1、1基于蒸发波导的电磁波传输条件2AbstractThe existence duct environment affects the propagation path of radio waves and forms a different EM energy coverage. This propagation mechanism causes multiple propagation path and lead complex co-channel interference problems in the communication systems. Meanwhile, because
2、of instability of the layers, serious path fading is also caused. In military, the presence of the duct environment may cause serious effects to radar systems, such as radio holes and extension of detection range. Thus, study and discussion in depth of it is very significant in the fields of communi
3、cation and national defense. In this paper, firstly we discuss the physical character of the evaporation duct, including the physical properties, how to use PJ model to solve the height of evaporation duct and the influence factors in the atmosphere. Then, we discuss the two main influence factors o
4、f the propagation distance of the radio waves, the frequency and the launch elevation of radio waves. Finally, we discuss the propagation distance of the radio waves transmitting in the evaporation duct and give two different solution of the propagation distance.3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
5、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
6、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4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
7、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
8、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。5另外，大气波导传播特性不仅与气象
9、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。6目录目录基于蒸发波导的电磁波传输条件 .1Abstract .2绪论 .4
10、目录 .7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 .151.2.2 PJ 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 281.4.4 风速变化敏感性特征 .29第五节 具体分布事例分析 .307第六节 综合分析 .37第二章 电磁波传输极限频率（
11、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
12、模式） 66结束语 .73参考文献 .748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。
13、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1000250和1000400之间，接近于1。为方便引入折9射率N:610Nn1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 ：mh1eehnnrr12其中，n(h) 为离地高度
14、 h处的空气折射指数， 为地球半径。er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：610ehNr13其中 为地球半径，取6370km； 为地面以上高度，单位是er hm。则有：0.157MNh14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：10.57dNmh15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(14)式有：0dMh16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10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
15、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(olevated duct)。后两种大气波导也可能出现在陆地大气环境中。图12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11-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21-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
16、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。11ZMhd1ZMhd12(a)表面波导 (b)含基础层的表面波导Md1d21h2hZZMhd(c)悬空波导 (d)蒸发波导在图11中，h为波导顶高度， 为陷获层顶高度， 为基础层1h2h底高度，d为波导厚度， 为陷获层厚度， 为基础层厚度，
17、 为1d2d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11-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12一层逆温层结。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
18、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 11-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
19、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：135627.63.1010PeNnTT7其中，n 是大气折射指数,P、T、e 的单位分别是 、hPaK、 ，且水汽压 ，rh 为相对湿度，hPa.510xrhe(1-7)式假定大气遵循理想气体定律，273.5.5ln273.xT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
20、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 11 给出了不同大气机构条件下对电磁波传播的影响。大气折射的基本类型 （单位： ）dNh1m（单位： ）dMh1m负折射 0 0.157无折射 0 0.157正折射 0 时，电磁波的传播轨迹将背着地球14而凸起弯曲，此时的大气为负折射(sub-refraction)；当 dNdh=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(nonrefraction)：当 dNdh )，修正后的折射率随高度的分布可以由式(14)来计算0 00.1255.2ln,0180.125ln,08s ibs
