脈沖雷達電波折射修正方法.ppt

單脈沖雷達電波折射修正 成員：侯瑞利 王曉曉 黃麗媛 指導(dǎo)老師：楊瑞科,一、大氣折射誤差產(chǎn)生原因,地球上的大氣除隨高度增高密度遞減外，還存在著局部的不勻稱性和不對稱性。因此在天頂距小于70度時，還可以得出與實際相符的結(jié)果，而在接近地平時，人們至今還不能精確計算大氣折射值。目前編制大氣折射表都考慮天頂距、氣溫、氣壓等因素。但即使如此，由于它們的隨時變化仍會有誤差存在。大氣結(jié)構(gòu)還受地區(qū)性局部因素影響，產(chǎn)生一定的不對稱性造成誤差。大氣折射值還會因恒星光譜型的不同而產(chǎn)生誤差。這些因素的影響，使得測得的折射值與實際差異，差異可達十分之一角秒的量級，大氣折射出天頂距方向的外，還有水平方向的，稱旁折射，它會給近地面的天文方位角測量 帶來誤差。人造衛(wèi)星或月球激光測距以及甚長基線干涉測量人造衛(wèi)星多普勒觀測都受大氣折射的影響。,二、大氣折射誤差修正,包圍地球的大氣層從地面一直延伸到幾千公里高度，從下到上可分為對流層、平流層、電離層和磁層四層。無線電波在大氣層中傳播時，由于在各層中的傳播速度變化而產(chǎn)生的效應(yīng)稱為大氣折射，它對雷達定位、多普勒測速、通信、導(dǎo)航都有影響。所測得的目標(biāo)角度、距離、高度都存在大氣折射誤差。大氣折射誤差可根據(jù)大氣結(jié)構(gòu)計算求出，稱為大氣折射誤差修正 在大氣折射誤差修正中，可假設(shè)大氣層是球面分層，這時射線服從球面斯涅耳定律。,三、大氣折射相關(guān)計算,由于大氣折射指數(shù)分布不同，射線在空間彎曲的方向和程度也有所不同。按射線曲率半徑 （彎向地面為正，背向地面為負(fù)）與地球半徑之比的大小,折射可分為正折射(/0)、負(fù)折射(/0)、標(biāo)準(zhǔn)折射(/4)和超折射（/1）。無線電波在對流層和下電離層(其電子密度小于電離層電子密度最大值)中傳播時通常產(chǎn)生正折射；在上電離層中傳播時產(chǎn)生負(fù)折射；當(dāng)折射指數(shù)梯度dn/dh-15710-6km-1、射線仰角為0時，產(chǎn)生超折射。在考慮大氣折射效應(yīng)時，采用等效地球半徑的概念。根據(jù)球面斯涅耳定律,如果半徑為的地球用半徑K的等效地球代替,則無線電波射線可視為在真空中以直線傳播，其中,稱為等效地球半徑系數(shù)（或稱K因子）,而稱為等效地球半徑。式中，dn/dh為近地低空折射指數(shù)梯度,通?？梢暈槌?shù)。當(dāng)用等效地球代替真實地球后，除彎曲射線變?yōu)橹鄙渚€外，目標(biāo)的測得仰角、真實高度、測得距離與地面距離基本都不改變。在計算傳播電路時常使用此法。在精度要求不高時，低空對流層折射修正也可采用此方法。,直接根據(jù)球面斯涅耳定律與幾何關(guān)系，可求得較精確的大氣折射誤差。大氣折射使雷達定位的目標(biāo)仰角測量誤差為,直接根據(jù)球面斯涅耳定律與幾何關(guān)系，可求得較精確的大氣折射誤差。大氣折射使雷達定位的目標(biāo)仰角測量誤差為,直接根據(jù)球面斯涅耳定律與幾何關(guān)系，可求得較精確的大氣折射誤差。大氣折射使雷達定位的目標(biāo)仰角測量誤差為,直接根據(jù)球面斯涅耳定律與幾何關(guān)系，可求得較精確的大氣折射誤差。大氣折射使雷達定位的目標(biāo)仰角測量誤差為,直接根據(jù)球面斯涅耳定律與幾何關(guān)系，可求得較精確的大氣折射誤差。大氣折射使雷達定位的目標(biāo)仰角測量誤差為,直接根據(jù)球面斯涅耳定律與幾何關(guān)系，可求得較精確的大氣折射誤差。大氣折射使雷達定位的目標(biāo),大氣折射使雷達定位的目標(biāo)仰角測量誤差為（圖2） 圖2 式中為射線彎曲角(在天文學(xué)中，墹=，亦稱蒙氣差)，,其表達式為,它可由球式中n0為射線初始點的折射指數(shù);r0為此點到地心的距離；0為測得仰角；rT為目標(biāo)T到地心的距離；n、r分別表示射線上任意點的折射指數(shù)與此點到地心的距離；T為目標(biāo)當(dāng)?shù)匮鼋敲嫠鼓?