毫米波RCS測量大氣吸收衰減修正方法研究

王海風 李 皓 齊玉濤

摘 要：文章分析了大氣吸收對毫米波測量雷達散射截面（RCS）測量精度的影響。根據試驗場氣象參數，建立了毫米波雷達大氣吸收衰減工程模型，并對標準金屬球實測數據進行了大氣吸收衰減修正。數據處理結果表明，該工程模型簡單、可靠，能有效提高外場RCS測量精度。

關鍵詞：毫米波；大氣吸收；RCS動態測量

1 概述

在電磁波作用下，大氣中氧氣和水蒸氣分子會吸收電磁波能量而產生能級躍遷，將電磁波能量轉變為分子內能，在其固有頻率上對電磁波產生吸收衰減[1]。在毫米波雷達外場RCS動態測量任務中，大氣衰減嚴重，不同氣象條件下的毫米波大氣衰減存在明顯的差異，這種差異嚴重影響了毫米波RCS測量精度[2]。為提高RCS測量數據的可靠性，必須對毫米波大氣衰減進行修正，以得到目標實際的RCS反射特性。對流層吸收衰減計算公式復雜，為便于工程應用，提高數據處理效率，建立毫米波吸收衰減工程模型也是亟待解決的問題。

2 大氣吸收衰減計算模型

2.1 水蒸氣吸收系數

在0.1～1000GHz頻段存在水蒸氣分子的選擇性吸收譜線，分別由22.235GHz和100GHz以上的諧振引起，對應的吸收系數分別記為？酌22和？酌res。計算模型[2]-[4]如下：

式中，f為頻率（GHz），T為大氣絕對溫度（K）；pw為水蒸氣的分壓力（torr）；p為大氣壓力（Hpa）；？籽為水蒸氣密度（g/m3），F為諧振線的形狀系數。

2.2 氧氣吸收系數

氧氣無固定的電偶極矩，無選擇性吸收譜線。在氣壓作用下，壓致增寬形成中心在60GHz和118.75GHz附近的吸收帶。文章的氧氣分子吸收模型考慮了40GHz～140GHz頻段內44條氧氣吸收譜線的貢獻。氧氣吸收系數計算模型[4]如下：

式中，C=2.0058。系數AN由旋轉量子數N、諧振線外形系數和非諧振分量共同確定。

2.3 折射分層大氣吸收衰減計算模型

電磁波在對流層傳播過程中產生的總吸收系數 為：

由于大氣是非均勻的，電磁波在大氣中傳播時折射指數隨高度增加而變化。所以在計算大氣吸收衰減時需將大氣層按折射指數進行分層，從而確定整個傳播路徑中所經過的每個層結點的位置，分層計算電磁波在該層傳播時的傳輸距離，及該層實際大氣氣象因素所決定的吸收衰減系數，最終確定雷達至目標之間總的吸收衰減。

基于射線追蹤理論，可得到電磁波在傳輸過程中引起的大氣吸收衰減為：

式中，n0為地球表面的折射指數；？茲0為射線起始仰角，h0為射線初始點高度，h1為射線終點高度；r0為地球半徑，取值6370km；n（h）為大氣折射率模型。

在標準大氣條件下，采用Ns=313的CRPL指數模型，對頻率為30GHz的大氣吸收衰減進行計算，并與文獻[3]中的結果進行比對，結果如圖1所示。

圖1中文章計算結果與文獻[3]的結果非常吻合。由圖1可知，在標準大氣條件下，當雷達中心頻率為30GHz且仰角分別為10°和5°時，對應的大氣吸收衰減可達2.80dB和5.41dB。因此，在低仰角（小于10°）或高頻率下進行RCS動態測量時，必須考慮大氣衰減的影響，從而保證RCS測量精度。

3 建立毫米波大氣吸收衰減工程模型

根據本場氣象條件，按照公式（1）～（5）計算某型毫米波測量雷達在不同仰角、不同距離條件下大氣吸收衰減曲線，如圖2所示。

由于大氣吸收衰減的計算較為復雜，針對每個測量脈沖頻繁查表會增加系統運算量。為了便于工程應用，提高數據處理效率，在實際處理時利用最小二乘法對大氣吸收衰減公式進行簡化。針對圖2簡化的某型毫米波雷達大氣吸收衰減工程模型如公式（6）所示：

4 工程模型的數據驗證

為驗證文章建立的折射分層的大氣吸收衰減工程模型的有效性，對金屬球測試數據進行大氣衰減修正，并與未進行大氣衰減修正的處理結果進行對比，對比結果見圖3。

由圖3可以看出，大氣吸收衰減修正后，金屬球RCS序列基本保持平穩不變，消除了大氣吸收衰減的影響。隨著雷達仰角的變低，大氣衰減修正量越大，在10km處，雷達仰角降低到3.8°，大氣衰減修正量為1.1dB。由此可見，對金屬球RCS進行大氣衰減修正后可以提高RCS測量精度。

5 結束語

文章基于分子吸收理論分析了RCS測量過程中，在不同仰角下，大氣吸收衰減對毫米波雷達RCS動態測量的影響。建立了某型毫米波測量雷達精度較高的大氣衰減工程模型，并利用金屬球實測數據對該模型進行了驗證。結果表明：該工程模型簡單、可靠，便于程序運算，能夠有效解決某型毫米波雷達RCS動態測量過程中的大氣吸收衰減修正問題。

參考文獻

[1]李德鑫，楊日杰.基于射線分層算法的電磁波大氣吸收衰減特性分析[J].電訊技術，2012.

[2]Merrill I.SkoInik. Radar HandBook（Second Edition）.McGraw-Hill Companies，Inc.1990.

[3]王國玉，汪連棟.雷達電子戰系統數學仿真與評估[M].北京：國防工業出版社，2004.

[4]Lamont V.Blake. Radar Range-Performance Analysis. Lexington Books.1980.

作者簡介：王海風（1980-），男，碩士，工程師，主要研究方向為目標電磁散射特性研究。

李皓（1989-），男，本科，助理工程師，主要研究方向為目標電磁散射特性研究。