基于大氣波導(dǎo)的電磁波超折射研究

基于大氣波導(dǎo)的電磁波超折射研究

大氣濾波傳播在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中，磁體的對(duì)抗非常激烈。電子戰(zhàn)已經(jīng)發(fā)展成為雙方在第一次戰(zhàn)斗后進(jìn)行的作戰(zhàn)形式。戰(zhàn)場(chǎng)電氣法的競(jìng)爭(zhēng)已成為爭(zhēng)奪空間和海洋能源權(quán)的必要條件。然而,要想奪取戰(zhàn)場(chǎng)制電磁權(quán),就需要掌握電磁波在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的傳播狀況。我們知道,電磁波在大氣環(huán)境中傳播,不僅會(huì)受大氣環(huán)境中氣體分子和氣溶膠粒子的吸收、散射所造成的衰減影響,還會(huì)由于受大氣折射影響,出現(xiàn)諸如超折射、負(fù)折射等異常傳播現(xiàn)象。尤其在極端超折射條件下出現(xiàn)大氣波導(dǎo)時(shí),電磁波會(huì)在大氣波導(dǎo)內(nèi)形成波導(dǎo)傳播,使得在正常折射條件下電磁波能傳播到的區(qū)域,此時(shí)成為電磁波盲區(qū);而正常折射條件下電磁波傳播不到的區(qū)域,此時(shí)不但電磁波能夠傳播到,而且電磁波信號(hào)十分強(qiáng)烈,這種現(xiàn)象被稱(chēng)為超視距傳播。尤其在海洋大氣環(huán)境中,在海面附近幾乎時(shí)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)。因此,研究大氣波導(dǎo)傳播具有非常重要的實(shí)際意義。目前,國(guó)外在大氣波導(dǎo)傳播方面的研究處于領(lǐng)先地位,美國(guó)于上世紀(jì)九十年代就開(kāi)發(fā)出了用于電磁波大氣波導(dǎo)傳播效應(yīng)的預(yù)報(bào)系統(tǒng)。隨后,美國(guó)又發(fā)展了新型傳播預(yù)報(bào)系統(tǒng)AERPS。前蘇聯(lián)確認(rèn)了在海上蒸發(fā)波導(dǎo)條件下,雷達(dá)超視距探測(cè)的海上作用距離可達(dá)1000km,并在此基礎(chǔ)之上,研制開(kāi)發(fā)了新型超視距雷達(dá)系統(tǒng)。另?yè)?jù)報(bào)道,1999年澳大利亞設(shè)計(jì)完成了一套可預(yù)測(cè)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象的軟件系統(tǒng)TREPS(對(duì)流折射效應(yīng)預(yù)測(cè)系統(tǒng))。國(guó)內(nèi)現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)展了大氣波導(dǎo)的機(jī)理、監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)等方面的研究,以及波導(dǎo)環(huán)境下雷達(dá)探測(cè)性能評(píng)估方面的研究。這些研究主要集中在蒸發(fā)波導(dǎo)及其對(duì)雷達(dá)性能的影響等方面。而要研究電磁波在大氣波導(dǎo)環(huán)境下的傳播情況,首先要搞清楚電磁波在大氣波導(dǎo)環(huán)境下的射線(xiàn)軌跡。盡管目前這一方面也有部分研究成果,但大多數(shù)只是針對(duì)某一種波導(dǎo)情形。為此本文主要研究電磁波在各種大氣波導(dǎo)中的傳播軌跡,同時(shí)也分析其特征。從而為研究各種大氣波導(dǎo)環(huán)境下的電磁波傳播奠定基礎(chǔ)。1大氣導(dǎo)數(shù)的形成實(shí)際大氣為不均勻介質(zhì),通常大氣壓強(qiáng)、溫度和濕度的水平變化相對(duì)于垂直變化可忽略。由于大氣壓強(qiáng)、溫度和濕度都隨高度變化,從而使得作為這三者函數(shù)的大氣折射指數(shù)n(或折射率N)隨高度增大而減小。從文獻(xiàn)中可以知道,當(dāng)大氣折射率梯度滿(mǎn)足式(1)時(shí),就可以形成大氣波導(dǎo)。dN/dh<-0.157N單位/m(1)為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化,將地球表面假想為一個(gè)平面,則可引入修正折射率M,定義為Μ=Ν+ha×106(2)式中,h為地面以上的高度,單位m;a為地球半徑。