基于大气波导的电磁波超折射研究.docx

基于大气波导的电磁波超折射研究 大气滤波传播 在现代高科技战争中，磁体的对抗非常激烈。电子战已经发展成为双方在第一次战斗后进行的作战形式。战场电气法的竞争已成为争夺空间和海洋能源权的必要条件。然而,要想夺取战场制电磁权,就需要掌握电磁波在实际战场环境中的传播状况。我们知道,电磁波在大气环境中传播,不仅会受大气环境中气体分子和气溶胶粒子的吸收、散射所造成的衰减影响,还会由于受大气折射影响,出现诸如超折射、负折射等异常传播现象。尤其在极端超折射条件下出现大气波导时,电磁波会在大气波导内形成波导传播,使得在正常折射条件下电磁波能传播到的区域,此时成为电磁波盲区;而正常折射条件下电磁波传播不到的区域,此时不但电磁波能够传播到,而且电磁波信号十分强烈,这种现象被称为超视距传播。尤其在海洋大气环境中,在海面附近几乎时时都会出现蒸发波导。因此,研究大气波导传播具有非常重要的实际意义。 目前,国外在大气波导传播方面的研究处于领先地位,美国于上世纪九十年代就开发出了用于电磁波大气波导传播效应的预报系统。随后,美国又发展了新型传播预报系统AERPS。前苏联确认了在海上蒸发波导条件下,雷达超视距探测的海上作用距离可达1000 km,并在此基础之上,研制开发了新型超视距雷达系统。另据报道,1999年澳大利亚设计完成了一套可预测大气波导现象的软件系统TREPS(对流折射效应预测系统)。国内现在已经开展了大气波导的机理、监测和统计等方面的研究,以及波导环境下雷达探测性能评估方面的研究。这些研究主要集中在蒸发波导及其对雷达性能的影响等方面。而要研究电磁波在大气波导环境下的传播情况,首先要搞清楚电磁波在大气波导环境下的射线轨迹。尽管目前这一方面也有部分研究成果,但大多数只是针对某一种波导情形。为此本文主要研究电磁波在各种大气波导中的传播轨迹,同时也分析其特征。从而为研究各种大气波导环境下的电磁波传播奠定基础。 1 大气导数的形成 实际大气为不均匀介质,通常大气压强、温度和湿度的水平变化相对于垂直变化可忽略。由于大气压强、温度和湿度都随高度变化,从而使得作为这三者函数的大气折射指数n(或折射率N)随高度增大而减小。从文献中可以知道,当大气折射率梯度满足式(1)时,就可以形成大气波导。 dN/dh-0.157 N单位/m (1) 为了进一步简化,将地球表面假想为一个平面,则可引入修正折射率M,定义为 Μ=Ν+ha×106(2) 式中,h为地面以上的高度,单位m;a为地球半径。 一般取平均地球半径a=6370 km,这时,式(2)变为 M=N+0.157h(3) 则用修正折射率M定义的形成大气波导的条件为: dM/dh0 M单位/m (4) 对流层波导大致可分为表面波导和悬空波导两类,其中表面波导存在两种情况:一种是波导层结紧贴地面,如果这种情况在海面上出现时,根据其形成的原因一般常称为蒸发波导;另一种是波导层下方有一个基础层。 图1(a)给出了由一个接地陷获层直接构成的表面波导;图1(b)给出了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。 悬空波导是指下边界悬空的大气波导,它通常是由一个悬空陷获层叠加到一个悬空基础层之上而构成,如图1(c)所示。 蒸发波导是海洋大气环境中经常出现的一种特殊的表面波导,它是由于海面水汽蒸发使得在海面上很小高度范围内的大气湿度随高度锐减而形成的,如图1(d)所示。 在图1中,除了给出了四种大气波导的示意图外,也给出了波导顶高h、陷获层顶高h1、基础层底高h2、波导厚度d、陷获层厚度d1、基础层厚度d2和波导强度ΔM等波导的特征参量。 2 大气滤波传播的前提条件 要实现大气波导传播,先决条件是必须存在大气波导。但是,在大气波导环境下传播的电磁波不一定都能形成波导传播。因为在特定气象条件下产生的大气波导能否将在大气中传播的电磁波捕获到波导层中形成波导传播还要取决于该电磁波的波长(或频率) 、发射源与大气波导所处的相对位置以及发射源的发射角度等参数。 根据对流层折射的模理论,在大气中传播的电磁波若要形成波导传播,它的波长与大气波导厚度及大气折射率梯度三者之间必须满足一定的关系。假定地面的大气折射指数n0≈1.0,可以推导出地面发射的水平极化电磁波能形成波导传播的最大波长λhmax与波导厚度d及波导层内的大气修正折射率垂直梯度dM/dh之间的关系为 λhmax=2.5×10-3(-dΜdh)1/2d1/2(5) 由式(5)可知,大气波导厚度远大于电磁波波长时,才能捕获电磁波形成波导传播;电磁波波长范围上限与大气波导的厚度和强度均成正比。 当然实现波导传播还与穿透角有关,当电波在大气波导中的仰角大于穿透角时,不发生波导传播。当发射源天线处于波导内部时,应采用