全類型大氣波導探測方法研究

唐海川，焦 林，周孟龍，黃小毛

（1.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018；2.中國科學院大氣物理研究所，北京 100029；3.中科星圖維天信（北京） 科技有限公司，北京 100094；4.萬合光電技術有限公司，河南 洛陽 471032；5.漢哲森工控科技有限公司，江蘇 無錫 214400）

作為對流層中一種異常大氣折射結構，大氣波導改變了電磁波的正常傳播特性，使得電磁波在波導層中傳播損耗減小，傳播距離增大，同時由于電磁波部分能量被陷獲到波導層內，造成了波導層頂部的電磁盲區[1]。因此，大氣波導能夠使海上電子設備實現超視距探測與截收，同時也會造成電子設備的波導電磁盲區。作為海洋環境中重要的電磁敏感要素，大氣波導嚴重影響海上電子設備性能的發揮，如何精確探測大氣波導環境，對海上雷達通信等設備尤為重要。

大氣波導監測是大氣波導研究的基礎，為分析大氣波導成因、總結大氣波導分布規律提供數據來源。大氣波導通常分為蒸發、表面和懸空3 種波導類型。對于蒸發波導的監測，由于其出現在海洋大氣近地層內，形成受海氣界面微氣象條件影響，一般根據近地層相似理論，利用海面宏觀氣象水文觀測，結合總體通量法（Bulk-Flux），來計算得到蒸發波導高度和強度等特征量[2-5]。對于表面和懸空波導的監測，只要能獲取大氣折射指數的垂直分布廓線就可以確定是否存在表面和懸空波導，以及波導的高度、厚度、強度和波導所能陷獲的最大波長、最低頻率等[6]。目前，獲取大氣折射指數垂直分布廓線的主要手段是利用無線電探空儀、低空火箭探空儀和微波折射儀測量。其中，前兩種是間接測量，即直接探測氣溫、氣壓和濕度，再將其轉換為大氣折射指數；后一種是直接測量，即直接探測大氣折射指數。

國外如美國早在20 世紀70年代就開始了大氣波導監測的相關研究，到目前為止已形成一套從海面浮標、海上鐵塔、探空火箭、系留汽艇、探空氣球、拉曼激光雷達到飛機航測、衛星遙感等成熟的波導監測方法[6]，其大氣波導監測設備早在20 世紀80年代末就裝備于主戰艦艇和航空母艦并且納入戰術輔助決策系統[7]。目前，美國最新的大氣波導監測手段就是拉曼激光雷達，但由于日盲和超低高度盲區問題，該手段主要用于艦載蒸發波導的監測，對于表面和懸空波導監測還沒有相應的拉曼激光雷達。

對于大氣波導的監測方法研究，國內開展的相對晚一些，但近20年來蒸發波導的監測發展尤為迅速。如大連艦艇學院研制的“被動式大氣波導探測系統”[8]，利用總體通量法對蒸發波導環境進行實時監測，并評估蒸發波導條件下艦載雷達的探測性能。海軍工程大學海洋電磁環境研究所應用P-J（Paulus-Jeske） 模型和A 模型等蒸發波導預測模型在我國海區開展了適應性研究[9-11]。解放軍理工大學氣象學院丁菊麗等[12]基于戴福山的局地相似理論提出了在不穩定狀態下使用A 模型，穩定狀態下基于局地相似理論計算波導高度的New 模型。西安電子科技大學劉成國等[13]提出了基于偽折射率和相似理論計算海上蒸發波導剖面的新方法。山東省海洋環境監測技術重點實驗室漆隨平等[14]對基于氣象水文要素數據、衛星氣象數據及氣象數值模式等的波導探測方法進行了討論。中國電波傳播研究所馬征征等[15]開展了激光雷達對懸空波導探測能力的仿真研究。對于表面和懸空波導的監測，西安電子科技大學郝曉靜等[16]基于氣象衛星數據對我國沿海懸空波導的反演方法進行了研究。國防科技大學張鉅一等[17]基于全球定位系統（Global Positioning System，GPS） 探空數據對南海海域表面和懸空波導特征進行了分析。中國電波傳播研究所張利軍、王紅光等基于船舶自動識別系統（Automatic Identification System，AIS） 信號和地基全球衛星導航系統（Global Navigation Satellite System，GNSS） 掩星信號進行了低空大氣波導監測方法及試驗分析[18-19]。

