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(lè)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(huì)導(dǎo)致無(wú)線電波發(fā)生超折射、負(fù)折射等非正常傳播現(xiàn)象，直接影響光電系統(tǒng)的探測(cè)性能[1]。一般說(shuō)來(lái)，微波雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)，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(jìn)行超視距探測(cè)與通信。隨著探測(cè)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(cè)和目標(biāo)指引系統(tǒng)，用以偵察和探測(cè)近海表低空目標(biāo)，如小型艦船、低空飛機(jī)等[2]。與普通微波雷達(dá)相比，第一，紅外探測(cè)雷達(dá)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(biāo)的清晰圖像；第二，自然界中能對(duì)紅外雷達(dá)起干擾作用的信號(hào)源不多，因此其抗有源干擾能力很強(qiáng)，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(duì)于紅外探測(cè)雷達(dá)來(lái)說(shuō)，只有被照射的目標(biāo)才會(huì)產(chǎn)生反射，完全不存在地物回波的影響，因此其低空探測(cè)性能較微波雷達(dá)優(yōu)秀。目前，如何有效發(fā)揮兩種探測(cè)系統(tǒng)的功能且實(shí)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(jìn)行大氣折射率剖面計(jì)算，并利用射線追蹤技術(shù)仿真兩個(gè)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(duì)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(zhǎng)λ有關(guān)，而且也是空氣溫度T、水汽壓e和壓強(qiáng)p的函數(shù)。在光學(xué)頻率范圍內(nèi)，對(duì)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(zhǎng)，單位μm。對(duì)于戈壁地區(qū)，由于空氣相對(duì)比較干燥，地面上水汽壓e對(duì)N的貢獻(xiàn)小于1%，故式（1）忽略了與水汽壓相關(guān)的項(xiàng)，但這一項(xiàng)對(duì)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(duì)于可見(jiàn)光和近紅外波段，這里選用Birch and Downs在1994年提出的Edlén改進(jìn)模型進(jìn)行光折射率計(jì)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(zhǎng)，單位μm；P為壓強(qiáng)，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(duì)于紅外波段，大氣折射率的計(jì)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(duì)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(guò)大或過(guò)小，使得電磁波發(fā)生超折射、負(fù)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(wú)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(shí)，可近似認(rèn)為地球表面為平面。但是，若電磁波傳播距離較遠(yuǎn)，則必須考慮地球曲率的影響。此時(shí)，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(duì)高度h求導(dǎo)，可得修正折射率梯度：

對(duì)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(shí)，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(kuò)展范圍，電波能量就會(huì)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(jiǎn)單，首先給出微波波段大氣折射率的計(jì)算公式：

對(duì)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(qiáng)、溫度、水汽壓（或者說(shuō)濕度）有關(guān)，不同的是紅外波段還要考慮波長(zhǎng)的影響。這里主要選取遠(yuǎn)紅外波段（λ=10.6 μm）與微波段（λ=0.1 m）進(jìn)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(shí)的溫度、濕度以及壓強(qiáng)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(jì)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(shuō)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(jìn)一步說(shuō)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(yǔ)

分析給出了紅外波段大氣折射率的計(jì)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(qiáng)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(duì)海上大氣環(huán)境，給出了相同溫度、濕度、大氣壓強(qiáng)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(jì)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(yuǎn)。可見(jiàn)，為了使雷達(dá)和紅外探測(cè)設(shè)備能夠更加有效地適應(yīng)于復(fù)雜的海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，以充分發(fā)揮兩種武器效能，必須對(duì)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(cè)特征差異進(jìn)行對(duì)比分析與有效評(píng)估。

[1] 王文琰,周新力,肖金光.PE模型預(yù)測(cè)蒸發(fā)波導(dǎo)中電波傳播損耗[J].通信技術(shù),2012,45(06):64-66.WANG Wen-yan,ZHOU Xin-li,XIAO Jin-guang.Prediction of Electromagnetic Wave Propagation Loss in Evaporation Duct with PE Model[J].Communications Technology,2012,45(06):64-66.

[2] 李云波,張永剛,黃小毛.異常海洋大氣條件下紅外與微波折射特征差異研究[J].微波學(xué)報(bào),2009,25(05):24-28.LI Yun-bo,ZHANG Yong-gang,HUANG Xiao-mao.Difference between the Refraction Character of Infrared and Microwave under Marine Abnormal Environment[J].Journal of Microwaves,2009,25(05):24-28.

[3] 夏衛(wèi)民,劉濤,席澤敏.激光雷達(dá)大氣波導(dǎo)折射率與消光系數(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2013,35(05):18-21.XIA Wei-min,LIU Tao,XI Ze-min.A Study on Atmospheric Duct Refractivity and Extinction Index for Lidar[J].Modern Radar,2013,35(05):18-21.

[4] 任席闖,王江安,吳榮華.紅外與微波波段大氣折射率比較分析[J].艦船科學(xué)技術(shù),2011,33(01):65-68.REN Xi-chuang,WANG Jiang-an,WU Rong-hua.The Comparison of the Atmosphere Refractive Index of Infrared Band and Microwave Band Wavelengths[J].Ship Science and Technology,2011,33(01):65-68.

[5] Arnold T.CN2 Model to Calculate the Micrometeorological Influences on the Refractive Index Structure Parameter[J].Environmental Modelling & Software,2003(18):165-171.

[6] Alexander K.Radio Wave Propagation in the Marine Boundary Layer[R].WILEY-VCH Verlag GmbH &Co.KGaA,2004.

[7] 孫方,康士峰,王紅光.海雜波中的超視距雷達(dá)探測(cè)性能分析[J].通信技術(shù),2012,45(04):50-53.SUN Fang,KANG Shi-feng,WANG Hong-guang.Analysis of OTH Radar Detection Ability in Sea Clutter[J].Communications Technology,2012,45(04):50-53.

[8] 熊皓.無(wú)線電波傳播[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.XIONG Hao.Radio Wave Propagation[M].Beijing:Electronic Industry Press,2000.

[9] 藺發(fā)軍,劉成國(guó),潘中偉.近海面大氣波導(dǎo)的探測(cè)及與其它研究結(jié)果的比較[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2002,17(03):269-272.LIN Fa-jun,LIU Cheng-guo,PAN Zhong-wei.The Measurements of Atmospheric Duct Near Sea Surface and Its Comparison with Other Study Results[J].Chinese Journal of Radio Science,2002,17(03):269-272.

[10] 孫方,王紅光,康士峰等.大氣波導(dǎo)環(huán)境下的射線追蹤算法[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(01):179-183.SUN Fang,WANG Hong-guang,KANG Shi-feng,et al.A Ray Tracing Algorithm for Duct Environment[J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(01):179-183.