基于蒸发波导的电磁波传输条件图文精.docx
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基于蒸发波导的电磁波传输条件图文精
基于蒸发波导的电磁波传输条件
Abstract
TheexistenceductenvironmentaffectsthepropagationpathofradiowavesandformsadifferentEMenergycoverage.Thispropagationmechanismcausesmultiplepropagationpathandleadcomplexco-channelinterferenceproblemsinthecommunicationsystems.Meanwhile,becauseofinstabilityofthelayers,seriouspathfadingisalsocaused.Inmilitary,thepresenceoftheductenvironmentmaycauseseriouseffectstoradarsystems,suchasradioholesandextensionofdetectionrange.Thus,studyanddiscussionindepthofitisverysignificantinthefieldsofcommunicationandnationaldefense.
Inthispaper,firstlywediscussthephysicalcharacteroftheevaporationduct,includingthephysicalproperties,howtousePJmodeltosolvetheheightofevaporationductandtheinfluencefactorsintheatmosphere.Then,wediscussthetwomaininfluencefactorsofthepropagationdistanceoftheradiowaves,thefrequencyandthelaunchelevationofradiowaves.Finally,wediscussthepropagationdistanceoftheradiowavestransmittingintheevaporationductandgivetwodifferentsolutionofthepropagationdistance.
绪论
人们在利用雷达进行探测时,经常会发现一些电磁波的异常传播。
其中一种显著的现象是:
在一定的气象条件下,在大气边界层尤其是在近地层中传播的电磁波,受大气折射的影响,其传播轨迹弯向地面,当曲率超过地球表面曲率时,电磁波会部分地被陷获在一定厚度的大气薄层内,就像电磁波在金属波导管中传播一样,这种现象称为大气波导传播,形成波导传播的大气薄层称为大气波导层。
大气波导现象使得雷达有可能观测到数倍于雷达正常探测距离处的目标,实现所谓超视距探测和超视距接收,并且大气波导可增加雷达测距、测角、测速的误差,使雷达探测出现大面积盲区。
大气波导现象经常会将雷达正常探测条件下不可能出现在雷达显示屏上的远处的陆地杂波或海面杂波等显示出来,从而大大增加了雷达杂波信号分布范围,降低了雷达的检测分辨性能。
大气波导存在与否对短波通信的影响也很大,因此充分研究大气波导现象及其对电磁波传播的影响具有广阔的应用前景。
大气波导是对流层环境的一种异常大气结构,自二战以来人们就开始了有关低空大气波导的研究。
二战结束后,在对许多影响大气波导中电波传播的大气物理因素研究取得进展以后,人们开始了对大气波导形成的物理机制及相关的大气过程、大气波导传播理论、低空大气波导探测和预报以及应用展开了全面研究。
根据大气修
正折射率的空间分布特征,可将大气波导分为表面波导、悬空波导和蒸发波导三类。
大气波导传播现象的出现不仅可以使电磁波偏离原来的传播方向,而且能够使电磁波以较小的衰减沿波导传播到很远的地方。
在无线电管理上,这就使系统间的相互干扰问题复杂化,既可能干扰其它线路又可能形成新的传播路径。
在军事应用上,大气波导传播会导致雷达盲区的出现和雷达杂波的增强,从而造成定位失效甚至目标丢失,但当具有合适的频率及发射仰角时雷达又能实现超视距探测,这就为雷达探测视距以外的目标提供了一种新途径;大气波导现象还可能会造成正常微波通信电路的中断,但也会因此而形成远距离、大容量信息传输的新型微波超视距通信体制,从而解决缺乏基础通信设施的广阔海域的通信保障问题;大气波导的出现也将大大地增加敌我双方电子作战的灵活性,使基于电子武器系统的电子侦察与反侦察、电子干扰与反干扰、电子欺骗与反欺骗、电子隐身与反隐身、电子摧毁与反摧毁等具有新的攻防作战手段,这对我方获取战场电磁优势、掌握战场电磁频谱使用和控制权具有极其重要的指导意义。
总之,随着无线电电子系统性能要求与工作频率的提高,如何克服大气反常传播给电子系统性能带来的负面影响,更好地了解低空大气及其动态特性,对雷达、通信、光电传感器、自动目标识别和作战任务规划的指挥和控制来说至关重要。
同时,如何利用大气反常传播这一现象来提高电子系统的工作效能,并对各种大气环境参数进行遥感、遥测,通过研究大气波导环境中各种气象条件、战场条件下的电波传播特性以及提高电波传播特性建模的精确性,使以大气波导传播为代表
