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蒸发波导环境特性和传播特性及其应用研究

刘成国  
【摘要】: 以蒸发波导为代表的对流层大气波导传播,可使电波在较小的衰减下沿波导传播得很远,从而严重影响合适的无线电系统。对于通信电路,它使系统间的相互干扰问题变得复杂,既可能干扰其他系统又可能形成另外的系统,从而影响系统的有关参数如中继电路的最佳组合(分布、间隔)和协调距离,对于探测系统产生的则是雷达空洞、超视距探测等问题。这些问题对相关无线电系统特别是军事应用系统可能是致命的,因而以波导传播为代表的反常传播特性研究受到极大重视。经过多年的研究,目前蒸发波导传播等电波传播问题成为非常复杂的多学科问题,涉及到电磁波理论、大气科学和应用科学等,成为对流层传播研究中的一个热点和难点问题。我国在应用上急需蒸发波导环境的预测技术、蒸发波导传播条件下雷达探测性能评估和超视距传播引起的海面目标距离误差评估等具体问题的研究成果。使开展蒸发波导环境特性传播特性及其应用的研究具有重大理论意义和军事价值。 根据上述情况,结合我国尽快得到蒸发波导环境预测技术及在其中运作无线电系统的性能预测技术等需求,本文针对蒸发波导传播及其相关应用这一热点难点问题较深入地研究了蒸发波导环境预测技术的理论及其应用、蒸发波导环境中雷达探测性能评估所要求的基本理论之一——射线描迹技术及其在代表性蒸发波导环境中雷达探测性能评估技术方面的应用和我国应用所需的我国大气波导环境特性等几个方面。 对这几个方面的研究,本文得到了如下结论: 一、本文首次提出的以伪折射率为核心相似参量的蒸发波导环境预测理论是成功的。根据外场试验的结果,其预测蒸发波导环境出现的准确率可达到80%,对平均蒸发波导高度的预测误差约为28%,在试验可测量的高度范围内,不同蒸发波导高度的误差在24.6~57.6%之间。 二、本文选用的以电波射线微分方程为基础的射线描迹解决方案,可有效地避免沿用已久的积分算法计算效率低、零度初始仰角附近难以计算等局限,并保持较高的计算精度和计算效率。计算证实,真实高度相应的雷达视在距离在1%以内和已有结果一致,每确定一组视在距离和真实高度所需的时间为亚毫秒量级,基本可满足当前应用的要求。 三、对两个应用问题的讨论表明: 基于本文发展的蒸发波导预测理论,使用微波折射率仪为传感器:(1)开展通量关系研究时,可以用于边界层温度、湿度和折射率无量纲梯度函数的精确测定和得到蒸发波导环境预测所需的伪折射率参数化函数关系;(2)预测蒸 蒸发波导环境特性和传播特性及其应用研究 发波导环境时可以避免使用传统气海界面要素测量中存在的局限,并用折射率 音d面不太高的精确测量结果精确预测蒸发波导环境。 基于电磁场几何光学理论的射线描迹方法可以评估给定的蒸发波导环境 中雷达的探测性能.对雷达天线高度分别为sm和IOm时在试验测得的典型蒸 发波导环境中电波覆盖范围的评估表明:(1)和正常大气传播条件相比,蒸发 波导环境增强了雷达对海面附近目标的探测能力,沿海面的探测距离大大超出 了正常的视距范围。(2)以雷达视在距离作为海面目标的地面距离时,蒸发波 导传播造成的地面距离误差基本随地面距离线性增加,在400km的地面距离 内,可有约150m的误差。(3)天线高度的不同会给探测能力造成一定的影响, 但对目标地面距离误差的影响不大。 四、我国陆上波导环境的气候区可划分为南部沿海地区、东南沿海地区、 东部沿海地区、西北地区等四个波导频繁出现区与青藏高原四力嘛地和云贵高 原地区、天山以北地区、黄土高原及内蒙古高原、东北平原等四个无波导区, 且这些气候区中大气波导环境特性是随季节和月份变化的;我国东海和南海海 域蒸发波导环境的出现概率很高,平均年出现概率通常在85%左右,平均高度 在13一15米左右。 这些研究结果,可以一定程度上满足实际应用对我国实用蒸发波导预测模 式和技术、蒸发波导传播条件下雷达探测性能实时评估及我国对流层大气波导 环境特性等几个问题的需求。


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