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1、基于蒸发波导的电磁波传输条件AbstractThe 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 of
2、 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 communica
3、tion 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 of
4、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.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
5、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
6、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
7、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
8、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，
9、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1Abstract2绪论4目录7第一章蒸发波导物理特
10、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
11、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
12、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
13、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和1之间，接近于1。为方便引入折射率N: 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： 其中，n(h)为离地高度h处的空气折射指数，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： 其中为地球半径，取6370km；为地面以上高度，单位是m。则有： 由于大气的不均匀，电磁波在其中的传播路径不再是
14、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： 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： 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(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
15、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。 (a)表面波导 (b)含基础层的表面波导 (c)悬空波导
