毫米波RCS测量大气吸收衰减修正方法研究

王海风 李 皓 齐玉涛

摘 要：文章分析了大气吸收对毫米波测量雷达散射截面（RCS）测量精度的影响。根据试验场气象参数，建立了毫米波雷达大气吸收衰减工程模型，并对标准金属球实测数据进行了大气吸收衰减修正。数据处理结果表明，该工程模型简单、可靠，能有效提高外场RCS测量精度。

关键词：毫米波；大气吸收；RCS动态测量

1 概述

在电磁波作用下，大气中氧气和水蒸气分子会吸收电磁波能量而产生能级跃迁，将电磁波能量转变为分子内能，在其固有频率上对电磁波产生吸收衰减[1]。在毫米波雷达外场RCS动态测量任务中，大气衰减严重，不同气象条件下的毫米波大气衰减存在明显的差异，这种差异严重影响了毫米波RCS测量精度[2]。为提高RCS测量数据的可靠性，必须对毫米波大气衰减进行修正，以得到目标实际的RCS反射特性。对流层吸收衰减计算公式复杂，为便于工程应用，提高数据处理效率，建立毫米波吸收衰减工程模型也是亟待解决的问题。

2 大气吸收衰减计算模型

2.1 水蒸气吸收系数

在0.1～1000GHz频段存在水蒸气分子的选择性吸收谱线，分别由22.235GHz和100GHz以上的谐振引起，对应的吸收系数分别记为？酌22和？酌res。计算模型[2]-[4]如下：

式中，f为频率（GHz），T为大气绝对温度（K）；pw为水蒸气的分压力（torr）；p为大气压力（Hpa）；？籽为水蒸气密度（g/m3），F为谐振线的形状系数。

2.2 氧气吸收系数

氧气无固定的电偶极矩，无选择性吸收谱线。在气压作用下，压致增宽形成中心在60GHz和118.75GHz附近的吸收带。文章的氧气分子吸收模型考虑了40GHz～140GHz频段内44条氧气吸收谱线的贡献。氧气吸收系数计算模型[4]如下：

式中，C=2.0058。系数AN由旋转量子数N、谐振线外形系数和非谐振分量共同确定。

2.3 折射分层大气吸收衰减计算模型

电磁波在对流层传播过程中产生的总吸收系数 为：

由于大气是非均匀的，电磁波在大气中传播时折射指数随高度增加而变化。所以在计算大气吸收衰减时需将大气层按折射指数进行分层，从而确定整个传播路径中所经过的每个层结点的位置，分层计算电磁波在该层传播时的传输距离，及该层实际大气气象因素所决定的吸收衰减系数，最终确定雷达至目标之间总的吸收衰减。

基于射线追踪理论，可得到电磁波在传输过程中引起的大气吸收衰减为：

式中，n0为地球表面的折射指数；？兹0为射线起始仰角，h0为射线初始点高度，h1为射线终点高度；r0为地球半径，取值6370km；n（h）为大气折射率模型。

在标准大气条件下，采用Ns=313的CRPL指数模型，对频率为30GHz的大气吸收衰减进行计算，并与文献[3]中的结果进行比对，结果如图1所示。

图1中文章计算结果与文献[3]的结果非常吻合。由图1可知，在标准大气条件下，当雷达中心频率为30GHz且仰角分别为10°和5°时，对应的大气吸收衰减可达2.80dB和5.41dB。因此，在低仰角（小于10°）或高频率下进行RCS动态测量时，必须考虑大气衰减的影响，从而保证RCS测量精度。

3 建立毫米波大气吸收衰减工程模型

根据本场气象条件，按照公式（1）～（5）计算某型毫米波测量雷达在不同仰角、不同距离条件下大气吸收衰减曲线，如图2所示。

由于大气吸收衰减的计算较为复杂，针对每个测量脉冲频繁查表会增加系统运算量。为了便于工程应用，提高数据处理效率，在实际处理时利用最小二乘法对大气吸收衰减公式进行简化。针对图2简化的某型毫米波雷达大气吸收衰减工程模型如公式（6）所示：

4 工程模型的数据验证

为验证文章建立的折射分层的大气吸收衰减工程模型的有效性，对金属球测试数据进行大气衰减修正，并与未进行大气衰减修正的处理结果进行对比，对比结果见图3。

由图3可以看出，大气吸收衰减修正后，金属球RCS序列基本保持平稳不变，消除了大气吸收衰减的影响。随着雷达仰角的变低，大气衰减修正量越大，在10km处，雷达仰角降低到3.8°，大气衰减修正量为1.1dB。由此可见，对金属球RCS进行大气衰减修正后可以提高RCS测量精度。

5 结束语

文章基于分子吸收理论分析了RCS测量过程中，在不同仰角下，大气吸收衰减对毫米波雷达RCS动态测量的影响。建立了某型毫米波测量雷达精度较高的大气衰减工程模型，并利用金属球实测数据对该模型进行了验证。结果表明：该工程模型简单、可靠，便于程序运算，能够有效解决某型毫米波雷达RCS动态测量过程中的大气吸收衰减修正问题。

参考文献

[1]李德鑫，杨日杰.基于射线分层算法的电磁波大气吸收衰减特性分析[J].电讯技术，2012.

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

[3]王国玉，汪连栋.雷达电子战系统数学仿真与评估[M].北京：国防工业出版社，2004.

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

作者简介：王海风（1980-），男，硕士，工程师，主要研究方向为目标电磁散射特性研究。

李皓（1989-），男，本科，助理工程师，主要研究方向为目标电磁散射特性研究。