一般取平均地球半徑a=6370km,這時(shí),式(2)變?yōu)镸=N+0.157h(3)則用修正折射率M定義的形成大氣波導(dǎo)的條件為:dM/dh<0M單位/m(4)對(duì)流層波導(dǎo)大致可分為表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)兩類(lèi),其中表面波導(dǎo)存在兩種情況:一種是波導(dǎo)層結(jié)緊貼地面,如果這種情況在海面上出現(xiàn)時(shí),根據(jù)其形成的原因一般常稱(chēng)為蒸發(fā)波導(dǎo);另一種是波導(dǎo)層下方有一個(gè)基礎(chǔ)層。圖1(a)給出了由一個(gè)接地陷獲層直接構(gòu)成的表面波導(dǎo);圖1(b)給出了由一個(gè)懸空陷獲層疊加到一個(gè)修正折射率梯度較小的接地基礎(chǔ)層之上而構(gòu)成的表面波導(dǎo)。懸空波導(dǎo)是指下邊界懸空的大氣波導(dǎo),它通常是由一個(gè)懸空陷獲層疊加到一個(gè)懸空基礎(chǔ)層之上而構(gòu)成,如圖1(c)所示。蒸發(fā)波導(dǎo)是海洋大氣環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)的一種特殊的表面波導(dǎo),它是由于海面水汽蒸發(fā)使得在海面上很小高度范圍內(nèi)的大氣濕度隨高度銳減而形成的,如圖1(d)所示。在圖1中,除了給出了四種大氣波導(dǎo)的示意圖外,也給出了波導(dǎo)頂高h(yuǎn)、陷獲層頂高h(yuǎn)1、基礎(chǔ)層底高h(yuǎn)2、波導(dǎo)厚度d、陷獲層厚度d1、基礎(chǔ)層厚度d2和波導(dǎo)強(qiáng)度ΔM等波導(dǎo)的特征參量。2大氣濾波傳播的前提條件要實(shí)現(xiàn)大氣波導(dǎo)傳播,先決條件是必須存在大氣波導(dǎo)。但是,在大氣波導(dǎo)環(huán)境下傳播的電磁波不一定都能形成波導(dǎo)傳播。因?yàn)樵谔囟庀髼l件下產(chǎn)生的大氣波導(dǎo)能否將在大氣中傳播的電磁波捕獲到波導(dǎo)層中形成波導(dǎo)傳播還要取決于該電磁波的波長(zhǎng)(或頻率)、發(fā)射源與大氣波導(dǎo)所處的相對(duì)位置以及發(fā)射源的發(fā)射角度等參數(shù)。根據(jù)對(duì)流層折射的模理論,在大氣中傳播的電磁波若要形成波導(dǎo)傳播,它的波長(zhǎng)與大氣波導(dǎo)厚度及大氣折射率梯度三者之間必須滿(mǎn)足一定的關(guān)系。假定地面的大氣折射指數(shù)n0≈1.0,可以推導(dǎo)出地面發(fā)射的水平極化電磁波能形成波導(dǎo)傳播的最大波長(zhǎng)λhmax與波導(dǎo)厚度d及波導(dǎo)層內(nèi)的大氣修正折射率垂直梯度dM/dh之間的關(guān)系為λhmax=2.5×10-3(-dΜdh)1/2d1/2(5)由式(5)可知,大氣波導(dǎo)厚度遠(yuǎn)大于電磁波波長(zhǎng)時(shí),才能捕獲電磁波形成波導(dǎo)傳播;電磁波波長(zhǎng)范圍上限與大氣波導(dǎo)的厚度和強(qiáng)度均成正比。當(dāng)然實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳播還與穿透角有關(guān),當(dāng)電波在大氣波導(dǎo)中的仰角大于穿透角時(shí),不發(fā)生波導(dǎo)傳播。當(dāng)發(fā)射源天線(xiàn)處于波導(dǎo)內(nèi)部時(shí),應(yīng)采用式(6)計(jì)算θcmin=√2×10-6ΔΜc(6)式中,ΔMc為陷獲波導(dǎo)頂高的修正折射率與發(fā)射源處的修正折射率之差。由式(6)可知,假設(shè)天線(xiàn)位置固定,則大氣波導(dǎo)的強(qiáng)度愈強(qiáng),可形成波導(dǎo)傳播的電磁波發(fā)射角度范圍的上限愈大?？傊?要實(shí)現(xiàn)大氣波導(dǎo)傳播,必須滿(mǎn)足四個(gè)必要條件:(1)近地層某一高度處必須存在大氣波導(dǎo),即存在dΜdh＜0的大氣層結(jié);(2)電磁波的波長(zhǎng)必須小于最大陷獲波長(zhǎng)λmax,或頻率必須高于最低陷獲頻率fmin;(3)電磁波發(fā)射源必須位于合適的位置。