，,nTrTcosTn0r0cos0 求得。式中nT為目標(biāo)點的折射指數(shù)（見圖）。,目標(biāo)距離測量誤差為,式中R0為雷達測得的目標(biāo)距離，它與rT的關(guān)系為,式中rI為電離層底到地心的距離,用數(shù)值方法可從上式解得目標(biāo)到地心的距離rT。大氣折射誤差隨射線測得仰角的增加而迅速減小。在地面折射率為360N-單位、測得仰角為 1時，仰角誤差約為10毫弧，距離誤差為72米；測得仰角為30時,仰角誤差約為0.6毫弧，距離誤差約為 5.3米。無線電波在大氣層中傳播時測得的多普勒頻移 與目標(biāo)真實速度v的關(guān)系為,f-da=f-0n-T(v-xl+v-ym+v-zn)/c,式中f0為發(fā)射頻率；vx、vy、vz為v的三個分量;l、m、n為目標(biāo)處射線切線的方向余弦。在測速站中選擇三個站的參數(shù)，即可由上述方程組成的線性方程組中解得v。,由于大氣層是假定為球面分層、大氣結(jié)構(gòu)具有隨機起伏且探測有誤差等原因，大氣折射誤差修正具有不準(zhǔn)確性，即大氣折射誤差修正存在殘差。測得的對流層折射率【N(n-1)106】誤差約為5N-單位，它所引起的殘差為用較精確方法算得的對流層折射誤差量的35；電離層結(jié)構(gòu)誤差引起的殘差為電離層折射誤差量的25。大氣隨機起伏用湍流強度和湍流尺度表征，湍流強度為零點幾到幾個N-單位，平均湍流尺度為十幾米到一千多米。它所引起的隨機殘差比大氣折射誤差小12量級。大氣折射誤差修正殘差主要是系統(tǒng)誤差，它可用模型表示:距離誤差殘差在高仰角時與測得仰角余割成正比,在低仰角時是測得仰角余割的三次代數(shù)式；仰角誤差殘差在高仰角時與測得仰角余切成正比，在低仰角時是測得仰角余切的三次代數(shù)式,目前兩種常用方法,目前電波折射誤差修正修正的方法有兩種，一種是利用地面折射率的回歸預(yù)報法（簡稱預(yù)報法），另一種是利用雷達站點的探空數(shù)據(jù)直接計算的射線描跡法（簡稱球面分層法）因為后一種方法是利用實際的探空數(shù)據(jù)直接計算得到的，所以其修正精度比第一種方法高。但這兩種方法都是采用了大氣平面分層或大氣球面分層的假設(shè)，因此其修正精度必定受到大氣水平不均性和時變特性的影響。,模型,球面分層法，這是由于無線電定位的低層大氣電波折射誤差修正的出發(fā)點是基于射線理論的費馬原理，它對于大氣水平不均勻結(jié)構(gòu)、折射與超折射、高低仰角都適用。目前最常用的電波折射誤差修正方法是大氣球面分層法，它假設(shè)大氣在水平方向上是均勻的，所以滿足Snell定理。由于大氣折射率隨高度的變化比水平方向的大13個量級，因此，在下墊面較平坦的地區(qū)采用這種方法進行電波折射誤差修正的精度比較高。,無線電波傳播環(huán)境的主要環(huán)境因素:大氣折射率N 大氣折射率N是大氣溫度、濕度、壓力和濕度的函數(shù)，即 105e/T2 其中P為大氣壓強，單位為hPa；T為空氣熱力學(xué)溫度，單位為K（T=273+t,其中t為空氣攝氏溫度，單位為。C）;e為大氣中水汽分壓強，單位為hpa. 在無線電波傳播計算中，為了簡化計算，有時采用折射指數(shù)n,因此可根據(jù)下式把大氣折射率N轉(zhuǎn)化為大氣折射指數(shù)，即n=1+N 10-6,大氣折射率N,圖6-4圖6-4,這里只給出單脈沖雷達電波折射誤差修正方法，且只考慮雷達的仰角為正值的情況： 設(shè)目標(biāo)為T，雷達站點為O,地心為C，測量站 O點的海拔高度為h0，目標(biāo)的海拔高度為hT，OC與TC的夾角為，稱為目標(biāo)的地心張角，地球平均半徑為a=6370km。雷達測得的視在仰角、視在距離和視在距離變化率分別為0、Ra和Ra，真實仰角、真實距離和真實距離變化率分別為0、R0、R0。單脈沖雷達電波折射示意圖如圖6-4所示。,設(shè)雷達電波射線從發(fā)射天線中心到目標(biāo)T傳播的時間為t t=t1+t2 （3-2-1） 式中，t1、t2分別為電波在低層大氣和電離層中的傳播時間。 