基于抛物方程的数字地图电磁建模及仿真研究

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无线电波传播是现在社会信息传输的一种主要方式,在诸如基站选址、网络优化等工程应用中,电波传播特性的分析具有重要的参考价值。复杂地理环境是影响电波传播特性的主要因素之一,它的影响主要包括两方面:一方面,地形起伏会导致电波的多径传播现象,由于地形的遮挡甚至出现传播的阴影区;另一面,随着传播路径的不同,地表电磁参数的变化将会影响地表反射系数,从而影响电波传播特性,因此对复杂地理环境下的电波传播展开研究具有十分重要的意义。抛物方程(Parabolic Equation, PE)模型本身考虑了电波传播的绕射和折射效应,被广泛地应用于对流层的电波传播问题研究中,因此本文的研究围绕着三维抛物方程的地理环境建模展开,研究了基于数字高程模型的地形网格剖分以及地表电磁环境建模。在此基础上,仿真分析了地理环境下的电波传播特性,本文的主要研究工作如下:首先,通过研究了GeoTIFF格式的数字高程模型(DEM),实现了地形数据的读取。同时考虑抛物方程的计算需要,研究了二维以及三维的地形网格剖分技术。最后,将地形起伏信息引入抛物方程模型,分析了真实地形下的电波传播特性。其次,高分辨率的地理影像可以清楚地观察到地表环境的分布情况,因此本文利用地理影像实现地表环境的分类。本文利用一种结合空间关系与颜色特征的图像分割算法对地理影像进行区域分类。为了将地表环境信息引入到抛物方程模型,本文采用地理环境标记的方法对分类后的区域进行标记,实现了地表环境的分类。同时结合3DPE模型计算的需要,对地表环境进行了网格剖分处理。最后,不同的地表环境采用不同的电磁参数,实现了地表的电磁环境建模。最后,本文利用DEM数据和地理影像建立了同时具备地表电磁环境信息和地形起伏信息的地理环境模型,利用3DPE模型分别预测了地表为单一环境、综合地理环境以及PEC情况下的电波传播特性,结果表明,不同的地表环境对电波传播产生的影响不同,预测结果具有一定的差异。本文的方法为复杂地理环境下的电波传播特性的研究提供了一种可行的方法,可以为实际工程应用提供参考。
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