大氣環境對動態RCS測量的影響分析

王睿　張銳娟（中國飛行試驗研究院，陜西西安　710089）

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大氣環境對動態RCS測量的影響分析

王睿張銳娟
（中國飛行試驗研究院，陜西西安710089）

【摘 要】大氣傳輸所引起的電磁波能量衰減會在動態RCS測量過程中引入誤差，且測試頻率越高、距離越遠，誤差影響越大。本文利用基于自諧振譜線的電磁波大氣衰減模型，通過研究不同氣象條件下，特定頻率的大氣衰減變化，分析大氣環境對RCS測量的影響程度，并據此提出動態RCS測量的試驗環境要求。

【關鍵詞】大氣衰減動態RCS測量環境因素

1　引言

電磁波在傳輸過程中，由于受到對流層中大氣折射、分子吸收、散射等因素的影響，造成電磁波能量衰減，從而在動態RCS測量過程中引入測量誤差。為了在測量過程中盡可能提高動態RCS測量精度，本文利用累加氧氣和水蒸汽各自諧振線的方法，研究不同氣象條件下，特定頻率的大氣衰減變化及其對RCS測量的影響程度，并提出動態RCS測量的試驗環境要求。這對于選擇合適的動態RCS測量試驗條件，提高測試精度具有重要的指導意義。

2　對流層大氣環境特點分析

大氣層按氣溫的垂直分布特征可分為對流層、平流層和中間層［1］。動態RCS測量主要在對流層內開展，在該區域標準大氣中，氣溫、氣壓隨高度升高而降低，平均氣溫梯度約為-6.5℃/km，水蒸汽密度隨高度增加而呈指數減小。我國是一個幅員遼闊，地形、氣候復雜的國家，加上復雜多變的地形地貌及太平洋季風和西伯利亞寒流，使得我國廣大地區四季分明［2］。

3　大氣環境對RCS測量的影響分析

對流層的大氣吸收是水蒸氣分子和氧氣分子間發生量子諧振引起的［3］，吸收產生的大氣衰減率與大氣壓力、大氣溫度以及水蒸氣密度等氣象參數密切相關。下面基于國內平均氣象條件，利用基于自諧振譜線的電磁波大氣衰減模型，詳細分析濕度、溫度、壓力等氣象條件對大氣衰減的影響。

3.1濕度對電磁波大氣衰減的影響

濕度是表示大氣干燥程度的物理量，工程上常用相對濕度U來表征，其與水蒸汽壓力e滿足如下關系：

式中，t為溫度，單位℃；P為壓力，單位hPa；U相對濕度，單位%；EF按照溫度有效范圍可分段計算，a、b、c為經驗系數，具體取值可參考文獻。

基于我國平均氣象條件，不考慮溫度、壓力的變化，濕度對電磁波傳輸過程中產生的大氣衰減的影響很大，具體表現為如下幾個方面：

圖1　不同頻率在不同季節下的大氣衰減（θ= 5°）

（1）在相同條件下，濕度越大電磁波傳輸過程中產生的大氣衰減損耗越嚴重，當相對濕度由30%增加至50%時，電磁波的大氣損耗將提高23%～36%；當相對濕度增加至70%時，電磁波大氣損耗將提高54%～64%；

（2）由于高空氣中水蒸汽密度不斷降低，導致濕度對電磁波大氣衰減的影響逐步減小，高度越高，影響就越小；

（3）電磁波頻率小于1GHz時，大氣衰減系急劇下降，且與空氣濕度無關。

3.2溫度、壓力對電磁波大氣衰減的影響

以國內平均氣象條件中溫度、壓力變化為輸入，假設空氣相對濕度U=30%時，溫度和壓力對電磁波傳輸過程中產生的大氣衰減影響如下：

（1）當頻率小于6.7GHz時，冬季電磁波大氣衰減比夏季略高0. 1dB，此時電磁波大氣衰減系數與氣壓成遞增關系，氣壓對電磁波大氣衰減的影響較為顯著；

（2）當頻率大于6.7GHz時，夏季電磁波衰減最高，冬季最低，且頻率越高（f＜22GHz），兩者差異越大，此時溫度對電磁波大氣衰減的影響較為顯著，電磁波大氣衰減系數與溫度成遞增關系。

3.3綜合氣象環境對RCS測量的影響

為了綜合分析大氣環境對電磁波大氣衰減的影響，以國內1月、4月、7月和9月平均氣象參數為輸入，利用基于自諧振譜線的電磁波大氣衰減模型計算1GHz、30GHz在不同季節下對應的大氣衰減系數。在此基礎上，利用射線追蹤算法，給出四種頻點在不同季節下對應的總的大氣損耗變化，具體仿真結果見圖1。

由圖1分析可知，當雷達工作在低頻段時，夏季電磁波大氣衰減低于冬季，兩者相差小于0.1dB。隨著雷達工作頻率的升高，大氣溫度和濕度對電磁波大氣衰減的影響越發明顯，導致夏季電磁波衰減高于冬季。當雷達工作頻率增高到30GHz時，兩者之間的差異將增大至8dB左右。

綜上所述，大氣環境對電磁波衰減具有很大影響，且頻率越高受氣象影響越嚴重。通常在冬季溫度越低、濕度越小，大氣衰減越小；反之，夏季溫度越高、濕度越大，大氣衰減越嚴重。因此為了降低大氣損耗對動態RCS測量精度的影響，應盡量選擇在低溫、低濕度的條件下進行測試，同時要避免云層等因素的影響。

4　結語

本文在對國內平均氣象環境進行分析的基礎上，利用基于自諧振譜線的電磁波大氣衰減模型，定量分析了濕度、溫度、氣壓對電磁波大氣衰減系數的影響，并在此基礎上利用射線追蹤算法給出了不同頻率在不同季節下的大氣衰減量值，詳細分析了大氣環境對RCS測量的影響程度，并據此提出動態RCS測量的試驗環境要求。這對于選擇合適的動態RCS測量試驗條件，提高測試精度具有重要的指導意義。

參考文獻：

［1］GJB 5601-2006中國參考大氣［S］，2006.

［2］焦培南，張忠治編著.雷達環境與電波傳播特性［M］.北京:電子工業出版社，2007.

［3］Merrill I.Skolnik主編，王軍等譯.雷達手冊［M］.北京:電子工業出版社，2003.