在大氣波導監測設備方面，2000年以來，我國沿海建設了一定數量的氣象觀測鐵塔，用于監測海面蒸發波導；2009年，船載蒸發波導探測系統和低空氣象探測火箭裝備的研制成功，實現了蒸發和表面的雙波導監測；2020年之后，由大氣波導觀測站、海洋調查船和艦艇自主觀測的波導信息監測網初步形成。近20年來，大氣波導監測技術獲得了顯著發展，但基本都集中在蒸發波導的監測與應用，海洋表面和懸空波導的數據獲取存在著缺失嚴重問題[20]。至今尚未完成蒸發波導、表面波導、懸空波導的一體化高時空分辨連續探測；大氣波導監測設備在品種、數量、性能、質量上遠遠滿足不了海上復雜電磁環境的實際需求[21]。

為滿足全類型大氣波導環境的探測與綜合應用需求，針對原有大氣波導監測技術手段單一、數據量少甚至缺失（表面波導、懸空波導） 的現狀，本文基于拉曼激光雷達技術手段，解決了白天日光背景噪聲和超低盲區全高程探測問題，實現了激光雷達的日夜全天候探測，完成了6～3000 m 全類型大氣波導的高時空分辨連續探測，為后續實現全類型大氣波導診斷分析、全類型大氣波導數值預報、全類型大氣波導傳播預測等應用提供技術支持和數據基礎。

1 基于拉曼激光雷達的大氣溫濕度廓線探測

當入射光與物質分子相互作用后，由于分子轉動、振動和電子能級的躍遷，引起散射光頻率發生變化，從而造成入射光與散射物質之間發生能量轉移的光散射現象稱為拉曼散射。散射光與入射光頻率的差異，我們稱之為拉曼頻移，計算如下。

式中，Δv 為散射光與激發光頻率之差；ΔE 為能級差；h 為普朗克常數；c 為光速。Δv 大小只與散射分子屬性有關，與入射光頻率無關[22]。因此，不同的物質居于不同的拉曼頻移，同一種物質不同密度拉曼頻移也不一樣。基于這一原理，利用拉曼激光雷達技術進行大氣溫度和大氣濕度的探測。

1.1 基于轉動拉曼的大氣溫度廓線探測

轉動拉曼激光雷達是利用大氣中氮氣分子和氧氣分子的轉動拉曼譜線強度與溫度的關系來測量大氣溫度。大氣轉動拉曼譜線強度與大氣溫度密切相關，高、低量子數轉動拉曼譜線的強度隨溫度的升高而分別增強和減弱，據此利用高低量子數拉曼散射信號來反演溫度。由于轉動拉曼光譜Stokes 支存在著熒光散射譜干擾，大氣溫度通常采用Anti-Stokes支拉曼譜線來反演[23]。發射激光波長λ0為354.7 nm，分別在300 K 和200 K 時氮氣（N2） 的轉動拉曼Anti-Stokes 譜線強度如圖1 所示。從圖中可以看出，拉曼散射是分布在激光頻率兩側的一組不連續散射信號，不同的轉動慣量有不同的散射強度。當選取固定的轉動慣量，測量它對應的波長，就可以測得對應的轉動拉曼散射強度信號，通過反演就可以得到對應的大氣溫度。

圖1 氮氣Anti-Stokes 轉動拉曼散射強度分布圖

設高低量子數轉動拉曼散射信號的強度分別為P1（T，z）、P2（T，z），兩者之比與溫度有確定的關系[24]。

式中，T 為溫度；z 為高度；n1（J，z）和n2（J，z）分別是高量子數轉動拉曼后向散射的光子數和低量子數轉動拉曼后向散射的光子數；A、B 是系統參數；T（z）為溫度廓線。

溫度廓線計算如下。

1.2 基于振動拉曼的大氣濕度廓線探測

探測低空大氣水汽廓線的拉曼激光雷達，通常使用兩個通道。一個用于探測水汽分子的振動拉曼散射，另一個用于探測氮氣分子的轉動拉曼散射。由激光雷達接收到的水汽分子拉曼散射回波信號和氮氣分子拉曼散射回波信號分別表示如下[25]。

式中，P（z，λH）、P（z，λN）分別為水汽和氮氣的拉曼散射回波信號強度，是高度z 的函數；P0（λL）是在激光波長λL的輸出功率；βH（z，λL）、βN（z，λL）分別是水汽和氮氣的后向散射系數；η（λH）、η（λN）分別是水汽和氮氣的激光雷達接收光學效率；α（z，λH）代表特定波長處由分子和氣溶膠散射及吸收的總消光系數；O（z）為激光雷達幾何重疊因子，表示接收鏡視場與發射激光束的重合程度；τ 為拉曼譜線透過率。

