近海面大气波导探测及与其它研究结果的比较

图 5 蒸发波导实测与理论估算的同步性比较
5 结论
通过上面的分析可知 ,用精度高 、响应速度快 、 采样率高的微波折射率仪测量出现频率高 、高度较 低的贴海蒸发波导是一种有效的方法 ;但从现有的 条件来看 ,这种方法只能局限于较低高度 (50m 以 下) 的贴海蒸发波导测量 。现在正在努力实现微波 折射率仪的小型轻便化和无线接收 ,这样就可用系 留气球探测 1000m 以下的低空大气波导结构 ,拓宽 了折射率仪的实用范围 。
1 引 言
随着各种微波雷达系统及战场通信系统精度需 求的提高 ,作为提高其精度的核心技术 ———大气波 导环境对系统的影响必须考虑 。根据大气环境特性 的不同 ,可形成各种不同性质的大气波导 ,其中海上 蒸发波导是一种发生概率高 (50 %以上) 、高度一般 在 30m 以下的贴海波导 ,岸基和舰载微波雷达系统 可以充分利用蒸发波导效应实现海上超视距探测 , 达到先机制敌的目的 。因而形成一套快速 、实效的
大气波导[1] ,它与折射率 N 的关系是 :
M
=
N
+
h a
×106 ( M 单位)
(3)
式中 , h 是 测 量 高 度 , a 是 平 均 地 球 半 径 , 约 为
6370km。当修正折射率 M 梯度满足[1]
dM dh
≤0
(4)
时 ,出现大气波导 。下面给出了出现波导时的 M 剖
面图[4 ] 。
271
(2) 剖面获取 :如何实时 、准确地反映出复杂多 变的低层大气折射率的变化 ,具有响应速度快 、数据 采样率高的微波折射率仪很好地解决了这个问题 ; 为了使测试数据具有代表性 ,将折射率仪在观测塔 上 15min 之内连续滑动四次 (两次升 ,两次降) ,得到 四个折射率剖面 。
(3) 曲线拟合 :由于折射率仪是在一定的高度范
见表 1 ; 另外 , 利用实测的地面气象要素 ( 基值测 面数据的准确性和代表性 ,而近海面空气气象数据
定) ,根据蒸发波导的估算理论进行了计算[3] ,结果 的精度正是理论估算所必需的 。由数据库查询出的
见表 1 ;根据气海作用理论[3] 和中国南部海洋 3 年 波导平均高度与折射率仪实测平均高度基本吻合 ,
(1990～1992) 的船载海洋气象数据 ,构建了“蒸发波 这是因为数据库的数据来自深海 ,避免了上述不利
导气候数据库”,从该库中查询到了试验地区春季的 因素 。估算的波导强度 (为了便于数据处理 ,本文中
蒸发波导的基本特性 ,见表 1 。
的波导强度都取绝对值) 比折射率仪实测的要大 (如
由表 1 明显看出 ,贴海蒸发波导出现概率很高 , 图 4) ,这是因为理论计算中对海水表面的相对湿度
Abstract Environment of atmospheric ducts have an important effect on radar and communi2 cation system. When such atmospheric ducts occurred frequently near sea surface as evapora2 tion ducts are concerned , it is an important question to obtain the parameters of evaporation duct quickly and accurately. The experiment described here is the first one in China , and the atmospheric ducts near sea surface , especially evaporation ducts are measured with microwave refractometer. The method is proved to be feasible by making a comparison between the experi2 ment results and the calculated results. Key words microwave refractometer , evaporation duct