21、ibhhMRLLhh 2式中：函数 的算法是将下列方程式()3420.81hL12利用 Newton 迭代法进行求解。即可获得蒸发波导高度以及修正后的折射率梯度。20第三节 蒸发波导的强度与分布我国海域广阔，海洋资源丰富，在经济和国防建设中占有举足轻重的位置，尤其是南海和东海海域有着重要的战略意义，该地区也是大气波导出现的高概率区。本文利用 19821999 年 18 年的海洋观测资料和 19861999 年 15 年的船舶探空资料，主要对东经北纬 海域的蒸发波导和海上低空大气波导进行了统计01404分析，并给出了基本的统计结果。参照世界气象组织 WMO 将海域划分为 的马士顿方的方法01将东
22、经 ，北纬 的海域进行划分，区域划分如表一所示，01404如 11005 区代表东经 ，北纬 之间的海域。各海区蒸发150波导的出现概率、波导高度和波导强度(取绝对值之后的值)的统计结果如表 1.3 所示。经度纬度 100105 105110 110115 115120 120125 125130 130135 1351400005 10000 10500 11000 11500 12000 12500 13000 135000510 10005 10505 11005 11505 12005 12505 13005 135051015 10010 10510 11010 11510 1201
23、0 12510 13010 135101520 10015 10515 11015 11515 12015 12515 13015 135152025 10020 10520 11020 11520 12020 12520 13020 135202530 10025 10525 11025 11525 12025 12525 13025 135253035 10030 10530 11030 11530 12030 12530 13030 13530213540 10035 10535 11035 11535 12035 12535 13035 13535表 1.3图 1.4 各海区不同时段蒸
24、发波导的出现概率图 1.5 各海区不同季节蒸发波导的出现概率22图 1.6 不同时段蒸发波导高度和强度变化统计结果表明，上述海区蒸发波导出现概率一般在 85%左右，在北京时间 02 点、08 点和 20 点波导出现概率较高，达到 90%左右，而 14 点波导出现概率相对较低，约为 84%，见图 1.3。 蒸发波导出现概率随季节也有变化，其中冬季和秋季出现概率在 91%左右，夏季次之，约为 87%，春季相对较低，约为 85%，见图 1.4。另外在图1.2 和图 1.4 中，部分海区的波导概率出现 100%和小于 70%的情况，这是由于统计的样本数相对较少（100）造成的。图 1.5 结果表明，蒸
25、发波导高度一般在 15m 左右，在不同时段上 北京时 14 点高度较高，约为 16m，20 点较低，约为 14m。蒸发波导高度随季节的变化情况是，秋季较大，约为 16m，冬季次之，约为 15m，春季相对较低，约为 13m。各海区蒸发波导的强度一般在35M 左右，不同时段蒸发波导强度的变化情况和高度变化情况极其相似，见图 1.4。23第四节 影响因素1.4.1 季节变化特征和日变化特征蒸发波导通常具有显著的日变化特征和季节变化特征。一般来说，在同一海域，蒸发波导的高度白天比夜晚高，夏季比冬季高。分析某海域的气象资料，其中图 1.6 为某海域日问蒸发波导高度统计情况，图 1.7 为某海域夜间蒸发波
26、导高度统计情况。图 1.624图 1.7从以上两图可以看出，对于同一海域来说，蒸发波导的高度白天比夜间高。同理，抽取某海域夏季和冬季的一个月的气象资料加以分析，如下图所示。25图 1.8图 1.9从以上两图可以看出，同一海域蒸发波导的高度夏季比冬季高。1.4.2 湿度变化敏感性特征大气波导特征量对大气湿度的变化非常敏感。我们做一下蒸发波导高度随大气湿度变化的敏感性试验。选取某海域，其海面水温为 234，参考高度 6 米处的气温为 244，风速为45ms，气压为 10064hPa。令参考高度处的大气相对湿度从885变化到 635，由此造成的蒸发波导高度的变化如图 1.1026所示。从图中我们可以
27、看出，在其他气象因素一定的情况下，大气相对湿度越低，蒸发波导高度越高。图 1.10 所示为相对湿度变化对蒸发波导高度的影响1.4.3 气海温差及气压变化敏感性特征27图 1.11 所示为气海温差以及气压变化对蒸发波导高度的影响同理，做一下蒸发波导随气海温差变化的敏感性试验。选取某海域，相对湿度为 786，风速为 55ms，气海温差从-5变化到 5。仿真得到蒸发波导高度与气海温差的关系如图 1.11。从图中我们可以看出，当气海温差为正值时，蒸发波导高度变化对气海温差的变化反应比较敏感，而当气海温差为负值时，蒸发波导高度变化对气海温差的变化反应显得比较迟钝。接着，我们分析一下气压敏感性，通常情况下
28、，对流层空气压力可由指数形式很好地给出，即：00exp/zz12这里 是地面空气压力， 是均质大气高度， ，R0 0 0=为普适气体常数， 是空气分子量。近海面气压变化范围是 9951032hPa，其他初始条件不变，通过流体静力学推导 ，仿真得到波导高度与气压的关系如图 1.10b 不所示，波导高度从 1093 米28变化到 1103 米，可见变化幅度非常小，气压敏感性最小。1.4.4 风速变化敏感性特征图 1.12 所示为风速对蒸发波导高度的影响选取某海域，其海面水温为 234 ，参考高度 6 米处的温度为 244 ，气压 10064hPa，相对湿度为 785，参考高度的风速由 5ms 变化
29、到 15ms，蒸发波导高度如图 1.12 所示。从图中我们可以看出，蒸发波导高度随风速增大而减小，在低风速(5mslOms)时，蒸发波导高度的变化率大于高风速时的变化率。通过上述分析表明，蒸发波导对大气湿度、气海温差、气压和29风速等气象因素具有一定的敏感性，其敏感性由高到低依次为：大气湿度、气海温差、风速和气压。其中不同的大气层结下敏感程度又各不相同，另外，蒸发波导也呈现季节变化特征和日变化特征，一般来说，在同一海域，蒸发波导的高度白天比夜晚高，夏季比冬季高。需要指出的是，敏感性是非线性的，不同的大气初始条件下，相对传感器精度及气象因素的敏感性会发生变化；但总的趋势是一样的，可以用同样的方法
30、具体情况具体分析。第五节 具体分布事例分析(一) 南海、东海蒸发波导出现规律的对比分析摘要 利用 2002 年 13 月的铁塔平台气象水文数据以及 New 蒸发波导模型分析研究了南海及东海海域蒸发波导的出现规律，并利用实测数据对模型结果进行了检验。结果表明：南海海域蒸发波导的出现概率、高度、强度分别为 100、134m 和 303M，而东海海域分别为 90、91m 和 166M；除以 14 时为代表的中午时刻，南海海域一天当中蒸发波导基本上都出现在不稳定及近中性层结条件下，而东海海域蒸发波导在稳定、不稳定和近中性层结条件下的出现概率差别不大；相对蒸发波导高度而言，New 模型诊断蒸发波导出现概
31、率和强度的效果更好；不稳定及近中性弱不稳定层结条件下，New 模型诊断的蒸发波导高度偏低，稳定层结条件下模型结果偏高，近中性弱稳定条件下模型结果与实测最吻合。（二）渤海蒸发波导出现规律301. 根据 PJ 模型计算的蒸发波导高度试验期间利用实测气象数据和 PJ 模型计算的每日蒸发波导高度平均值如图 1.13 所示。从图中可见，试验期间渤海海区的蒸发波导高度日平均值在 8 m 以上的只有 8 次，其余时间的蒸发波导高度日平均值都在 8 m 以下。主要原因是试验期间渤海海区多雨，导致相对湿度偏大，从而使蒸发波导高度值偏低，不利于形成大气波导。图 1.13 试验期间蒸发波导高度日平均值变化图同样，根据计算得到的每天每小时的蒸发波导高度值，可以绘制出一天的蒸发波导高度变化图，来分析一天当中蒸发波导高度的变化情况。以 6 月 18 日为例，如图 1.14 所示，从图中可以看出，一天之内蒸发波导高度是在不断变化的，凌晨和中午的高度较高，午夜最低。