水汽分子和氮氣分子的后向散射系數見式（6）和式（7）。

式中，NH（z）是水汽數密度；NN（z）是氮氣數密度；dσ（π）/dΩ 是差分散射截面，其中，下標H 表示水汽，下標N 表示氮氣。

水汽信號和氮氣信號相比，可得到式（8）。

式中，指數項表示大氣透過率函數，可用Δτ（λH，λN，z）表示，于是有

從而，水汽混合比可寫成式（10）。

式中，k*（z）=。

不同高度z 的水汽密度如下。

因此，只要確定了激光雷達系統標定常數k*和大氣透過率修正函數△τ（λH，λN，z），就能夠對大氣中的水汽混合比進行精細探測。

同一溫度下，空氣相對濕度為實際水汽密度與飽和水汽密度之比，即

式中，NH（z）是水汽密度；SH（z）是飽和水汽密度，可由飽和水汽壓e（t）得到。

式中，e（t）為飽和水汽壓，單位：hPa；t 為溫度，單位：℃。

從而，相對濕度RH（z）的高度分布見式（14）。

式中，t（z）為轉動拉曼散射激光雷達測得的大氣溫度隨高度分布。

2 全類型大氣波導的診斷分析

蒸發波導是發生在海洋大氣近海面層的特殊折射現象，它的高度和強度通常根據海洋近地層相似理論來計算得到。目前，國內外存在若干個蒸發波導診斷模型，如P-J 模型[26]、Babin 模型[27]、NPS 模型（Naval Postgraduate School Model）[28]、MGB模型（Musson-Gauthier-Bruth Model）[29]、偽折射率模型[30]等，但基本原理都是依賴近地層相似理論，只是用于確定近地層通量和特征尺度的方法不同。

表面和懸空波導的探測通常采用無線電探空法，其步驟為：①根據風向選定地點；②釋放無線電探空設備；③實時采集探空數據計算不同高度的大氣折射指數；④利用最小二乘方法擬合出大氣折射指數隨高度變化的廓線；⑤確定表面和懸空波導的高度、厚度、強度等特征參數。

2.1 全類型大氣波導診斷模型的構建

由理想氣體狀態方程可知，大氣密度是氣壓、氣溫、濕度的函數，因而大氣折射指數也應是氣壓、氣溫、濕度的函數。對于微波波段，大氣折射指數和大氣修正折射指數公式如下。

式中，P 為大氣壓強；e 為水汽壓強；T 為大氣溫度；a 為地球半徑，取6378 km。

蒸發波導是由海水蒸發海氣湍流擴散形成的，受海氣界面微氣象條件影響，蒸發波導一般不采用大氣修正折射指數梯度來確定，通常根據近地層相似理論，利用海面水文氣象要素的宏觀測量值來診斷得出。

根據Monion-Obukhov 近地層相似理論[31]，各物理屬性量的垂直分布由湍流輸送過程決定。

從而式（18）可以寫成如下形式。

式中，T*、e*分別是溫度和水汽壓的Monin－Obukhov 特征尺度；ΦH、ΦV分別是溫度和濕度的無量綱廓線函數，在海洋近地層內一般假設ΦH=ΦV。

由大氣波導定義可知，當大氣修正折射指數垂直梯度等于0 時，所對應的高度z 就是蒸發波導高度zd，因此

由式（21）可知，蒸發波導高度zd是由L、T*、e*、ΦH來確定的。通常依據LIU W 等[32]導出的關系式來計算T*、e*、ΦH與L。

式中，z0為海面粗糙度高度； ψH（z/L）可表示如下。

式中，ΦH可表示如下。

Monin－Obukhov 長度L 表示如下。

式中，u*=kVz/0.74[ln（z/z0）-ψM（z/L）]，Vz為z 高度上的全風速；g 為重力加速度；T0為近地層平均氣溫。

式中，ΦM可表示如下。

依據以上公式可知，只要測量海面近地層任意兩個高度的溫度、濕度，以及某一高度的風速，就可以計算出T*、e*、ΦH與L，從而診斷出蒸發波導高度zd。

由于蒸發波導高度一般不超過海面50 m，因此全波導診斷模型構建如下。

2.2 全類型大氣波導診斷案例及數據分析

利用拉曼激光雷達設備（圖2），結合風速風向測量傳感器（圖3），進行邊界層大氣溫度、濕度和海面風速的監測，并對數據進行計算分析，得到不同高度上的大氣修正折射指數。基于全波導診斷模型，判定蒸發、表面和懸空波導的有無，并最終實現全波導診斷。

