基于多波長(zhǎng)激光探測(cè)海洋大氣波導(dǎo)機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究

吳榮華,李勝勇,任席闖

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033,2.91001部隊(duì))

1 引 言

大氣波導(dǎo)由于具有能夠顯著影響無(wú)線電系統(tǒng)覆蓋范圍等使用效能的特性,使得其具有重要的軍事和民用應(yīng)用價(jià)值,一直是世界強(qiáng)國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。在軍事應(yīng)用上,海上大氣波導(dǎo)環(huán)境對(duì)海上作戰(zhàn)至關(guān)重要,可以影響艦載和機(jī)載雷達(dá)、偵察、電子對(duì)抗和通信裝備的效能,進(jìn)而直接影響海上超視距打擊、防空反導(dǎo)的能力,是指揮人員制訂作戰(zhàn)預(yù)案必須考慮和掌握的海上環(huán)境因素；在民用應(yīng)用上,大氣波導(dǎo)可以影響移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸能力、通話質(zhì)量等指標(biāo),也可使民用船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)等關(guān)乎民用交通安全的設(shè)備發(fā)生性能增效或降能現(xiàn)象[1-3]。

受環(huán)境條件影響形成的大氣湍流也會(huì)存在于低空大氣波導(dǎo)中,并可以造成大氣修正折射率隨機(jī)變化的混沌現(xiàn)象,進(jìn)而會(huì)造成在低空大氣波導(dǎo)中傳播的電磁能量泄露和電波傳播損耗的隨機(jī)起伏,使雷達(dá)等電子設(shè)備性能發(fā)生變化。海洋大氣波導(dǎo)的非均勻性、湍流擾動(dòng)性使得在研究低空大氣波導(dǎo)時(shí)不能簡(jiǎn)單地將其認(rèn)為是均勻、無(wú)擾動(dòng)的氣層[4-6]。

利用激光探測(cè)大氣波導(dǎo)的技術(shù)在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中有發(fā)表,但其基本方法均是利用激光雷達(dá)分別測(cè)量大氣溫度、濕度,然后計(jì)算大氣折射率剖面來(lái)作為波導(dǎo)判據(jù)。美國(guó)R.Hivey,J.Rosenthal等人從1994年起在這方面做了研究。美國(guó)海軍Paul A.Frederickson等人進(jìn)行了RED實(shí)驗(yàn),在13 m高度發(fā)射,接收在夏威夷主島瓦胡島。美國(guó)和荷蘭海軍支持,A.M.J van Eijk和G.J.Kunz等人在2001年開(kāi)發(fā)了Electro-Optical Signal Transmission and Ranging軟件以研究海面光傳輸特性的折射、湍流和吸收效應(yīng)。本文采用基于激光探測(cè)大氣波導(dǎo)新技術(shù)方法,開(kāi)展對(duì)激光回波信號(hào)進(jìn)行分析以實(shí)習(xí)海洋大氣波導(dǎo)遙感探測(cè),該技術(shù)能夠?qū)嵙?xí)全方位、高實(shí)時(shí)、高靈活和高保密性等優(yōu)點(diǎn),能夠很好滿足海洋大氣環(huán)境波導(dǎo)探測(cè)的應(yīng)用需求[9-11]。

2 理論數(shù)據(jù)模型與處理算法分析

2.1 激光大氣傳輸衰減理論計(jì)算分析

在低空海洋的大氣環(huán)境中,光的傳輸特性中散射占主導(dǎo)作用,吸收起相對(duì)次要作用。因此通常認(rèn)為在距離為RV公里范圍大氣對(duì)波長(zhǎng)為λ0輻射的透過(guò)率由散射決定[7-8]:

τs(λ0,RV)=exp[-δ(λ0)·RV]

(1)

根據(jù)公式(1)能夠推出得到波長(zhǎng)λ0的散射系數(shù)σ(λ0)與RV的關(guān)系式:

(2)

在近紅外波段范圍內(nèi),波長(zhǎng)為λ的散射系數(shù)可以由下式得到:

(3)