的大气反常传播特性研究的重要性变得十分突出。
另外,大气波导传播特性不仅与气象条件有关,还与地理位置、气候区域紧密联系,一些传播特性预测不能简单地套用已有的预测模式,必须针对不同区域进行深入地测量分析和试验研究,才能更好地为我国国防中电子武器系统的总体设计、性能优化和评估提供理论依据和技术支持。
本文首先介绍了海洋环境下的大气波导,着重介绍蒸发波导;然后对蒸发波导的分布规律进行了阐述,给出蒸发波导高度的求法以及如何利用PJ模型去求解;最后重点说明电磁波射线的频率和仰角对射线在蒸发波导中传播产生的影响,并给出了能够产生超视距传播的射线的最小频率及最大仰角的求法,以及传播产生的跳距的不同计算方法。
目录
目录
基于蒸发波导的电磁波传输条件.......................................................1Abstract...............................................................................................2绪论....................................................................................................3目录....................................................................................................6第一章蒸发波导物理特性.............................................................9第一节大气波导及蒸发波导的形成........................................91.1.1对流层波导特征参量..............................................91.1.2海洋环境中的大气波导..........................................111.1.3蒸发波导的形成.......................................................13第二节蒸发波导高度.............................................................151.2.1蒸发波导高度定义...................................................151.2.2PJ模型测蒸发波导高度........................................15第三节蒸发波导的强度与分布..............................................21第四节影响因素....................................................................241.4.1季节变化特征和日变化特征...................................241.4.2湿度变化敏感性特征...............................................271.4.3气海温差及气压变化敏感性特征.........................28
1.4.4风速变化敏感性特征............................................29第五节具体分布事例分析.......................................................30第六节综合分析....................................................................37第二章电磁波传输极限频率（临界波长.................................41第一节极限频率（临界波长..............................................41第二节极限频率计算（临界波长......................................42第三节传输频率对损耗的影响..............................................462.3.1传输频率对传输损耗影响......................................462.3.2不同距离处传播损耗..............................................472.3.3不同蒸发波导高度对应传播损耗...........................482.3.4自由空间电波传输损耗..........................................49第四节电磁波频率的其他分析..............................................512.4.1雷达工作频率对最大探测距离的影响..................522.4.