蒸發波導預測設備檢驗方法研究

曹　鑫

(91404部隊92分隊,河北 秦皇島 066000)

蒸發波導預測設備檢驗方法研究

曹鑫

(91404部隊92分隊,河北 秦皇島 066000)

摘要：闡述了蒸發波導對海面雷達系統探測的影響。在分析了蒸發波導預測原理和方法的基礎上,分別以氣象數據和雷達探測數據作為檢驗依據,提出了檢驗預測準確度的方法。根據統計學基本原理,說明了確定樣本量依據。研究成果可為波導預測設備的檢驗提供參考。

關鍵詞:蒸發波導；預測設備；檢驗方法

0引言

蒸發波導是經常出現在海洋表面的電磁波超折射現象,是一種特殊的表面波導。它對于雷達、偵察或通信等無線電設備的使用既有正面作用又有負面影響。目前,蒸發波導的預測設備已經有所應用:可通過氣象參數傳感器測量得到相應的氣象數據,對一定海區范圍內的蒸發波導情況進行預測；或者利用雷達的海雜波回波信息反演出大氣折射率參數,在此基礎上對相應區域的蒸發波導情況進行預測。另外,預測設備可根據雷達實際架設高度和工作參數等信息近似預估雷達在當前氣象條件下的探測范圍。波導預測設備性能的優劣一般用預測的準確度表示。由于準確度是一個統計量,實際應用時應根據試驗要求以及試驗條件下的限制情況確定具體的試驗方法和相應參數。

1蒸發波導

由于海洋表面的物理特性和氣象因素,使得海面附近極易形成接近飽和的水汽壓,但上升到一定高度后銳減,造成垂直梯度上的大氣折射指數異常[1],使電磁波的傳播軌跡發生彎曲。當部分頻率的電磁波獲陷在海面附近的大氣層內傳播時,就像電磁波在金屬波導中傳播一般,即形成了大氣波導[2]。

1.1蒸發波導對雷達探測的影響

蒸發波導高度是表征蒸發波導特性的最重要特征量。據統計,其高度隨季節、地理位置和當時及一段時間內的氣象參數等因素變化,通常在低緯度海區夏季晴朗天氣的蒸發波導出現概率較高。海上蒸發波導的高度與出現概率有關,高度越低則出現概率越高,一般具有實際使用價值的能夠以較大概率出現的波導的高度不會超過40 m,即d≤40 m。

圖1　電磁波超折射傳播示意圖

圖1為電磁波在蒸發波導內傳播示意圖。天線架設在海面的雷達系統,如工作波長為厘米波,并且輻射電磁波的初始發射角θ1較小或接近水平,電磁波易陷獲在波導內,形成超折射現象,此時θ2<θ1。所以,微波超視距雷達的天線仰角不能過大,當電磁波初始發射角不斷增大,雷達電磁波會穿透波導層,形不成波導傳播。能夠剛好穿透波導層時的發射角稱為穿透角。

Budden K G的經典的波導模型理論[3]:能夠形成波導傳播的最大波長稱為極限波長,厘米波是最容易受蒸發波導影響而形成波導傳播的波段。而海上船載雷達系統常用的工作頻段為S、C、X波段,正處于這一范圍內,所以船載雷達極易受到蒸發波導的影響。通過分析可以確定,電磁波波長小于極限波長,電磁波的初始發射角小于穿透角,是雷達電磁波在蒸發波導內形成波導傳播的兩個必要條件。

根據蒸發波導產生的原理,當雷達電磁波形成波導傳播時,對雷達可造成3個方面的影響:一是對雷達距離和高度的測量造成影響,需要對雷達測距和測高結果進行修正,減小誤差；二是電磁波在波導內形成超視距傳播,擴大了雷達的探測威力；三是改變了雷達探測盲區的范圍和位置,形成新的大氣波導盲區。典型的大氣波導盲區是沿波導頂部一定范圍內的雷達盲區和在海表面附近區域形成的跳躍盲區。

1.2蒸發波導的預測

由于蒸發波導對海上船載雷達系統能夠造成多方面的影響,其實際效果對雷達而言有利有弊,所以對蒸發波導的預測也成為非常重要的研究課題。蒸發波導預測設備具有一定的實用價值。

影響電磁波在大氣環境中傳播特性的主要因素為大氣折射率指數n。對頻率在1～100 GHz范圍內的電磁波,大氣折射率指數n可表示為大氣壓力P(hPa)、大氣溫度T(K)和水汽壓e(hPa)的函數,其關系為[4]

(1)

一般用大氣折射率N表示更為直觀,N=(n-1)×106。

(2)

由于蒸發波導距離海洋表面僅有幾十米的高度,這樣就給通過測量海洋表面氣象參數來預測波導強度提供了可行性。蒸發波導環境中的電磁波傳播特性由大氣折射率垂直剖面決定,即大氣折射率隨高度的變化情況。獲取大氣折射率剖面的方法主要有兩種:一種方法是利用微波折射率儀直接測量得到；另一種方法是通過探空小火箭、探空氣球等探空氣象儀器,通過測量垂直高度上的氣壓、氣溫和水汽壓等大氣數據,利用式(1)計算得到。

這兩種測量方法雖然能夠測量大氣折射率剖面,但都不適合產品化的工程應用。原因一是蒸發波導發生在海面大氣邊界層內,高度一般不超過40 m,現有探空氣象儀器達不到測量精度要求；原因二是測量平臺對測量的大氣環境影響較大,氣象參數測量的準確度無法保證,導致測量結果往往偏離實際值；原因三是由于這兩種測量方法通常都非常昂貴,消耗量大,但采樣率較低,一天之內只能進行幾次測量,不能客觀地描述大氣參數在時間和空間的變化,可用性不高。

