蒸发波导预测设备检验方法研究

曹　鑫

(91404部队92分队,河北 秦皇岛 066000)

蒸发波导预测设备检验方法研究

曹鑫

(91404部队92分队,河北 秦皇岛 066000)

摘要：阐述了蒸发波导对海面雷达系统探测的影响。在分析了蒸发波导预测原理和方法的基础上,分别以气象数据和雷达探测数据作为检验依据,提出了检验预测准确度的方法。根据统计学基本原理,说明了确定样本量依据。研究成果可为波导预测设备的检验提供参考。

关键词:蒸发波导；预测设备；检验方法

0引言

蒸发波导是经常出现在海洋表面的电磁波超折射现象,是一种特殊的表面波导。它对于雷达、侦察或通信等无线电设备的使用既有正面作用又有负面影响。目前,蒸发波导的预测设备已经有所应用:可通过气象参数传感器测量得到相应的气象数据,对一定海区范围内的蒸发波导情况进行预测；或者利用雷达的海杂波回波信息反演出大气折射率参数,在此基础上对相应区域的蒸发波导情况进行预测。另外,预测设备可根据雷达实际架设高度和工作参数等信息近似预估雷达在当前气象条件下的探测范围。波导预测设备性能的优劣一般用预测的准确度表示。由于准确度是一个统计量,实际应用时应根据试验要求以及试验条件下的限制情况确定具体的试验方法和相应参数。

1蒸发波导

由于海洋表面的物理特性和气象因素,使得海面附近极易形成接近饱和的水汽压,但上升到一定高度后锐减,造成垂直梯度上的大气折射指数异常[1],使电磁波的传播轨迹发生弯曲。当部分频率的电磁波获陷在海面附近的大气层内传播时,就像电磁波在金属波导中传播一般,即形成了大气波导[2]。

1.1蒸发波导对雷达探测的影响

蒸发波导高度是表征蒸发波导特性的最重要特征量。据统计,其高度随季节、地理位置和当时及一段时间内的气象参数等因素变化,通常在低纬度海区夏季晴朗天气的蒸发波导出现概率较高。海上蒸发波导的高度与出现概率有关,高度越低则出现概率越高,一般具有实际使用价值的能够以较大概率出现的波导的高度不会超过40 m,即d≤40 m。

图1　电磁波超折射传播示意图

图1为电磁波在蒸发波导内传播示意图。天线架设在海面的雷达系统,如工作波长为厘米波,并且辐射电磁波的初始发射角θ1较小或接近水平,电磁波易陷获在波导内,形成超折射现象,此时θ2<θ1。所以,微波超视距雷达的天线仰角不能过大,当电磁波初始发射角不断增大,雷达电磁波会穿透波导层,形不成波导传播。能够刚好穿透波导层时的发射角称为穿透角。

Budden K G的经典的波导模型理论[3]:能够形成波导传播的最大波长称为极限波长,厘米波是最容易受蒸发波导影响而形成波导传播的波段。而海上船载雷达系统常用的工作频段为S、C、X波段,正处于这一范围内,所以船载雷达极易受到蒸发波导的影响。通过分析可以确定,电磁波波长小于极限波长,电磁波的初始发射角小于穿透角,是雷达电磁波在蒸发波导内形成波导传播的两个必要条件。

根据蒸发波导产生的原理,当雷达电磁波形成波导传播时,对雷达可造成3个方面的影响:一是对雷达距离和高度的测量造成影响,需要对雷达测距和测高结果进行修正,减小误差；二是电磁波在波导内形成超视距传播,扩大了雷达的探测威力；三是改变了雷达探测盲区的范围和位置,形成新的大气波导盲区。典型的大气波导盲区是沿波导顶部一定范围内的雷达盲区和在海表面附近区域形成的跳跃盲区。

1.2蒸发波导的预测

由于蒸发波导对海上船载雷达系统能够造成多方面的影响,其实际效果对雷达而言有利有弊,所以对蒸发波导的预测也成为非常重要的研究课题。蒸发波导预测设备具有一定的实用价值。

影响电磁波在大气环境中传播特性的主要因素为大气折射率指数n。对频率在1～100 GHz范围内的电磁波,大气折射率指数n可表示为大气压力P(hPa)、大气温度T(K)和水汽压e(hPa)的函数,其关系为[4]

(1)

一般用大气折射率N表示更为直观,N=(n-1)×106。

(2)

由于蒸发波导距离海洋表面仅有几十米的高度,这样就给通过测量海洋表面气象参数来预测波导强度提供了可行性。蒸发波导环境中的电磁波传播特性由大气折射率垂直剖面决定,即大气折射率随高度的变化情况。获取大气折射率剖面的方法主要有两种:一种方法是利用微波折射率仪直接测量得到；另一种方法是通过探空小火箭、探空气球等探空气象仪器,通过测量垂直高度上的气压、气温和水汽压等大气数据,利用式(1)计算得到。

这两种测量方法虽然能够测量大气折射率剖面,但都不适合产品化的工程应用。原因一是蒸发波导发生在海面大气边界层内,高度一般不超过40 m,现有探空气象仪器达不到测量精度要求；原因二是测量平台对测量的大气环境影响较大,气象参数测量的准确度无法保证,导致测量结果往往偏离实际值；原因三是由于这两种测量方法通常都非常昂贵,消耗量大,但采样率较低,一天之内只能进行几次测量,不能客观地描述大气参数在时间和空间的变化,可用性不高。