(4)電磁波的發(fā)射仰角必須小于臨界仰角。3內(nèi)波傳播的類(lèi)型和特點(diǎn)3.1垂直軸k2的距離參數(shù)0要研究電磁波在大氣波導(dǎo)中的傳播特性,首先需要明確電波射線(xiàn)的軌跡特征。這就需要利用文獻(xiàn)的電磁波在對(duì)流層中傳播的基本原理對(duì)大氣波導(dǎo)中的電波傳播情況進(jìn)行射線(xiàn)描跡。設(shè)地球半徑為r0,電磁波射線(xiàn)起始點(diǎn)A的海拔高度為hs,折射指數(shù)為ns,射線(xiàn)的出射角(射線(xiàn)與矢徑r0的夾角)為Ψ0,則A到地心O的距離為rs=r0+hs。其他參數(shù)如圖2所示。根據(jù)球面分層介質(zhì)的snell定理,有nrsinΨ=nsrssinΨ0=k=const(7)從而可以得到:tgΨ=nsrssinΨ0√n2r2-n2sr2ssin2Ψ0=k√n2r2-k2(8)由圖2的幾何關(guān)系可見(jiàn)dθ=tgΨ×dr/r(9)dθ=±kr√n2r2-k2dr(10)式中,±號(hào)取決于射線(xiàn)與垂直軸h的夾角小于還是大于π2,當(dāng)Ψ≥π2時(shí)取“+”,當(dāng)Ψ＜π2時(shí)取“-”?；蛘呷Q于射線(xiàn)與水平軸x軸的夾角小于還是大于0的情況。設(shè)射線(xiàn)的起始點(diǎn)的θ=0,則有θ=k∫rrsdrr√n2r2-k2(11)射線(xiàn)沿水平方向的距離dx為dx=r?dθ=±kdr√n2r2-k2(12)如果射線(xiàn)起始點(diǎn)水平位置為x0,則射線(xiàn)任意點(diǎn)在水平上的位置x可由下式得到x-x0=±r∫radr√n2r2k2-1(13)3.2諧波大氣濾波器的分類(lèi)假設(shè)電磁波的波長(zhǎng)滿(mǎn)足波導(dǎo)傳播條件,根據(jù)大氣波導(dǎo)的分類(lèi)和發(fā)射源的位置,可以把電磁波大氣波導(dǎo)傳播分為8種類(lèi)型,如表1所示。由于蒸發(fā)波導(dǎo)為表面波導(dǎo)的特殊形式,故這里不將蒸發(fā)波導(dǎo)單獨(dú)列出。3.3波的綜合傳播特征為了清晰直觀地描述電磁波在各種波導(dǎo)條件下的傳播情況,這里用MATLAB軟件采用射線(xiàn)描跡法進(jìn)行電磁波傳播軌跡的計(jì)算機(jī)仿真。(1)大氣微波傳播與諧波信號(hào)檢測(cè)在不含基礎(chǔ)層的大氣表面波導(dǎo)(包括蒸發(fā)波導(dǎo))條件下,假設(shè)波導(dǎo)層內(nèi)折射率梯度為dΝdh=-300Ν單位/km,波導(dǎo)上方折射率梯度為dΝdh=-40單位/km,波導(dǎo)高度為15m。表面波導(dǎo)中電磁波射線(xiàn)傳播軌跡的仿真結(jié)果如圖3所示。情形1:電磁波發(fā)射源位于波導(dǎo)上方,這里假設(shè)發(fā)射源天線(xiàn)高度為30m,如圖3(a)所示。當(dāng)發(fā)射源初始發(fā)射角為正,電磁波向上傳播,射線(xiàn)按正常折射傳播,如線(xiàn)1。當(dāng)發(fā)射源初始發(fā)射角為負(fù)(俯視),且達(dá)到一定角度時(shí),電磁波射線(xiàn)將經(jīng)過(guò)波導(dǎo)層,射線(xiàn)經(jīng)地面反射后再向上穿透波導(dǎo)頂部向上傳播,如線(xiàn)2。這兩種情況都不能形成波導(dǎo)傳播(指一直在波導(dǎo)內(nèi)傳播)。但是,大氣波導(dǎo)的存在,使得電磁波射線(xiàn)在水平方向上向外擴(kuò)展,比標(biāo)準(zhǔn)大氣時(shí)射線(xiàn)到達(dá)的范圍有一定的擴(kuò)大,如線(xiàn)3所示。情形2:電磁波發(fā)射源位于波導(dǎo)內(nèi),這里假設(shè)發(fā)射源天線(xiàn)高度為10m。這種情形下射線(xiàn)有四種可能的情況存在,如圖3(b)所示。①發(fā)射源初始發(fā)射角為正,且大于波導(dǎo)傳播的臨界角θcmin,電磁波射線(xiàn)會(huì)穿透波導(dǎo)頂部向上傳播,如線(xiàn)1,此情況射線(xiàn)不被波導(dǎo)陷獲,因此不能形成波導(dǎo)傳播;②發(fā)射源初始發(fā)射角為正,且小于波導(dǎo)傳播的臨界角θcmin,電磁波被陷獲在波導(dǎo)層內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳播,如線(xiàn)2;③發(fā)射源初始發(fā)射角為負(fù),且俯角絕對(duì)值小于臨界俯角θcmin時(shí),電磁波被陷獲在波導(dǎo)層內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳播,如線(xiàn)3。