海上異常大氣環(huán)境中的紅外輻射傳播*

黃立峰，孫 方，朱慶林，王紅光，林樂科

0 引 言

海洋大氣邊界層中經(jīng)常出現(xiàn)溫、濕度垂直梯度異常分布的大氣環(huán)境，這種環(huán)境會導(dǎo)致無線電波發(fā)生超折射、負折射等非正常傳播現(xiàn)象，直接影響光電系統(tǒng)的探測性能[1]。一般說來，微波雷達探測距離遠，受天氣和大氣的影響小，適合全天候工作，普遍應(yīng)用于海軍水面艦艇裝備進行超視距探測與通信。隨著探測手段的日益更新，我海軍水面艦艇已經(jīng)開始部分裝備紅外探測和目標指引系統(tǒng)，用以偵察和探測近海表低空目標，如小型艦船、低空飛機等[2]。與普通微波雷達相比，第一，紅外探測雷達的工作頻率較微波高，因此其距離和速度分辨率高，可以利用多普勒成像技術(shù)獲得目標的清晰圖像；第二，自然界中能對紅外雷達起干擾作用的信號源不多，因此其抗有源干擾能力很強，適于工作在日益復(fù)雜和激烈的信息戰(zhàn)環(huán)境中；第三，對于紅外探測雷達來說，只有被照射的目標才會產(chǎn)生反射，完全不存在地物回波的影響，因此其低空探測性能較微波雷達優(yōu)秀。目前，如何有效發(fā)揮兩種探測系統(tǒng)的功能且實現(xiàn)最優(yōu)配置，很大程度上依賴于海洋大氣環(huán)境的影響[3-4]。本文仿真不同環(huán)境下的溫濕壓高度剖面，分別帶入紅外和微波波段進行大氣折射率剖面計算，并利用射線追蹤技術(shù)仿真兩個發(fā)射波段電磁波不同的射線軌跡，演示了異常大氣折射環(huán)境對紅外和微波波段的傳播特性差異。

1 紅外波段的大氣折射率模型

大氣折射率N不僅與光波的波長λ有關(guān)，而且也是空氣溫度T、水汽壓e和壓強p的函數(shù)。在光學(xué)頻率范圍內(nèi)，對流層（高度＜17 km）中的大氣折射率一般可寫為：

式中：p是大氣氣壓，單位mbar；T是熱力學(xué)溫度；λ是光波波長，單位μm。對于戈壁地區(qū)，由于空氣相對比較干燥，地面上水汽壓e對N的貢獻小于1%，故式（1）忽略了與水汽壓相關(guān)的項，但這一項對水上傳輸光路不可忽略。因此，這里給出精度較高、考慮水汽壓的光折射率模型。

對于可見光和近紅外波段，這里選用Birch and Downs在1994年提出的Edlén改進模型進行光折射率計算[5]：

式中：Ns為溫度t=15℃，氣壓P=101 325 Pa，CO2體積混合比為450 ppm的干空氣折射率；Ntd為任意溫度、氣壓條件下，CO2體積混合比為450 ppm干空氣折射率；e為水汽壓，單位Pa；λ為波長，單位μm；P為壓強，單位Pa；t為溫度，單位℃；A、B、C、D、E、F、G為公式系數(shù)，如表1所示。

表1 光折射率剖面模型系數(shù)

而對于紅外波段，大氣折射率的計算為：

式中：X=10/λ，單位μm；α=T/273.15；ν為波數(shù)，ν=1/λ，λ單位μm；P為氣壓，單位hPa；T為溫度，單位K；Q為絕對濕度，單位kg/m3。

2 海上異常大氣環(huán)境下紅外和微波的差異分析

2.1 大氣折射類型與條件

海上異常大氣環(huán)境主要由溫度和濕度的垂直剖面異常分布引起，從而導(dǎo)致大氣折射率梯度過大或過小，使得電磁波發(fā)生超折射、負折射以及波導(dǎo)傳播[6-9]，如圖1所示。

圖1 不同的大氣折射形態(tài)

