通信基站附近电磁环境预测系统的研制

摘要
随着移动通信技术的快速发展和城市人口的不断增多，及个人对无线通信业务的需求迅速增长，通信基站如雨后春笋般建立，再加上广播电视发射系统，雷达系统等，向空间大量地辐射电磁波。如果环境中存在大量的电磁波而不加以控制，将会带来电磁环境污染。这不仅会使电子设备受到干扰，影响正常工作，也会对人体带来疾病等伤害。所以，根据国家有关规定，在通信基站建立之前，首先需要评估基站的建立会对周围的环境带来的影响。这就决定了电波传播预测的重要性。国内目前在电磁环境影响评价中计算、预测大型电磁辐射源附近的电磁环境（包括中波广播、短波广播、电视、调频广播、微波发射、移动通信基站等）都是采用《HJ/T 10.2－1996辐射环境保护管理导则电磁辐射监测仪器和方法》介绍的理论公式。在这些公式中，第一没有考虑大型辐射源周围地形、地物的影响（例如高大建筑物或建筑物群的分布等），都是假定发射天线是架设在平坦、开阔的场地上；第二没有区分大型辐射源近区场和远区场计算方法的差别。所以理论计算的结果和辐射源投入运行后实际的场强分布的误差往往很大。例如在计算、预测某一中波广播发射塔附近的电磁环境影响时，计算结果和实际数据误差竟高达几百倍。所以本文采用了射线跟踪算法，进行精确的电磁环境预测。
本文首先介绍了射线跟踪算法的机理，比较了射线跟踪的正向算法和反向算法，并指出两种算法各自适合应用的场合，从而说明本课题采用反向射线跟踪算法的原因。射线的传播主要有直射、反射、衍射和折射等方式，对其的研究需要基于一定的传播环境，本文第三章给出环境三维建模的方法，适合不同城市小区的建模。然后重点介绍了反向射线跟踪的三维路径搜索方法和电磁波在直射、反射、衍射等传播方式中的场强的计算方法，并以VS2005为开发平台研制了电磁环境预测软件。最后以某城市某小区为实例，给出通过软件计算得出的确定路径和精确场强值，并与实地测量结果进行比较。通过结果比较，显示了本文所研究的路径搜索方法的有效性及电磁环境预测软件的正确性。
关键字：三维建模三维路径搜索电磁环境预测系统
目录
1 引言..................................................................................................... 1
1.1 背景..............................................................................................................1
1.2国内外研究现状及分析.................................................................................3
1.3本文研究的主要内容.....................................................................................5
1.4本章小结.........................................................................................................5
2 射线跟踪方法..................................................................................... 7
2.1射线跟踪方法的简介.....................................................................................7
2.2正向射线跟踪算法.........................................................................................8
2.3反向射线跟踪算法.......................................................................................11
2.4 两种方法的比较........................................................................................11
2.5 本章小结....................................................................................................12
3 三维建模系统................................................................................... 13
3.1 小区模型的可视化显示............................................................................13
3.2 数据结构....................................................................................................14
3.3 三维建模系统的实现及功能介绍............................................................17
3.4 本章小结....................................................................................................18
4 基于射线跟踪法的电磁环境预测................................................... 19
4.1 反向射线跟踪的三维路径搜索方法........................................................19
4.1.1 一次反射............................................................................................................ 19
4.1.2 一次绕射......................................................................................................... 20
4.1.3 一次反射加一次绕射...................................................................................... 21
4.1.4 一次绕射加一次反射...................................................................................... 22
4.1.5 二次反射......................................................................................................... 23
4.1.6 二次绕射......................................................................................................... 23
4.2 反向射线跟踪路径搜索的基本算法........................................................25
4.2.1 求交计算......................................................................................................... 25
4.2.1.1 线与面的求交运算...................................................................................... 25
4.2.1.2 绕射点的求解运算...................................................................................... 26
4.2.2 包容性测试..................................................................................................... 27
4.3反向射线跟踪的三维路径搜索方法的优化...............................................28
4.4 场强计算......................................................................................................30
4.4.1 直射波场强..................................................................................................... 30
4.4.2  反射场强....................................................................................................... 31
4.4.3 绕射场强......................................................................................................... 32
4.5 本章小结....................................................................................................35
5 场强预测系统的实现及结果分析................................................... 36
5.1 场强预测系统软件介绍..............................................................................36
5.1.1 系统描述......................................................................................................... 36
5.1.2 软件界面介绍................................................................................................. 36
5.2  系统的实现................................................................................................38
5.2.1 软件开发平台................................................................................................... 38
5.2.2 预测软件系统程序实现.................................................................................... 39
5.3 计算实例及结果分析................................................................................42
5.3.1 计算实例........................................................................................................... 42
5.3.2 结果分析......................................................................................................... 51
5.3 本章小结....................................................................................................52
6 结论................................................................................................... 53
参考文献................................................................................................. 54
致谢......................................................................................................... 56
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果............................. 56