④發(fā)射源初始發(fā)射角為負(fù),且俯角絕對(duì)值大于大氣波導(dǎo)傳播的臨界角θcmin時(shí),電磁波會(huì)向下傳播,經(jīng)地面反射后再向上穿透波導(dǎo)頂部,如線(xiàn)4,此情況由于射線(xiàn)不能被波導(dǎo)陷獲,因此也不能形成波導(dǎo)傳播。(2)向穿透大氣微波傳播的情形在含基礎(chǔ)層的大氣表面波導(dǎo)條件下,假設(shè)波導(dǎo)層內(nèi)折射率梯度為dN/dh=-300N單位/km,陷獲波導(dǎo)層上、下方折射率梯度為dN/dh=-40N單位/km,波導(dǎo)高度為300m,陷獲層范圍為150～300m。含基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)環(huán)境中電磁波射線(xiàn)傳播軌跡仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。情形3:電磁波發(fā)射源位于含基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)上方,這里假設(shè)發(fā)射源天線(xiàn)高度為350m,如圖4(a)所示。當(dāng)發(fā)射角為正,電磁波射線(xiàn)向上按正常折射傳播,如線(xiàn)1;當(dāng)發(fā)射角為負(fù)(俯角),射線(xiàn)在波導(dǎo)層上方或在基礎(chǔ)層達(dá)到極值點(diǎn),或直接被地面反射,然后射線(xiàn)向上穿過(guò)大氣波導(dǎo)傳播,如線(xiàn)2,3,4。這種情形不能形成波導(dǎo)傳播。情形4:電磁波發(fā)射源位于波導(dǎo)內(nèi),這里假設(shè)發(fā)射源天線(xiàn)高度為250m。這種情形下,共有六種情況存在,如圖4(b)所示。①發(fā)射源初始發(fā)射角為正,且大于波導(dǎo)傳播的臨界角θcmin,電磁波射線(xiàn)會(huì)穿透波導(dǎo)頂部向上傳播,如線(xiàn)1,此情況射線(xiàn)不被波導(dǎo)陷獲,因此不能形成波導(dǎo)傳播;②發(fā)射源初始發(fā)射角為正,且小于波導(dǎo)傳播的臨界角θcmin,電磁波被陷獲在波導(dǎo)層內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳播,此時(shí)射線(xiàn)有經(jīng)基礎(chǔ)層折射和經(jīng)地面反射兩種,如線(xiàn)2,3;③發(fā)射源初始發(fā)射角為負(fù),且俯角絕對(duì)值小于臨界俯角θcmin時(shí),電磁波被捕獲在陷獲波導(dǎo)層內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳播,同樣有經(jīng)基礎(chǔ)層折射和經(jīng)地面反射兩種情況,如線(xiàn)4,5。④發(fā)射源初始發(fā)射角為負(fù),且俯角絕對(duì)值大于大氣波導(dǎo)傳播的臨界角θcmin時(shí),電磁波會(huì)向下傳播,直接經(jīng)地面反射,射線(xiàn)向上穿透波導(dǎo)頂部,不被波導(dǎo)陷獲,如線(xiàn)6,此情況也不能形成波導(dǎo)傳播;情形5:電磁波發(fā)射源位于基礎(chǔ)波導(dǎo)內(nèi),這里假設(shè)發(fā)射源天線(xiàn)高度為135m。這種情形下,共有六種情況存在,如圖4(c)所示。①發(fā)射源初始發(fā)射角為正,且大于波導(dǎo)傳播的臨界角θcmin,電磁波射線(xiàn)會(huì)穿透波導(dǎo)頂部向上傳播,如線(xiàn)1,此情況射線(xiàn)不被波導(dǎo)陷獲,因此不能形成波導(dǎo)傳播;②發(fā)射源初始發(fā)射角為正,當(dāng)?shù)竭_(dá)陷獲波導(dǎo)層底部的入射角小于波導(dǎo)傳播的臨界角θcmin,電磁波被陷獲在波導(dǎo)層內(nèi),可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳播,如線(xiàn)2,3;③發(fā)射源初始發(fā)射角為負(fù),只有經(jīng)大氣折射后達(dá)到極值點(diǎn)或直接經(jīng)地面反射,在陷獲波導(dǎo)層底部的入射角小于波導(dǎo)傳播的臨界角的θcmin射線(xiàn),才能被陷獲在波導(dǎo)層內(nèi)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳播,如線(xiàn)4,5。