在無線電氣象學(xué)科中，大氣介電特性采用大氣折射率N或修正折射率M表示。當(dāng)電磁波傳播距離很近時，可近似認為地球表面為平面。但是，若電磁波傳播距離較遠，則必須考慮地球曲率的影響。此時，為了將地球表面處理成平面，通常使用經(jīng)地球曲率修正的大氣修正折射率M（單位：M）。修正折射率M和大氣折射率N的關(guān)系為：

將式（9）對高度h求導(dǎo)，可得修正折射率梯度：

對流層大氣結(jié)構(gòu)一般按大氣折射率或大氣修正折射率的垂直梯度特征區(qū)分為四類，如表2所示。

表2 大氣折射類型與條件

當(dāng)出現(xiàn)dN/dh＜-157（N/km）或dM/dh（M/km）的大氣層結(jié)時，電波射線的彎曲曲率半徑小于地球半徑，電波射線向地面折射。只要頻率和角度合適，大氣層結(jié)又有一定的水平擴展范圍，電波能量就會在此大氣層結(jié)及其下部的大氣層結(jié)內(nèi)反復(fù)折射，或者在此大氣層結(jié)及其下墊面之間反復(fù)折射和反射，使電波能量限制在相應(yīng)的大氣層結(jié)范圍內(nèi)傳播到視距以外，即所謂的大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象。

2.2 紅外和微波的大氣折射率剖面與傳播特性差異分析

微波波段的大氣折射率模型相比紅外波段簡單，首先給出微波波段大氣折射率的計算公式：

對比微波與紅外波段的大氣折射率形式，可以看出兩者的折射率都與大氣壓強、溫度、水汽壓（或者說濕度）有關(guān)，不同的是紅外波段還要考慮波長的影響。這里主要選取遠紅外波段（λ=10.6 μm）與微波段（λ=0.1 m）進行比較分析，其他紅外窗波段的折射特征與之相似，僅在折射率的量值上略有不同。

選擇汕頭站2011年7月4日8時的溫度、濕度以及壓強的探空數(shù)據(jù)剖面，分別利用紅外與微波段的折射率模型計算大氣折射率與修正折射率剖面，結(jié)果如圖2所示。

圖2 紅外與微波波段的折射率剖面比較

由圖2可知，微波波段接近100 m高度內(nèi)的dM/dh＜0，說明發(fā)生了表面波導(dǎo)現(xiàn)象，但在紅外波段屬于正常折射情況。為了進一步說明電磁波在相同大氣環(huán)境下不同波段的傳播特性，下面利用射線追蹤技術(shù)[10]仿真利用兩種波段發(fā)射的電磁波傳播軌跡差異，結(jié)果如圖3所示。

圖3 紅外與微波波段的射線軌跡比較

由圖3可知，低仰角射線在微波段被大氣波導(dǎo)陷獲發(fā)生超視距傳播，而紅外波段大氣折射率剖面由于是正常大氣，射線全部為視距傳播。

3 結(jié) 語

分析給出了紅外波段大氣折射率的計算模型。與微波波段相比，紅外波段大氣折射率主要與溫度、壓強和頻率有關(guān)，而濕度的影響與微波段相比明顯要小。本文針對海上大氣環(huán)境，給出了相同溫度、濕度、大氣壓強氣象條件下的大氣折射率與修正折射率剖面模型；利用射線追蹤技術(shù)仿真了不同波段電磁波的射線軌跡；利用射線光學(xué)和拋物方程模型，分別計算了紅外與微波段電磁波的傳播損耗分布。仿真結(jié)果表明，在相同的海洋大氣環(huán)境下，微波和紅外波段的大氣折射環(huán)境與傳播特性相差甚遠。可見，為了使雷達和紅外探測設(shè)備能夠更加有效地適應(yīng)于復(fù)雜的海洋戰(zhàn)場環(huán)境，以充分發(fā)揮兩種武器效能，必須對水面艦艇光電系統(tǒng)在復(fù)雜海洋大氣折射環(huán)境下的近海面水平探測特征差異進行對比分析與有效評估。

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