大气波导的光学探测手段探析

　　摘    要：　对于大气波导现象, 主要是对海洋环境的蒸发波导作了分析, 对目前的蒸发波导探测方法及理论模型作了总结, 并在此基础上介绍了一种用激光手段探测海面蒸发波导的新方法, 对其主要原理方法和优点作了阐述。

　　关键词：　大气波导; 探测; 激光; 海洋环境;
 

　　大气波导条件下电磁波出现异常传播, 电子侦察和通信设备有效区域呈现异常变化趋势[1]。准确评估大气环境对敌我双方电子设备的影响, 对于辅助战术指挥员进行正确战术部署和选择恰当的作战战术, 以获取战场电磁优势、掌握战场制电磁权具有极其重要的指导意义。传统探测大气波导通常借助于雷达、探空气球或火箭等, 利用波导模型进行预测, 不易实现对大气波导的实时探测[2]。激光和雷达波的传输具有一定的共性, 若能用激光的手段探测大气波导, 则既具有保密性和安全性, 又能实现实时探测。

　　1、 大气波导及影响

　　1.1、 大气波导现象

　　大气波导是雷达波段超视距传输的一种现象, 在海洋大气环境中通常存在3类大气波导:表面波导 (又称面基波导) 、悬空波导 (又称抬升波导) 和蒸发波导。除蒸发波导外, 前2类大气波导也可能会出现在陆地大气环境中, 但由于受大气边界层稳定度以及边界层内水汽垂直分布的影响, 陆地大气环境中的大气波导远没有海洋大气环境中的大气波导出现得频繁、持久和显着。

　　下边界接地的波导称为表面波导, 表面波导的特点是陷获层顶的大气修正折射指数小于地面的大气修正折射指数, 表面波导的厚度是自陷获层顶到地面的垂直线段的长度, 一般在300 m以下。下边界悬空的波导称为悬空波导, 通常出现在3 000 m高度以下。悬空波导的特点是陷获层顶的大气修正折射指数大于地面的大气修正折射指数。

　　蒸发波导是因海面蒸发使湿度在很小的垂直高度范围内发生锐减而形成的一类特殊的表面波导。紧贴海面的气层, 因海面蒸发可以达到饱和状态, 而在其以上高度的空气通常达不到饱和状态, 湿度在很小的垂直高度范围内发生锐减, 使得大气修正折射指数自海面向上迅速递减, 到一定高度后, 大气修正折射指数达到最小, 该高度称为蒸发波导高度 (或厚度) 。

　　1.2、 大气波导的影响

　　在一定的气象条件下, 贴近海面大气层中传输的电磁波受大气折射率的影响, 会出现次折射、超折射和波导等异常折射现象。其中, 超折射和波导现象可以使电磁波的传输距离延伸, 特别是波导现象, 可使雷达观测到数倍于雷达正常探测距离处的目标, 已有研究结果表明海上蒸发波导现象出现的概率较高, 一般在0.5~0.7之间, 因此熟悉大气波导的实时存在与分布情况, 对于雷达系统的超视距探测和武器系统的目标指示具有很强的指导意义。

　　2、 大气波导的传统探测技术

　　国外从20世纪四五十年代开始研究大气波导对雷达探测造成的影响。例如美国、法国、澳大利亚等除了对对流层波导传播进行了众多的实验研究外, 在理论上也取得了较好的研究成果, 出现了波导模理论、几何光学理论和抛物线方程方法等理论, 并成功研制了不少预报系统。

　　几何光学理论, 是用几何光学理论对电磁波进行射线追踪, 定量地描述电波在各种大气条件下的轨迹;波导模理论对大气介质作了一个水平均匀分层的假设, 来求解麦克斯韦方程;抛物线方程方法是使用球坐标系来考察点源辐射的电磁波球形扩散行为以得到抛物线方程, 现在通常用分步傅里叶方法求解。

