ITU-R P.526建議書——《Propagation by diffraction》，主要描述了傳播中的繞射影響及其場強(qiáng)的預(yù)測方法，在預(yù)測中除了考慮崎嶇地形所造成的繞射外，還涉及地球球形表面對傳播的繞射影響。但是該建議書只提供了單刃峰、雙刃峰和單圓形峰情況下的繞射算法，并沒有針對復(fù)雜地形提出一般的解決方法。本文試圖結(jié)合Bullington法、Epstein-Peterson法討論ITU-R P.526及多刃峰繞射的計(jì)算和實(shí)際應(yīng)用情形。

ITU-R P.526的算法

單個(gè)障礙物的形狀比較復(fù)雜時(shí)，難以給出精確的解析解。只有兩種形狀的單個(gè)障礙物可以給出完備的解析解：一種是厚度可以忽略的刃峰（knife-edge），參見圖1及圖2;一種是表面光滑的圓柱體障礙物，參見圖3。

在單刃峰情況下，傳播路徑上只有一個(gè)障礙物對傳播造成了損耗。可根據(jù)下面兩個(gè)公式來計(jì)算由該障礙物所產(chǎn)生的影響。

公式中各參數(shù)含義見圖1和圖2。

在單圓形峰情況下，傳播路徑上只有一個(gè)圓形的障礙物對傳播有影響，在計(jì)算損耗的過程中要加上一個(gè)修正因子，該修正因子由下式提供：

T（m，n）=kmb ③。

其中k=8.2+12.0n，b=0.73+0.27［1-exp（-1.43n）］，

公式中各參數(shù)含義見圖3。

多峰繞射

最簡單的多峰繞射問題是雙刃峰繞射。由雙重障礙物產(chǎn)生的雙重刃形繞射可以通過對菲涅爾公式的雙重積分得到，但是計(jì)算量巨大。而Bullington法、Epstein-Peterson法利用等效方法較好地解決了這個(gè)問題。

在Bullington法中（見圖4），A、B和C點(diǎn)的障礙物被交界處D點(diǎn)的一個(gè)等效刃形障礙物替代，這時(shí)A點(diǎn)和B點(diǎn)的障礙物可以忽略。

在Epstein-Peterson法中（見圖5），a、b、h′1和b、c、h′2可以分別構(gòu)成單刃峰。先利用公式求出a、b、h′1之間的繞射損耗L1，然后求出b、c、h′2之間的繞射損耗L2，在求出L1和L2之后需要再加上一個(gè)修正因子Lc，其計(jì)算公式如下：

那么總的繞射損耗為：

L=L1+L2+LC ⑤。

在對山區(qū)的傳播預(yù)測計(jì)算中，傳播路徑一般存在多個(gè)障礙物。在這種情況下，必須將多重刃峰等效成單刃峰或者雙刃峰才能求得繞射損耗?？梢来卫肂ullington法將多個(gè)刃峰逐次等效，最后成為等效單刃峰，從而計(jì)算出總的傳播損耗，也可利用Epstein-Peterson法依次等效。但是應(yīng)注意Epstein-Peterson提供的雙刃峰處理方法中，當(dāng)障礙物距離d較大時(shí)，得到的結(jié)果比較準(zhǔn)確。當(dāng)障礙物距離d較小時(shí)，得到的結(jié)果誤差較大。因此在構(gòu)造刃峰的時(shí)候，必須限制刃峰的數(shù)量，盡量考慮對繞射影響較大的刃峰。

實(shí)際應(yīng)用

在廣播電視行業(yè)中廣播場強(qiáng)的預(yù)測（主要指電視和調(diào)頻廣播）所依據(jù)的電波傳播模型主要是1951年國際電聯(lián)制定的ITU-R P.370建議書中的模型——《VHF and UHF propagation curves for the frequency range from 30 MHz to 1000MHz》。盡管2001年國際電聯(lián)研究制訂了新的電波傳播場強(qiáng)預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)ITU-R P.1546——《Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30MHz to 3000MHz》，并用該標(biāo)準(zhǔn)替代了長期使用的ITU-R P.370標(biāo)準(zhǔn)，但是在廣播場強(qiáng)預(yù)測方面，我國的國標(biāo)仍然采用的是ITU-R P.370標(biāo)準(zhǔn)。

盡管與ITU-R P.370相比，ITU-R P.1546在預(yù)測精度和使用范圍上都有所提高，但是這兩個(gè)建議書均未考慮障礙物的繞射影響。因此，在多山地區(qū)，當(dāng)繞射影響成為傳播預(yù)測的主要因素時(shí)，這兩個(gè)傳播模型的預(yù)測誤差就明顯地增大了，例如，中國粵港邊界地區(qū)就是一個(gè)典型的例子。

為了提高電波傳播預(yù)測的準(zhǔn)確性，人們一方面在理論計(jì)算上試圖找到繞射問題的精確的解析解，另一方面，如同ITU-R P.370和ITU-R P.1546那樣，試圖通過大量的實(shí)際觀測數(shù)據(jù)總結(jié)出繞射問題的規(guī)律性的傳播預(yù)測曲線。這兩方面的成果基本上已經(jīng)體現(xiàn)在了ITU-R P.526建議書中。

在實(shí)際應(yīng)用ITU-R P.526處理多峰繞射的過程中，必須結(jié)合電子地圖才能充分發(fā)揮出其預(yù)測精準(zhǔn)的特點(diǎn)。而在電子地圖中，構(gòu)造和提取各種計(jì)算所需要的地理信息參數(shù)則是十分專業(yè)的問題。其中第一菲涅爾區(qū)是否被阻擋以及阻擋的程度、刃峰的構(gòu)造、判別以及等效是處理該問題的核心?；浉圻吔绲貐^(qū)廣播電視頻率規(guī)劃協(xié)調(diào)的實(shí)際證明，在處理復(fù)雜的多山地區(qū)的電波傳播預(yù)測問題時(shí)，ITU-R P.526模型更接近于實(shí)測值。

應(yīng)該注意到，在電視、調(diào)頻廣播頻段（30 MHz～1000 MHz）內(nèi)應(yīng)用ITU-R P.526建議書時(shí)，主要考慮的障礙物一般為山峰或丘陵等地形障礙，對于高大建筑物的影響一般并不涉及。如何應(yīng)用ITU-R P.526建議書計(jì)算預(yù)測高大建筑物的繞射影響，還需要業(yè)內(nèi)專家進(jìn)一步探討。