可以看出,对于精确和实时地测量海洋表面低高度大气折射率剖面在工程上很难实现,但可根据海面某一高度上的整体大气参数测量(气压、气温和水汽压),根据蒸发波导高度预报模型式(3),近似得到大气折射率剖面,计算蒸发波导高度。

(3)

式中,R0=6.371×106m,为平均地球半径;z为地表以上的高度(m)；T为温度(K)；P为气压；e为水汽压。测量的大气波导折射率剖面形式如图2所示,图中的d和M分别为大气波导的高度和强度。当测量出折射率剖面时,就可以得到大气波导的高度和强度。

测量海面同一高度的整体大气参数可采用多站分布式气象探测传感器,通过对一段时间内(如10 min)采集的数据进行处理,剔除异常数据和平滑,分析探测海区内的整体气象参数用于计算折射率剖面。这样提高数据率,可以近乎实时地预报波导情况,同时提高了预报结果的准确性。

图2　大气波导折射率剖面

2波导预测设备检验方法

通过以上对蒸发波导预测的原理分析,检验蒸发波导预测设备的方法可以分别从两个角度考虑:

(1) 以气象数据为依据将标准气象测量仪器所测量的大气参数与预报设备的测量结果比对,定量分析其预报准确程度。

(2) 以船载雷达的探测威力为依据根据雷达参数和目标大小,将预报结果换算成雷达的最大探测距离,通过对合作/非合作目标的探测情况确定雷达实际威力,与预报设备的预报结果进行对比分析。

2.1以气象数据为依据

采用实时气象数据作为真值。折射率剖面可以利用系留探空气球进行测量。系留探空球携带精度较高的温度、湿度和气压传感器,从海平面逐渐上升,在上升过程中测量出上升剖面每个高度上的温度、湿度和气压,将沿高度测得的温度、湿度和气压数据分别带入式(3),可以得到上升折射率剖面；当气球上升至40 m后再缓慢下降,开始测量下降折射率剖面。将上升和下降折射率剖面平均,作为1次测量的折射率剖面,以此作为真值,与预报设备的预报结果进行比对,如在相应的误差范围内就可确定为1次准确预报结果。图3为用于测量折射率剖面的系留探空气球。

图3　海上低高度折射率剖面的测量

系留气球上升的高度是由测量的气压和温度值折算出来的。当设定初始高度后,利用式(4)可以计算出传感器所在的高度位置。

(4)

式中,h1、h2分别表示两个不同的高度(m),p1、p2及t1、t2表示对应高度上的大气压力(hPa)和温度(℃)。

2.2以船载雷达探测距离为依据

采用当前雷达探测数据为真值。在蒸发波导条件下,波导强度决定雷达的超视距探测距离。根据雷达频率、辐射功率、信号形式等雷达系统参数,将波导强度换算成雷达的最大探测距离,并根据探测海区的气象情况确定预报威力容差。

采用AIS网络覆盖实时接收探测海区的海上目标信息。通过AIS网络确认雷达覆盖范围内的大型船只信息。雷达录取观测航路上的最远运动目标,确认目标后,雷达保持跟踪。记录雷达对目标船的发现、跟踪情况及波导预报设备的预测结果。

根据雷达探测目标的探测情况,按照发现概率统计发现距离。如果距离在预报结果的威力容差范围内,可确定为1次准确预报结果。

3样本量的确定

(5)

通过查表可以确定，在置信度为1-α的置信区间长度L的情况下,满足检验预报准确度p的观测样本量。

表1　置信度为90%

表2　置信度为95%

表3　置信度为99%

4结束语

综上所述,海面蒸发波导具有部分获陷电磁波传播的作用,蒸发波导的预测具有重要的应用价值。本文在分析了蒸发波导对海面雷达系统探测影响的基础上,从检验波导预测设备的实际应用出发,分别以气象数据和雷达探测数据作为检验依据,提出了预报设备的检验方法,并且说明了确定样本量的理论依据。研究成果可为波导预测设备的工程检验提供参考。

参考文献:

[1]姚景顺,杨世兴.PJ蒸发波导模型在沿海海区的应用[J].火力与指挥控制,2010,35(6):121.

[2]黄小毛.电磁波在海洋大气波导条件的传播特征研究[D].大连:海军大连舰艇学院,2002.

[3]Budden K G．The Wave-Guide Mode Theory of Wave Propagation[M]．London: Logos Press,1961:22-38.

[4]Bean B R,Dutton E J.Radio Meteorology [M]．New York: Dover Publications, 1968:15-21．

Test methods of forecast equipment of evaporation duct

CAO Xin

(Team 92 of Unit 91404 of the PLA, Qinhuangdao 066000, China)

Abstract:The effects of the evaporation duct on the surface detection of the radar system are elaborated. The forecast principles and methods of the evaporation duct are analyzed, on the basis of which the methods of testing the forecast accuracy are proposed, with the meteorological data and radar detection data as the test standards respectively. Finally, according to the basic principles of statistics, the theoretical basis of determining the sample size is discussed. The research results can provide references for testing the forecast equipment of the evaporation duct.

Keywords:evaporation duct; forecast equipment; test method

收稿日期:2016-01-10

作者简介:曹鑫(1983-),男,工程师,研究方向:雷达系统工程技术研究。

中图分类号:TN911.7

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)02-0015-04