2不同频率的电磁波对蒸发波导水平不均匀性的影响...........................................................................................53第三章电磁波传输仰角条件.......................................................55第四章蒸发波导电磁波传播模拟（跳距.................................59第一节物理模型....................................................................59第二节连续（传统积分模式..............................................64第三节离散（泰勒级数近似模式......................................66结束语..............................................................................................73参考文献...........................................................................................74
第一章蒸发波导物理特性
内容提要
蒸发波导是近海面大气由于水汽密度随高度锐减而形成的一种异常的电波传播现象。
作为一种特殊的对流层波导传播形式,通过对流层波导的形成、参数描述以及对电波传播的影响的分析研究,有利于蒸发波导中类似问题的研究。
本章通过对比,分析了蒸发波导描述参数、形成原因以及利用PJ模型求蒸发波导高度,并对我国海域蒸发波导的环境现状进行了说明。
第一节大气波导及蒸发波导的形成1.1.1对流层波导特征参量
电波传播主要受大气吸收、折射、折射的影响在各个频段上都是显著的,而折射效应的显著程度主要依赖于沿路径的折射指数变化梯度和射线初始仰角。
反射和散射的影响。
在所有这些因素中,而折射效应的显著程度主要依赖于沿路径实际的大气属于不均匀介质,其大气成分、压强、温度和湿度都随高度变化,这种变化通常使大气折射指数n随高度增大而减小。
因此在一定的大气折射指数梯度变化条件下,以一定仰角发射的电磁波波束将微微向下弯曲。
通常折射指数的
水平变化相对于垂直变化可忽略,对流层低层的折射指数n大约在1.000250和1.000400之间,接近于1。
为方便引入折射率N:
（6110Nn=-⨯（11-
其中,n是大气折射指数;N的单位是n单位。
若假设地球大气为均匀球面分层,即可使用球面分层介质中的Snell定律得到修正折射指数（mh:
（（（1eehhmhnhnhrr⎛⎫=+≈+⎪⎝⎭（12-
其中,n（h为离地高度h处的空气折射指数,er为地球半径。
若将地球表面假想为一个平面,而将电波射线作为等效的弯曲射线,则大气修正折射率M定义为:
610eh
MNr=+⨯（13-
其中.er为地球半径,取6370km;h为地面以上高度,单位是m。
则有:
0.157MNh=+（14-
由于大气的不均匀,电磁波在其中的传播路径不再是直线,而是弯向地面的。
若电波传播路径的曲率超过地球表面的曲率,则存在关系式:
10.157dN
mdh-<-（15-
此时,近地层一定高度内将发生大气波导现象。
将式（1-5代入式（1—4式有:
0dMdh<（16-
则当修正折射率M为最小值为大气波导的高度。
根据不同大气层结或探空数据就可以预测发生大气波导的高度范围。
1.1.2海洋环境中的大气波导
在海洋大气环境中通常可出现三种类型的大气波导:
蒸发波导（evaporationduct、表面波导（surface'血ct和悬空波导（olevatedduct。
后两种大气波导也可能出现在陆地大气环境中。
图1.2给出了三种类型的大气波导特征参量。
表面波导是下边界与地袭相连的大气波导,一般发生在300m高度以下的边界大气中。
它通常出现的形式有两种:
一种是波导层由一个接地陷获层直接构成的表面波导（如图1.1-a;另一种是波导层由一个悬空陷获层叠加到一个修正折射率梯度较小的接地基础层之上而构成的表面波导（如图2.1-b。
表面波导的一个显著特点是波导层顶的大气修正折射率小于地面的大气修正折射率。
表面波导一般出现在大气较稳定的晴好天气里,此时低层大气往往有一个比较稳定的逆温层,并且湿度一般随高度递减。
在海洋大气环境中常见的易于形成表面波导的天气条件主要有:
在晴朗无风的天气背景下,海面夜间辐射降温形成一个近地层的辐射逆温层;干暖气团从陆地平移到湿冷的海面上空时,形成近地层大气温度下冷上暖、湿度下湿上千的状况;雨后造成近地层下层大气又冷又湿的情况。
11
12
Zh
Z
h
（a表面波导（b含基础层的表面波导
1
h2hZ
Zh
（c悬空波导（d蒸发波导
在图1.1中,h为波导顶高度,1h为陷获层顶高度,2h为基础层
底高度,d为波导厚度,1d为陷获层厚度,2d为基础层厚度,M∆为波导强度。
悬空波导是下边界悬空的大气波导,一般发生在3000删高度以下的对流层低层大气中。
它通常是由一个悬空陷获层叠加到一个悬空基础层之上而构成（如图1.1-c。
悬空波导的一个显著特点是波导层顶的大气修正折射率大于地面的大气修正折射率。