假設(shè)電波在低層大氣中經(jīng)過的路徑分別為Rg1和Rg2， 則雷達電波射線經(jīng)過的整個路徑為Rg，即 Rg=Rg1+Rg2 （3-2-2） 從電波傳播概論可知， 電波在低層大氣中的傳播速度為c/n,在電離層中的傳播速度為nc，則由式（3-2-1）和（3-2-2）的物理意義可以得到 t1=Rg1dRg/(c/n)=(n/c)cscdh,t2=Rg2dRg/nc=(csc/nc)dh (3-2-3) 式中，hi為低層大氣與電離層的分界點，一般取hi=60km；c為電波在真空中的傳播速度。 根據(jù)雷達測量是在距離的定義 Ra=ct (3-2-4) 可得 Ra=n cscdh+(csc/n)dh (3-2-5) 由大氣球面分層的斯奈爾定理 n（a+h）cos=n0（a+h0）cos0 （3-2-6）,可得 cos=n（a+h）/n2（a+h）2-n02（a+h0）cos (3-2-7) 式中，h、n、為任意海拔高度出大氣折射指數(shù)和電波射線的為任意海拔高度出大氣折射指數(shù)和電波射線的初始仰角。 由式（3-2-5）和（3-2-7）可得雷達測得的是在距離Ra與目標(biāo)高度hT的關(guān)系為 Ra=n2（a+h）/n2（a+h）2-n02（a+h0）2cos20dh +（a+h）/n2（a+h）2-n02（a+h0）2cos20dh （3-2-8）,為了求目標(biāo)的高度hT,首先必須判定目標(biāo)在低層大氣還是在電離層內(nèi)。假設(shè)目標(biāo)在低層大氣層與電離層分界點時的視在距離為Ra1，則 Ra1=（n2（a+h）/n2(a+h)2-n02(a+h0)2cos20）dh （3-2-9） 當(dāng)RaRa1時，說明目標(biāo)在電離層內(nèi)，式（3-2-8）可變?yōu)?Ra=n2（a+h）/n2(a+h)2- n02(a+h0)2cos20dh (3-2-10) 當(dāng)RaRa1時，說明目標(biāo)在電離層內(nèi)，可直接用（3-2-8）計算。,判斷出目標(biāo)在低層大氣內(nèi)或電離層內(nèi)后，用式（3-2-10）或（3-2-8）采湊法求出目標(biāo)的高度hT。 由圖6-4中可見，目標(biāo)地心張角為 = cot/(a+h)dh (3-2-11) 根據(jù)斯奈爾定理，式（6-2-10）可變?yōu)?=n0（a+h0）cos0dh/ (a+h)n2(a+h)2-n02(a+h0)2cos20 (3-2-12) 在圖6-4中的OT中，采用正弦定理可得 a+hT/a+h0=sin(/2+0)/sin(-（/2 +0）-)=cos0/cos(0+) （3-2-13）,則 （a+h0）cos0/a+hT=cos(0+)=cos0cos-sin0sin （3-2-14） 最后可得真實仰角 0=arctan(a+hT)cos-(a+h0)/(a+hT)sin (3-2-15) 再根據(jù)正弦定理可得真實距離 R0=（a+hT）sin/cos0 （3-2-16） 最后求得仰角誤差為 =0-0 （3-2-17） 距離誤差R為 R=Ra-R 0 （3-2-18） 跟據(jù)距離變化率的物理意義，視在距離變化率為 Ra=dRa/dt (3-2-19),真實距離變化率為 R0=dR0/dt (3-2-20) 則距離變化率誤差為 R=Ra-R0=d(Ra-R0)/dt=d(R)/dt(R)/t (3-2-21) 用式（3-2-21）求解距離變化率誤差時，為了保證精度時間間隔應(yīng)盡可能小一些。 上面的修正方法只是考慮了雷達的仰角為正值的情況，在實際應(yīng)用中還可能出現(xiàn)俯視的情況，如假設(shè)在山頂或較高處的雷達向地面或海面探測時就會出現(xiàn)俯視情況。此時就必須應(yīng)用俯視情況下的電波折射修正方法。在俯視情況下，目標(biāo)的位置不同，其折射修正方法不同。一般雷達俯視目標(biāo)時可分為如下三種情況：視在俯角0大于臨界視在俯角p；視在俯角0小于臨界視在俯角p，并且目標(biāo)近于射線近地點；視在俯角0小于臨界視在俯角p，并且目標(biāo)遠與射線近地點。,修正的新方法,長期以來，許多學(xué)者進行了電波折射誤差修正研究工作，取得了一系列研究成果。但幾乎所有的工作都局限于只給出大氣折射引起的