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大气波导中电磁波传播及雷达回波作用机制研究

许金菊  
【摘要】:大气波导是由于大气层折射指数随高度反常下降而形成的一种有别于标准大气的非正常大气结构,电磁波经过该大气层时向下弯曲的曲率大于地球表面曲率,进而将部分电磁波能量陷获在一定厚度的大气内,如同在金属导管中传播一样上下震荡传播,从而形成大气波导传播。其中蒸发波导为最为常见的一种海洋表面波导,一般发生在近海面几十米高度空间内,大气与海洋的相互作用使得大气湿度对高度锐减为负梯度形成。大气波导使得电磁波偏离原来的轨道方向传播,不仅会产生雷达超视距现象,而且会引发雷达探测盲区的问题,严重影响雷达、侦查、通信等无线电电磁系统,因此研究掌握大气波导传播特性以及海洋波导环境中雷达回波作用机制对提升雷达探测性能,提高侦查、通信等无线电系统工作效率具有重要指导意义 本论文就大气波导下电磁波传播及雷达海杂波回波的仿真计算方面做了以下工作:首先全面分析了海洋大气波导的定义、成因及分类、重要参数特征,给出了大气波导中大气折射率剖面模型及其参数化模型,阐述了电磁波形成大气波导传播的重要因素和大气波导对电波传播的影响,给出了电波工程中大气波导下电波传播损耗及传播因子的相关概念和基本推导公式。其次介绍分析了电磁波传播的三种基本模型:波导模理论、射线追踪技术(又称几何光学理论)及抛物方程模型,分析了三者之间的优缺点,并给出了抛物方程详细的求解过程及数值解。最后分析了大气波导环境下的海杂波散射模型,给出了海杂波功率(雷达回波功率)推导公式,利用改进的离散混合傅里叶方法(IDMFT)计算了电磁波传播损耗,通过改进的GIT海杂波模型修正了雷达散射系数(RCS),其中掠射角的计算成为关键,本文采用符合我国近海区域海浪谱特性的文氏谱模型描述了海面的粗糙特性,并运用现代功率谱估计技术计算了随传播距离变化的掠射角,数值分析了风浪因素、波导因素及雷达系统参数因素对海洋大气波导环境下雷达海杂波回波的影响。 本论文通过对海洋大气波导电磁波传播特性的研究,掌握了大气波导的传播模型,数值分析了不同条件下的大气波导中雷达海杂波回波值,结果表明,风浪因素对传输损耗影响较弱,而对雷达回波功率影响显著,说明风浪因素通过RCS项影响雷达回波功率;不同波导高度下,传输损耗项对雷达回波功率的影响要大于RCS项,传输损耗是主因;不同频率下,传输损耗、雷达回波功率并没有表现出明显的规律,说明频率对它们的影响作用较为复杂,有待进一步探究。综上,在研究分析大气波导下雷达数据时,必须考虑风浪因素与大气波导的影响。研究结果对掌握并应用大气波导电波传播特性,提升舰载雷达等无线电系统的探测性能提供相关算法理论支撑,意义重大。


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