④發(fā)射源初始發(fā)射角為負(fù),直接經(jīng)地面反射,在陷獲波導(dǎo)層底部的入射角大于波導(dǎo)傳播的臨界角θcmin的射線(xiàn)也不能實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳播,如線(xiàn)6。(3)高空地震波的情形由于懸空波導(dǎo)與含有基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)相類(lèi)似,其差別只是懸空波導(dǎo)的頂高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表面波導(dǎo),其傳播的情形同含有基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)的情形也類(lèi)似,在應(yīng)用中完全可以參照對(duì)比。另外,由于懸空波導(dǎo)出現(xiàn)的概率較小,一般很少利用它進(jìn)行大氣波導(dǎo)傳播,故這里不再敘述。但需要說(shuō)明的有兩點(diǎn),一是由于懸空波導(dǎo)中波導(dǎo)底高較高,故極少出現(xiàn)電磁波經(jīng)由地面反射傳播的情形。二是盡管有時(shí)電磁波發(fā)射源位于波導(dǎo)底下方時(shí),也可形成波導(dǎo)傳播,但此時(shí)發(fā)射源必須距波導(dǎo)底不遠(yuǎn),并且波導(dǎo)強(qiáng)度必須很強(qiáng)。(4)相比較的折射線(xiàn)c由以上各圖可以看出,對(duì)于能夠在表面波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳播的電磁波射線(xiàn)而言,其主要特點(diǎn)如下:①在波導(dǎo)參數(shù)相同的情況下,電波發(fā)射的角度絕對(duì)值越接近臨界陷獲角θcmin,射線(xiàn)的折射高度越高,單次跳躍的距離越遠(yuǎn)。如圖3(b)中線(xiàn)2與線(xiàn)3的折射高度相差達(dá)3m以上,單次跳躍的距離相差可達(dá)4km左右。又如圖4(c)中的線(xiàn)2與線(xiàn)4的折射高度相差達(dá)50m以上,單次跳躍的距離相差50km以上。②電波發(fā)射仰角的微小差異就可導(dǎo)致電波射線(xiàn)在折射高度和單次跳距上的巨大差別。如在圖3(b)中的線(xiàn)2與線(xiàn)3,其電波發(fā)射角的絕對(duì)值僅相差0.0007弧度,但在水平距離上就產(chǎn)生了4km的距離差,高度差達(dá)3m。③使用相同的電波發(fā)射仰角(在保證能夠?qū)崿F(xiàn)大氣波導(dǎo)傳播的情況下),含基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)中的電波射線(xiàn)的折射高度與單次跳距均大于不含基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)。這主要是因?yàn)楹A(chǔ)層的表面波導(dǎo)的陷獲層位置較高,且電磁波在基礎(chǔ)層中由于折射作用而依然能夠繼續(xù)向前傳播。電磁波波導(dǎo)傳播的這些特點(diǎn)對(duì)研究電子系統(tǒng)在大氣波導(dǎo)中的應(yīng)用有重要意義。如特點(diǎn)②就說(shuō)明雷達(dá)系統(tǒng)在大氣波導(dǎo)中進(jìn)行定位時(shí),將很容易產(chǎn)生較大的定位誤差,因而必須進(jìn)行雷達(dá)定位誤差的修正;從特點(diǎn)③則能看出,含基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)的電磁傳播盲區(qū)會(huì)比較大,在應(yīng)用雷達(dá)和通信系統(tǒng)時(shí)應(yīng)對(duì)此特點(diǎn)予以考慮。