結(jié)合一些實(shí)際研究中實(shí)測(cè)的豐富數(shù)據(jù),對(duì)公式(3)中參數(shù)q值計(jì)算表達(dá)式采取了區(qū)間分段修正,分段函數(shù)細(xì)化后,盡量使得結(jié)果更為精確,修正分段函數(shù)表達(dá)式為[3]:

(4)

2.2 高分辨率激光斷層測(cè)量理論建模分析

通過(guò)激光雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射的激光束,在海洋大氣中傳播同時(shí)被其大氣氣溶膠散射,采用高采樣率、高分辨率和寬頻帶的激光遙感探測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同距離上的能量回波信號(hào)進(jìn)行采樣處理分析,得到實(shí)時(shí)和高精度的大氣相關(guān)光學(xué)參數(shù),結(jié)合激光雷達(dá)方程能夠獲取距離為z1,z2兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)上信號(hào)回波幅度分別為:

(5)

(6)

在實(shí)際應(yīng)用中所采取的采樣間隔通常非常小,因此認(rèn)為存在下面的關(guān)系公式:

β(z1)=β(z2)

(7)

T(z)=exp(-σz)

(8)

結(jié)合公式(5)、(6)、(7)、(8)能夠推導(dǎo)得出在海洋大氣中的水平消光系數(shù)σ:

(9)

在海洋大氣環(huán)境中垂直方向的光學(xué)厚度為:

(10)

在垂直方向上的大氣光學(xué)厚度進(jìn)行對(duì)高度z求導(dǎo),能夠推到得出在各個(gè)高度上的消光系數(shù)為:

(11)

2.3 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的時(shí)間和空間分布

根據(jù)激光雷達(dá)方程中參數(shù)特點(diǎn),將其分解成平均量和脈動(dòng)量[4-7]為:

(12)

同時(shí)將其代入激光雷達(dá)方程中,推倒得出:

(13)

光波波段的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)時(shí)間分布函數(shù)為:

(14)

光波波段的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)空間分布函數(shù)為:

(15)

3 激光探測(cè)大氣波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上面的研究思路,我們?cè)偻ㄟ^(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析研制了用于大氣波導(dǎo)探測(cè)試驗(yàn)用的激光雷達(dá)設(shè)備,該激光雷達(dá)設(shè)備使用后向散射測(cè)量的方法,運(yùn)用高分辨率激光斷層回波信號(hào)以建模計(jì)算海洋大氣環(huán)境的衰減參數(shù),進(jìn)而分析計(jì)算與大氣波導(dǎo)相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)。該激光雷達(dá)設(shè)備系統(tǒng)采用脈沖激光器、接收望遠(yuǎn)鏡和信號(hào)檢測(cè)控制處理系統(tǒng)三個(gè)基本模塊化設(shè)計(jì),設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 激光雷達(dá)測(cè)試儀主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The principal technical indicators of laser tester

針對(duì)海洋大氣環(huán)境下蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生的關(guān)鍵因素是由于大氣濕度隨著高度的急劇下降,為了證明利用本文新的激光探測(cè)海洋大氣波導(dǎo)技術(shù)可行性,我們主要的試驗(yàn)思路是利用探空氣球搭載自主研制大氣溫濕度測(cè)量?jī)x器系統(tǒng),該系統(tǒng)采用無(wú)線傳輸?shù)臏囟葌鞲衅骱蜐穸葌鞲衅?在南海某特定海區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量,具體試驗(yàn)方案是選擇海洋大氣濕度隨高度變化劇烈的海區(qū)進(jìn)行試驗(yàn),采用探空氣球測(cè)量與激光雷達(dá)實(shí)時(shí)同步測(cè)量以比對(duì)數(shù)據(jù)的真實(shí)可行性,同時(shí)獲取測(cè)量特定海區(qū)的折射率高度剖面數(shù)據(jù)和圖。

同時(shí)利用以上同步測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論建模計(jì)算,分析獲取與之相對(duì)應(yīng)的海洋大氣氣象條件下的實(shí)際測(cè)量海洋大氣消光系數(shù)、溫濕度以及能見(jiàn)度等參數(shù)之間的數(shù)據(jù),通過(guò)多波長(zhǎng)反演理論計(jì)算得到其他多波長(zhǎng)的反演計(jì)算數(shù)據(jù),其中波長(zhǎng)分別為λ1=0.532 μm,λ2=0.860 μm,λ3=1.060 μm,選取實(shí)際測(cè)量的實(shí)驗(yàn)用激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)λ3=1.060 μm作為基礎(chǔ)反演其他波長(zhǎng)的數(shù)據(jù),結(jié)果如表2所示。