从图 3 和图 4 可看出实测值和理论估算值有时 出现完全相反的情况 ,即实测/ 理论估算结果有波导 而理论估算/ 实测无波导出现 ,例如表 2 中 2001 年 5 月 15 日早上 6 点的数据结果比较 。造成这种结果 的原因有二 :
①由于折射率仪悬挂于观测塔上 ,其测试最低 点位于海拔 5m 处 ,对于 5m 以下的数据折射率仪是 测不到的 ,所以对于理论估算结果来说 ,波导高度小 于 5m 的结果与实测结果比较就有一些不一致 。
蔺发军 刘成国 潘中伟
(中国电波传播研究所 ,河南 新乡 453003)
摘 要 大气波导环境对雷达系统和通信系统有很大的影响 ,而对于高度较低 、出现 频繁的海上蒸发波导来说 ,如何快速 、准确地获得它的波导参数是一个重要的问题 。 用微波折射率仪进行近海面大气波导尤其是贴海蒸发波导的测量在国内属首次 ,通 过现场试验结果与理论估算结果的比较 ,证明这种方法是可行的 。 关键词 微波折射率仪 , 蒸发波导 中图分类号 TN011. 3 文献标识码 A
The measurements of atmospheric duct near sea surface and its comparison with other study results
L IN Fa2jun L IU Cheng2guo PAN Zhong2wei
( China Research Institute of Radiowave Propagation , Xinxiang Henan , 453003 , China)
(a) 典型蒸发波导 (b) 复杂蒸发波导 (c) 无波导
图 2 用微波折射率仪测量到的修正折射率 M 拟合剖面
4 实测结果与理论估算的比较
低 (如图 3) ,这是因为理论估算的数据来源 (基值测 定) 是在岸边观测的 ,准确地测量近海面空气气象要
将探测数据用上述方法进行了处理 ,统计结果 素比较困难 ,加之大陆效应的影响 ,就更降低了近海
海上蒸发波导的测量方法尤为重要 。2001 年春季 , 在海南岛东海岸首次用微波折射率仪进行了蒸发波 导的测试 ,取得了满意的结果 。
2 测量原理
空气折射率是大气温度 、气压和湿度的函数 ,在 大块水平区域上大气折射指数随高度急剧下降的气 象条件下会形成大气波导层结 ,可以通过测量空气 折射率的垂直变化而知波导层结存在与否 。测量空
第 17 卷 第 3 期
2002 年 6 月
CHIN电ES E J波OU RN科AL O学F R AD学IO
报
SCIENCE
JVuonel
. 17 ,No. 3
,2002
文章编号 100520388 (2002) 0320269205
近海面大气波导探测及与其它 研究结果的比较Ξ
3 数据采集及处理方法
根据蒸发波导出现频率高 、高度较低的特点 ,为 了减少大陆效应的影响 ,提高蒸发波导的测量精度 , 对观测点的选取就提出了较高的要求 ,理想的情况 是将观测塔架设到距离陆地有一定距离的海上 ,但 这样做耗资大 ,操作起来比较困难 。初次试验 ,将观 测塔架设到海拔 5m ,距海水水平距离约 10m 的陆地 上 ,塔高 23m ,将折射率仪置于塔上做匀速升降运动 (升降速度约为 0. 1m/ s) ,从而获得不同高度上的折 射率 N 值 。具体操作过程有以下几步完成 :
Ξ 收稿日期 :2001207225
270
电 波 科 学 学 报 第 17 卷