圖2 拉曼激光雷達設備

圖3 風速風向測量傳感器

2021年10 月25 日20 時，在青島利用拉曼激光雷達進行全波導探測，得到拉曼激光雷達大氣溫度廓線，與無線電探空儀實測數據對比分析如圖4（a）所示，得到溫度廓線平均誤差為0.535 ℃，如圖4（b）所示。拉曼激光雷達大氣濕度廓線與無線電探空儀實測數據對比分析如圖5（a）所示，得到水汽混合比廓線平均誤差為0.1217 g/kg，如圖5（b）所示。

圖4 拉曼激光雷達大氣溫度廓線與無線電探空儀實測數據對比圖

圖5 拉曼激光雷達大氣濕度廓線與無線電探空儀實測數據對比圖

利用拉曼激光雷達探測數據，結合標準壓高模型，計算不同高度的大氣修正折射指數，進而診斷表面和懸空波導的高度、厚度和強度等，其中診斷結果與無線電探空儀實測結果對比如圖6 所示。基于拉曼激光雷達底層大氣溫度、濕度，結合風速風向測量傳感器數據，診斷得出蒸發波導，從而擬合出整個全波導的大氣修正折射指數廓線如圖7 所示。

圖6 拉曼激光雷達與無線電探空儀實測大氣修正折射指數廓線對比圖

圖7 全波導大氣修正折射指數廓線圖

通過對比拉曼激光雷達和無線電探空儀測量數據及全類型波導診斷結果，可以看出，拉曼激光雷達測量的大氣溫、濕度數據與探空儀數據吻合較好，且變化趨勢基本一致；對于全類型波導的診斷，拉曼激光雷達結合風速風向傳感器可以把近地層蒸發波導和低空的懸空波導診斷出來，診斷結果為蒸發波導高度10.96 m，蒸發波導強度為54.8 M；懸空波導底高1158 m，頂高1206 m，懸空波導厚度48 m，懸空波導強度1.5 M。而無線電探空儀只能診斷出懸空波導，診斷結果為懸空波導底高1220 m，頂高1262 m，懸空波導厚度42 m，懸空波導強度2.5 M，比拉曼激光雷達診斷的懸空波導高度略高。此外，利用拉曼激光雷達的連續探測數據，可以進一步分析大氣波導特征量隨時間的變化規律，如圖8 所示。

圖8 基于拉曼激光雷達連續觀測數據的大氣修正折射指數梯度隨時間變化圖

3 結論

為實現全類型大氣波導環境的監測，本文基于轉動拉曼大氣溫度探測和振動拉曼大氣濕度探測的原理，構建了全類型大氣波導診斷模型；采用拉曼激光雷達新技術手段，完成了全類型大氣波導的監測診斷。通過對比無線電探空儀的實測數據，得到如下結論。

（1） 利用大氣中氮氣分子和氧氣分子轉動拉曼譜線強度與溫度的關系，建立了大氣溫度廓線反演算法，實現了海洋大氣溫度廓線的拉曼激光雷達實時診斷。

（2） 利用大氣中水汽分子和氮氣分子的振動拉曼散射，建立了大氣濕度廓線反演算法，實現了海洋大氣濕度廓線的拉曼激光雷達實時診斷。

（3） 拉曼激光雷達測量的大氣溫度、濕度廓線數據與無線電探空儀數據吻合較好，溫度廓線平均誤差為0.535 ℃，溫度誤差小于1 ℃的概率為82.5%；水汽混合比廓線平均誤差為0.1217 g/kg，水汽混合比誤差小于1 g/kg 的概率為90%。

（4） 利用拉曼激光雷達探測數據，結合近地層風速數據，實現了全類型大氣波導環境的診斷；診斷結果與無線電探空數據比對得到，懸空波導高度診斷準確率為94.8%，懸空波導厚度診斷準確率為85.8%，懸空波導強度診斷準確率為60%。

（5） 基于拉曼激光雷達的連續探測數據，可以進一步分析大氣波導高度、厚度等特征量隨時間的變化規律。

本文解決了蒸發、表面和懸空3 種波導類型統一、精細化、連續監測的難題，為形成大氣波導激光雷達監測設備奠定了技術基礎。未來依托本文研究成果，可進一步研制大氣波導激光雷達，替代目前使用的海上鐵塔、探空火箭、系留汽艇、探空氣球等大氣波導監測產品，實現全類型大氣波導的一體化、精細化、全天候監測，為我國不同區域大氣波導統計分析、大氣波導對電子設備性能影響研究和大氣波導作戰運用等提供數據支撐。