表2 激光雷達(dá)多波長(zhǎng)測(cè)量反演試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Inversion data of lidarmultiwavelength measurement

采用上述自主設(shè)計(jì)的探空氣球溫度濕度測(cè)量系統(tǒng)和大氣波導(dǎo)激光雷達(dá)探測(cè)設(shè)備同步獲取的特定海區(qū)的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)兩者的實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算和處理,結(jié)合同時(shí)出現(xiàn)海洋環(huán)境下大氣波導(dǎo)的探空氣球數(shù)據(jù)和激光探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行波導(dǎo)預(yù)測(cè)的判據(jù)比對(duì)分析,詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和剖面圖如表3和圖1,圖2所示。

表3 特定海區(qū)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.3 Specific sea area survey data

圖1 海面溫度、濕度、折射率剖面圖Fig.1 The profile of temperature,humidity and refractivity near sea surface

圖2 光波段與雷達(dá)波折射率比較Fig.2 Comparison of optical and radar refractivity

根據(jù)以上激光雷達(dá)設(shè)備獲取的海洋大氣環(huán)境的高分辨率斷層回波信號(hào)用斜程數(shù)據(jù)計(jì)算垂直高度的消光系數(shù),根據(jù)激光光波段的消光系數(shù)高度曲線和常規(guī)雷達(dá)波段的修正折射指數(shù)曲線,兩者在曲線拐點(diǎn)的修正折射指數(shù)拐點(diǎn)高度具有相似一致性。該結(jié)論分析表明,由于在海洋大氣環(huán)境下海上近洋面不同海況風(fēng)浪等因素影響,海洋大氣水氣分子源源不斷的融入到大氣中,致使近海面濕度非常高,同時(shí)疊加了海面上溫度劇烈變化,從而造成了海上近洋面霧氣層結(jié),在海上試驗(yàn)測(cè)試同步獲取了典型海面霧氣層結(jié)構(gòu),近海面這種明顯的霧氣層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的分層邊界,同時(shí)對(duì)激光雷達(dá)測(cè)量的激光回波信號(hào)傳輸形成較大影響,造成消光系數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)變化。在分界層結(jié)構(gòu)的下層存在大氣氣溶膠濕度高同時(shí)致使消光系數(shù)較大,而在分層結(jié)構(gòu)的上層由于大氣氣溶膠濕度相較較小致使消光系數(shù)偏小,以上測(cè)量數(shù)據(jù)分析結(jié)論與通過(guò)建模仿真具有很好的一致性。

4 總 結(jié)

本文采用理論建模與試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的技術(shù)對(duì)海洋非均勻大氣介質(zhì)中多波長(zhǎng)激光傳輸進(jìn)行分析研究,給出了利用單波長(zhǎng)激光反演多波長(zhǎng)激光傳輸衰減特性的理論建模與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,進(jìn)而應(yīng)用于多波長(zhǎng)激光探測(cè)海洋大氣波導(dǎo)機(jī)理與試驗(yàn)之中,分析了出現(xiàn)大氣波導(dǎo)時(shí),對(duì)光波段傳輸影響的主要因素,在此基礎(chǔ)上分別對(duì)出現(xiàn)大氣波導(dǎo)的兩種情況,即隨高度升高出現(xiàn)大氣逆溫和濕度銳減,對(duì)光波段的傳輸影響進(jìn)行了分析。理論計(jì)算與試驗(yàn)仿真結(jié)果表明,出現(xiàn)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象與無(wú)波導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí),光波段的傳輸效果也有明顯差別,處于海洋大氣環(huán)境下波導(dǎo)產(chǎn)生的關(guān)鍵因素是濕度變化產(chǎn)生的,在濕度層的分界面上光波段的消光系數(shù)出現(xiàn)拐點(diǎn),實(shí)驗(yàn)分析初步表明用激光探測(cè)大氣波導(dǎo)尤其是海上蒸發(fā)波導(dǎo)的可行性。