　　自20世纪90年代以来, 基于抛物线方程的海洋大气边界层电磁波传播模型逐渐发展成熟, 将大气修正折射率廓线代入该模型可以获得一定区域内的电磁波传播损耗, 进而可以研究电子探测装置的覆盖范围。1998年, Krolik等学者对上述思路进行了反方向研究, 首次提出利用雷达发射电波经海面后的回波即海杂波来预测大气折射率或修正折射率剖面, 称为RFC (Refractivity From Clutter) 技术, 即海杂波反演折射率技术。该方法经过Krolik、Anderson、L T Rogers、Peter Gersoft等学者的不断修正, 其实用性大大提高。

　　在蒸发波导预测模型研究方面, 思路大都是致力于以一种用气象参量 (海表温度、水面的温度、湿度等) 为输入[3], 根据大气边界层理论来计算蒸发波导高度。从20世纪80年代H.Jeske发表这一方法后, 人们从诸多方面展开了气海相互作用理论预测蒸发波导高度的研究。在美国IREPS系统中使用了H.Jeske提出的蒸发波导高度预测方法, 1985年, R.A.Paulus对该方法提出了一个修正的使用模型, 这就是PJ模式。1991年John Cook提出了先预测温湿剖面, 再计算蒸发波导剖面的方法, 并比较了几个预测结果的不准确度, 分析了测量系统对测量结果带来的误差。1992年Musson-Genon、Gaut-hier、Bruth介绍了一种蒸发波导模式, 因为其解析法结果最好而被用在欧洲的中尺度天气预报中。1996年Babin提出了一种新模式, 利用高速计算能力的计算机取代边界层物理学的经验关系, 并且还使用了最新的研究成果, 例如Buck方程、盐度修正公式等, 对低风速也有效, 不仅如此, 还对误差进行了敏感性分析, 使得蒸发波导高度的预测更为准确。

　　最近, 由美海军研究实验室 (NRL) 开发研制的海洋大气耦合中尺度预报系统 (COAMPS) 已经投入业务使用, 其功能之一就是预报蒸发波导高度和大气折射指数, 评估大气环境对电磁波传播的影响。美海军舰队数值海洋气象中心20世纪80年代业务使用全球表面接触界面 (GSCLI) 蒸发波导预报模式, 该模式是一种整体边界层相似模式, 是一种诊断模式, 需要以美海军业务全球预报系统 (NOGAPS) 输出的预报量作为模式的输入进行诊断分析。

　　我国在20世纪60年代开始对波导的出现情况进行了观测研究, 后来一度终止, 从90年代又重新开始, 迄今为止, 我国的研究人员已在大气波导的形成机理、电磁波传播模型研究、大气波导和蒸发波导对电磁波传播影响等方面进行了较为深入的分析, 具体包括蒸发波导条件下电磁场分布情况、雷达探测性能分析、雷达探测距离的影响及超视距的评估、大气波导条件下雷达测距和测高影响及盲区分布等。

　　总体来讲, 国内波导领域的研究人员对抛物线方程等电磁波传播模型及大气波导, 尤其是海上蒸发波导对雷达探测性能的影响等方面研究较深, 但是大气波导环境研究还不充分, 尤其是蒸发波导空间分布的不均匀性等方面。要得到海洋大气近地层中蒸发波导修正折射率廓线, 仍显不足, 例如折射率经验模型、利用气象学研究的天气预测模式进行修正折射率预报以及使用空基、地基GPS观测资料反演大气折射率剖面都无法实时提供在垂直方向上高分辨率的修正折射率廓线, 而海杂波反演还要在传播模型、环境模型、海杂波模型以及反演算法等方面进行深入研究以解决其普适性较弱的问题[4-5], 同时由于要获取实时的大气环境信息, 因此雷达需要频繁开机, 这样不利于军事上的保密。因此在我国, 仍需对低空大气波导环境, 特别是大气折射率三维空间变化, 开展进一步的研究, 更好地为军事和民用通信等服务。

　　3、 大气波导的光学探测手段

　　激光在大气中传播同样受到大气折射率的影响, 激光在空气中的折射率n通常与激光波长λ、大气压强P、温度T和空气湿度e有关, 可以表示成:

　　n=1+N (λ, T, P, e) .