悬空波导的下边界高度一般距离地面数十米或数百米,在此高度之上一般出现一层逆温层
结。
在海洋大气环境中常见的易于形成悬空波导的天气条件主要有:
受副热带高压影响,高层大气存在大范围的下沉运动使得干热气层覆盖于冷湿的海洋边界层低层大气之上,形成一层悬空的逆温层;在季风海域和海陆风环流盛行海域,干暖空气由陆地平流至冷湿的海面近地层大气上方,由于低层湍流较强而在上层形成一个温度随高度递减的逆温层;冬季海洋云盖大气边界层中,在低云云顶之上的混合层顶处经常会出现湿度随高度锐减的逆温层。
蒸发波导是海洋大气环境中经常出现的一种特殊的表面波导,它是由于海面水汽蒸发使得在海面上很小高度范围内的大气湿度随高度锐减而形成的（如图1.1-d。
蒸发波导一般发生在海洋大气环境40m高度以下的近海面大气中,它由一个较薄的陷获层组成。
蒸发波导高度随地理纬度、季节、一日内的时间等而变化,通常在低纬度海域的夏季、白天蒸发波导的高度较高。
1.1.3蒸发波导的形成
海上蒸发波导是由于海水的蒸发而形成的一种贴海波导,其主要参数是蒸发波导高度.蒸发波导高度是通信系统天线高度选择所用的基本参数。
由于近海面水汽随高度升高异常迅速地下降,使得海面或者大面积水域上空的蒸发波导有较高的出现概率。
且存在时间长。
一般情况下,折射率N是空气状态（大气强P、气温T和水汽压e的函数,由下式给出:
13
14（56277.63.7310110P
e
NnTT=+⨯⨯=-⨯（17-
其中,n是大气折射指数,P、T、e的单位分别是hPa、K、hPa,且水汽压
6.105100xrhee⨯=,rh为相对湿度,273.2255.31ln273.2
TT
xT-=-.（1-7式假定大气遵循理想气体定律,忽略了色散效应,其中的常数是测量出来的。
由于蒸发波导现象具有超长水平尺度特征和显著的天气背景,其特征量对大气湿度、气海温差、水平风速等气象要素的变化十分敏感.并且日变化和季节变化相当明显。
只要确定大气折射参数的垂直结构,就可确定大气波导特征参量。
表1.1给出了不同大气机构条件下对电磁波传播的影响。
表1.1各种折射类型的存在条件
电波传播通常会因为大气折射率随高度的变化而收到影响。
当大气折射率垂直梯度翻dN/dh>0时,电磁波的传播轨迹将背着地球而
15
凸起弯曲,此时的大气为负折射（sub-refraction;当dN/dh=0时,电磁波的传播轨迹不发生弯曲,而沿直线传播,此时的大气无折射（non—refraction:
当dN/dh<0时,电磁波的传播轨迹将凹着鸯向地球,此时的大气为正折射。
正折射包括标准折射（normalrefraction、超折射（super—refraction、临界折射（criticalrefraction、陷获折射（trappedrefraction等。
当近海面的大气修正折射率M满足陷获折射的条件时,海面附近的雷达发射站的电波将形成波导传播。
第二节蒸发波导高度
1.2.1蒸发波导高度定义
由第一节的（1-5（1-6式可知,在底层大气中,当10.157dN
mdh-<-或0dM
dh<时,即大气折射率N或修正折射率M随
高度的增加而降低时,就会产生大气波导现象,而当10.157dN
mdh-=-或0dM
dh=时,大气折射率及修正折射率最小,此
时所对应的高度h即为波导高度。
1.2.2PJ模型测蒸发波导高度
目前国际上描述海面蒸发波导的模型主要有:
Paulu8Jeske（PJ模型（Jeske1973;Paulus1984,1985,1989、usson—GenonGauthier
16
BrutIl（MGB模型（1992和Theproposedmodel（modelA,Fairall1978。
这些模型都是基于Monin—Obukhov和LKB理论,各模型的不同点在于T与q的梯度的算法。
PJ模型介绍:
PJ模型使用海面以上一定高度（6m上的气温、相对湿度、风速以及海表温度作为输入,其基本思想主要有以下几点:
（1使用不随气压变化的位折射率Nρ
来代替折射率N,将产生蒸
发波导的前提条件用位折射率梯度来表示。
2引入总体理查森数来描述大气稳定度以及计算莫宁一奥布霍夫长度等物理量。
3参数及结果的修正。
首先,H.V.Hitney等人建议总体理查森数应不大于1,否则令其为1;其次,R.A.Paulus通过对历史资料和较精确的浮标资料的分析,对气海温差大于一1℃条件下的计算结果进行修正,方法为若气海温差为0时的蒸发波导高度大于气海温差为一1℃时的蒸发波导高度,则计算结果取一1℃时的结果,否则仍按实际气海温差计算。
PJ模型的计算步骤:
（1利用输入参数计算理查德森数（
1
2
369asibak
TTRhuT-=⨯（18-
式中:
为测量参考高度;为海洋表面周围的空气
温度（单位℃;为海洋表面周围的空气温度（单位
K;为海洋表面的海水温度（单位℃;u为海洋表
面的风速（单位k,且值被限制必须小于l。
总体理查德森数
ib
R反应了大气层结的稳定性,当ibR>0时表示稳
定层结;当
ib
R=0时表示中性层结;ibR<0表示不稳定层结。
选取史气象水文数据,蒸发波导PJ模型计算各条有效记录对应的波导高度和总体理查森数,随后对蒸发波导高度和总体理查森数进行统可得到其
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