气折射率的方法很多 ,一般可以通过气象仪器间接 得到 ,也可通过微波折射率仪直接测量到 。低空大 气波导 (一般指陆地上发生的波导) 高度一般较高 , 主要采用系留探测和无线电探空技术间接测量 ;而 对于贴海蒸发波导 ,其高度一般在 30m 左右 ,采用 间接测量方法是行不通的 ,这是因为探空仪等探测 仪器的滞后性及计算公式的误差往往达不到精度需 求 ,而且常常出现漏测 。为了解决这个问题 ,需要用 体积小 、精度高 、响应速度快 、采样率和自动化程度 高的微波折射率仪直接测量空气折射指数 。其工作 原理是测量通过腔体的空气折射指数的变化 δn 引 起的谐振频率 f 的变化δf ,腔体是两端局部开口的 圆柱形谐振腔体 ,能保证气流自由通过[2] 。微波折 射率仪通过测量这一频率变化量得到空气折射指 数 。将微波折射率仪安装在观测塔上 ,通过匀速滑 动来测量不同高度上的空气折射率 ,这对于高度一 般在 30m 以下的贴海蒸发波导来说 ,这种方法显得 尤为合适 。在对流层传播中 , 大气折射率常用公 式[1]
波导强度 (M 单位)
4. 8
23. 1
34. 1
表 2 折射率仪实测与理论估算蒸发波导的几个典型实例比较
时间
2001/ 04/ 30 11 :00 2001/ 05/ 05 11 :00 2001/ 05/ 15 06 :00
折射率仪ห้องสมุดไป่ตู้测
高度 (m)
强度 (M 单位)
13. 3
5. 8
21. 5
围内匀速滑动的 ,因此 ,根据时间可获得每个 N 值 所对应的高度 ,这样就得到了四组修正折射率 M 随 高度变化的数据 ,将四组数据合到一起 ,采用最小二 乘法进行曲线拟合 (拟合为 6 次多项式) ,然后根据 (4) 式判断波导层结是否存在 ,继而求出蒸发波导的 特性参数 。下面是用微波折射率仪测量到的几个典 型拟合曲面 :
高度较低 。通过比较可知 ,理论估算的波导高度较 作了近似处理 。
表 1 2001 年春季在海南岛东海岸实测蒸发波导和理论估算结果的比较
微波折射率仪实测 理论估算结果
数据库查询结果
测试次数
71
71
1623
蒸发波导出现概率 ( %)
89
85
69. 6
平均值
波导高度 (m)
12. 3
6. 0
12. 1
②理论估算的数据来源 (基值测定) 是在岸边 观测的 ,并不能完全代表海面的情况 ,尤其是当风从 陆地上吹来时 ,其代表性就更差 ,而架在岸边的折射 率仪对响应空气的代表性也存在着这一问题 ,所以 出现了两种相反结果 。
针对这一情况 ,对折射率仪实测和理论估算蒸 发波导是否出现的同步性进行了比较 ,如图 5 所示 。 从图中可知 ,在绝大多数情况下实测与理论估算的 蒸发波导是同时出现的 。
图 1 中 D 、S 、ΔM 分别表示波导厚度 、波导层厚
度和波导强度 ,a 是悬空波导 ,b 、c 是典型的贴地波
导 ,本文讨论的贴海蒸发波导就属于这一类型 ,根据
(4) 式和上图 ,利用折射率仪测量到的不同高度上的
M 值 ,判断是否有蒸发波导层结存在 。
图 1 出现波导时的 M 剖面示意图
N
=
77. 6 T
(
p
+
4810 e) T
(1)
表示 ,其中 T 、p 、e 分别代表绝对温度 ( K) 、大气压强
(hpa) 和水气压 (hpa) 。当折射指数随着高度快速下
降到一定程度时就会出现波导层结 ,这时折射率梯
度满足[1 ]
dN dh
≤-
157 (N
单位/
公里)
(2)
在波导传播中常用平地球下的修正折射率 M 描述
1. 5
无波导出现
理论估算
高度 (m)
强度 (M 单位)
6. 5
19. 7
6. 1
27. 2
1. 1
27. 9
272
电 波 科 学 学 报 第 17 卷
图 3 微波折射率仪实测蒸发波导高度与理论估算的比较
图 4 微波折射率仪实测蒸发波导强度与理论估算的比较
表 1 中只给出了蒸发波导的实测与理论估算两 种方法的平均结果 ,为了能更有效地说明问题 ,对图 2 中的 3 个典型拟合剖面给出了两种方法各自的蒸 发波导参数 (见表 2) 。
(1) 基值测定 :为了校准折射率仪 ,以便今后运 用气海作用理论进行对比分析 ,每次测试前 ,需进行 地面气象要素的基值测定 ,其测试内容包括水温 、近 海面空气温度 、气压 、湿度 、风向和风速等海洋气象 参数 。
第 3 期 蔺发军等 :近海面大气波导探测及与其它研究结果的比较