　　由于激光消光系数的变化率和折射率的变化率都与温度、湿度、压强和波长相关, 通过分析空间消光系数的变化率可以了解空间折射率的变化率, 而折射率的变化正是波导产生的原因, 因此可以用激光探测消光系数的方法为波导现象的出现提供判据。图1为激光探测大气波导的理论框架。

　　图1 激光探测大气波导的理论框架

　　不同于传统大气波导的探测, 利用激光探测大气波导, 通过对激光回波信号进行实时分析即可完成大气波导的遥感探测, 具有全方位、高实时性、高灵活性、高保密性、低成本等优点, 更能适应复杂战场环境波导探测的军事需求。具体具有如下优点。

　　3.1、 实现雷达静默下对大气波导的实时探测

　　利用激光探测大气波导, 可以实现雷达静默条件下对大气波导的实时探测。在战场复杂的电磁环境下, 微波雷达可能受到干扰和攻击, 用雷达波探测大气波导容易暴露目标。由于激光传输具有单方向性和良好的保密性, 用激光雷达探测大气波导不容易被截获, 因此具有隐蔽性, 在战场上可以不用雷达开机, 借助激光探测即可知道波导出现情况, 为雷达的通信和探测提供依据。

　　图2 近海面激光传输路径效果图

　　3.2、 为大气激光通信提供技术支持

　　激光探测大气波导, 可以为大气激光通信提供技术支持。激光在大气传输中, 同样会出现因为折射率的突变使传输路径发生偏转。在海上近海面大气层 (高度小于50 m) , 由于气海温差的存在导致垂直层面温度分布的不同, 从而使得各高度层面上空气折射率不同。

　　图2所示激光的传输会出现两种不同的路径偏转现象, 与雷达波的传播类似, 同样可以实现超视距传播。利用激光探测大气波导, 通过分析激光束的回波信号特征即可知道激光在大气中的传播特性, 为激光通信的对准、误码性能的分析等提供可靠的技术支持。

　　3.3、 用作对战场气象条件的分析和预测

　　激光探测大气波导可以用作对战场气象条件的分析和预测。激光探测大气波导通过对回波信号分析可以得出气溶胶的消光系数。气溶胶中水汽和沙尘的比例不同会使得气溶胶具有不同的消光系数, 反过来也可以通过消光系数分析出气溶胶的不同组成。根据气溶胶中水汽和沙尘的不同比例即可以对战场气象条件进行分析和预测, 用来为各种飞机和导弹的发射提供气象指标, 为作战指挥提供参考。

　　4、 总结

　　蒸发波导现象是电磁波海面传播的一种特殊现象, 其主要形成原因是海面上水汽蒸发, 使得上几十米高度范围内的大气湿度随高度锐减, 进而使大气折射率自海面向上迅速减小出现负梯度。蒸发波导情况下电磁波呈现超视距传输现象, 当前探测蒸发波导多采用分析雷达回波的方法。在战场复杂电磁环境下, 微波雷达可能受到干扰和攻击, 用雷达波探测大气波导容易暴露目标。由于激光传输具有单方向性, 如果采用激光探测大气波导则不容易被截获, 在战场环境下可以实现雷达静默下的波导探测。用激光手段探测大气波导现象目前仍是一种新型的手段, 正处于完善阶段, 随着光电技术在军事领域的应用越来越广泛, 该技术作为一种保密性好的探测手段也将会得到重视和发展。

　　参考文献：

　　[1]焦培南, 张忠治.雷达环境与电波传播特性[M].北京:电子工业出版社, 2007.
　　[2]庞云峰, 张韧, 黄志松, 等.大气-海洋环境对舰载雷达探测效能的影响评估[J].火力与指挥控制, 2009, 31 (2) :65-69.
　　[3]姚洪滨, 王桂军.大气波导对舰载雷达探测距离的影响[J].雷达与对抗, 2005 (1) :5-8.
　　[4]蔺发军, 刘成国, 成思, 等.海上大气波导的统计分析[J].电波科学学报, 2005, 20 (1) :64-68.
　　[5]黄小毛, 张永刚, 唐海川, 等.表面波导对雷达低空探测误差影响的研究[J].现代雷达, 2006, 28 (7) :33-36.