可以看出,對于精確和實時地測量海洋表面低高度大氣折射率剖面在工程上很難實現,但可根據海面某一高度上的整體大氣參數測量(氣壓、氣溫和水汽壓),根據蒸發波導高度預報模型式(3),近似得到大氣折射率剖面,計算蒸發波導高度。

(3)

式中,R0=6.371×106m,為平均地球半徑;z為地表以上的高度(m)；T為溫度(K)；P為氣壓；e為水汽壓。測量的大氣波導折射率剖面形式如圖2所示,圖中的d和M分別為大氣波導的高度和強度。當測量出折射率剖面時,就可以得到大氣波導的高度和強度。

測量海面同一高度的整體大氣參數可采用多站分布式氣象探測傳感器,通過對一段時間內(如10 min)采集的數據進行處理,剔除異常數據和平滑,分析探測海區內的整體氣象參數用于計算折射率剖面。這樣提高數據率,可以近乎實時地預報波導情況,同時提高了預報結果的準確性。

圖2　大氣波導折射率剖面

2波導預測設備檢驗方法

通過以上對蒸發波導預測的原理分析,檢驗蒸發波導預測設備的方法可以分別從兩個角度考慮:

(1) 以氣象數據為依據將標準氣象測量儀器所測量的大氣參數與預報設備的測量結果比對,定量分析其預報準確程度。

(2) 以船載雷達的探測威力為依據根據雷達參數和目標大小,將預報結果換算成雷達的最大探測距離,通過對合作/非合作目標的探測情況確定雷達實際威力,與預報設備的預報結果進行對比分析。

2.1以氣象數據為依據

采用實時氣象數據作為真值。折射率剖面可以利用系留探空氣球進行測量。系留探空球攜帶精度較高的溫度、濕度和氣壓傳感器,從海平面逐漸上升,在上升過程中測量出上升剖面每個高度上的溫度、濕度和氣壓,將沿高度測得的溫度、濕度和氣壓數據分別帶入式(3),可以得到上升折射率剖面；當氣球上升至40 m后再緩慢下降,開始測量下降折射率剖面。將上升和下降折射率剖面平均,作為1次測量的折射率剖面,以此作為真值,與預報設備的預報結果進行比對,如在相應的誤差范圍內就可確定為1次準確預報結果。圖3為用于測量折射率剖面的系留探空氣球。

圖3　海上低高度折射率剖面的測量

系留氣球上升的高度是由測量的氣壓和溫度值折算出來的。當設定初始高度后,利用式(4)可以計算出傳感器所在的高度位置。

(4)

式中,h1、h2分別表示兩個不同的高度(m),p1、p2及t1、t2表示對應高度上的大氣壓力(hPa)和溫度(℃)。

2.2以船載雷達探測距離為依據

采用當前雷達探測數據為真值。在蒸發波導條件下,波導強度決定雷達的超視距探測距離。根據雷達頻率、輻射功率、信號形式等雷達系統參數,將波導強度換算成雷達的最大探測距離,并根據探測海區的氣象情況確定預報威力容差。

采用AIS網絡覆蓋實時接收探測海區的海上目標信息。通過AIS網絡確認雷達覆蓋范圍內的大型船只信息。雷達錄取觀測航路上的最遠運動目標,確認目標后,雷達保持跟蹤。記錄雷達對目標船的發現、跟蹤情況及波導預報設備的預測結果。

根據雷達探測目標的探測情況,按照發現概率統計發現距離。如果距離在預報結果的威力容差范圍內,可確定為1次準確預報結果。

3樣本量的確定

(5)

通過查表可以確定，在置信度為1-α的置信區間長度L的情況下,滿足檢驗預報準確度p的觀測樣本量。

表1　置信度為90%

表2　置信度為95%

表3　置信度為99%

4結束語

綜上所述,海面蒸發波導具有部分獲陷電磁波傳播的作用,蒸發波導的預測具有重要的應用價值。本文在分析了蒸發波導對海面雷達系統探測影響的基礎上,從檢驗波導預測設備的實際應用出發,分別以氣象數據和雷達探測數據作為檢驗依據,提出了預報設備的檢驗方法,并且說明了確定樣本量的理論依據。研究成果可為波導預測設備的工程檢驗提供參考。

參考文獻:

[1]姚景順,楊世興.PJ蒸發波導模型在沿海海區的應用[J].火力與指揮控制,2010,35(6):121.

[2]黃小毛.電磁波在海洋大氣波導條件的傳播特征研究[D].大連:海軍大連艦艇學院,2002.

[3]Budden K G．The Wave-Guide Mode Theory of Wave Propagation[M]．London: Logos Press,1961:22-38.

[4]Bean B R,Dutton E J.Radio Meteorology [M]．New York: Dover Publications, 1968:15-21．

Test methods of forecast equipment of evaporation duct

CAO Xin

(Team 92 of Unit 91404 of the PLA, Qinhuangdao 066000, China)

Abstract:The effects of the evaporation duct on the surface detection of the radar system are elaborated. The forecast principles and methods of the evaporation duct are analyzed, on the basis of which the methods of testing the forecast accuracy are proposed, with the meteorological data and radar detection data as the test standards respectively. Finally, according to the basic principles of statistics, the theoretical basis of determining the sample size is discussed. The research results can provide references for testing the forecast equipment of the evaporation duct.

Keywords:evaporation duct; forecast equipment; test method

收稿日期:2016-01-10

作者簡介:曹鑫(1983-),男,工程師,研究方向:雷達系統工程技術研究。

中圖分類號:TN911.7

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0015-04