蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測設(shè)備檢驗方法研究

曹　鑫

(91404部隊92分隊,河北 秦皇島 066000)

蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測設(shè)備檢驗方法研究

曹鑫

(91404部隊92分隊,河北 秦皇島 066000)

摘要：闡述了蒸發(fā)波導(dǎo)對海面雷達系統(tǒng)探測的影響。在分析了蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測原理和方法的基礎(chǔ)上,分別以氣象數(shù)據(jù)和雷達探測數(shù)據(jù)作為檢驗依據(jù),提出了檢驗預(yù)測準確度的方法。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)基本原理,說明了確定樣本量依據(jù)。研究成果可為波導(dǎo)預(yù)測設(shè)備的檢驗提供參考。

關(guān)鍵詞:蒸發(fā)波導(dǎo)；預(yù)測設(shè)備；檢驗方法

0引言

蒸發(fā)波導(dǎo)是經(jīng)常出現(xiàn)在海洋表面的電磁波超折射現(xiàn)象,是一種特殊的表面波導(dǎo)。它對于雷達、偵察或通信等無線電設(shè)備的使用既有正面作用又有負面影響。目前,蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)測設(shè)備已經(jīng)有所應(yīng)用:可通過氣象參數(shù)傳感器測量得到相應(yīng)的氣象數(shù)據(jù),對一定海區(qū)范圍內(nèi)的蒸發(fā)波導(dǎo)情況進行預(yù)測；或者利用雷達的海雜波回波信息反演出大氣折射率參數(shù),在此基礎(chǔ)上對相應(yīng)區(qū)域的蒸發(fā)波導(dǎo)情況進行預(yù)測。另外,預(yù)測設(shè)備可根據(jù)雷達實際架設(shè)高度和工作參數(shù)等信息近似預(yù)估雷達在當前氣象條件下的探測范圍。波導(dǎo)預(yù)測設(shè)備性能的優(yōu)劣一般用預(yù)測的準確度表示。由于準確度是一個統(tǒng)計量,實際應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)試驗要求以及試驗條件下的限制情況確定具體的試驗方法和相應(yīng)參數(shù)。

1蒸發(fā)波導(dǎo)

由于海洋表面的物理特性和氣象因素,使得海面附近極易形成接近飽和的水汽壓,但上升到一定高度后銳減,造成垂直梯度上的大氣折射指數(shù)異常[1],使電磁波的傳播軌跡發(fā)生彎曲。當部分頻率的電磁波獲陷在海面附近的大氣層內(nèi)傳播時,就像電磁波在金屬波導(dǎo)中傳播一般,即形成了大氣波導(dǎo)[2]。

1.1蒸發(fā)波導(dǎo)對雷達探測的影響

蒸發(fā)波導(dǎo)高度是表征蒸發(fā)波導(dǎo)特性的最重要特征量。據(jù)統(tǒng)計,其高度隨季節(jié)、地理位置和當時及一段時間內(nèi)的氣象參數(shù)等因素變化,通常在低緯度海區(qū)夏季晴朗天氣的蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)概率較高。海上蒸發(fā)波導(dǎo)的高度與出現(xiàn)概率有關(guān),高度越低則出現(xiàn)概率越高,一般具有實際使用價值的能夠以較大概率出現(xiàn)的波導(dǎo)的高度不會超過40 m,即d≤40 m。

圖1　電磁波超折射傳播示意圖

圖1為電磁波在蒸發(fā)波導(dǎo)內(nèi)傳播示意圖。天線架設(shè)在海面的雷達系統(tǒng),如工作波長為厘米波,并且輻射電磁波的初始發(fā)射角θ1較小或接近水平,電磁波易陷獲在波導(dǎo)內(nèi),形成超折射現(xiàn)象,此時θ2<θ1。所以,微波超視距雷達的天線仰角不能過大,當電磁波初始發(fā)射角不斷增大,雷達電磁波會穿透波導(dǎo)層,形不成波導(dǎo)傳播。能夠剛好穿透波導(dǎo)層時的發(fā)射角稱為穿透角。

Budden K G的經(jīng)典的波導(dǎo)模型理論[3]:能夠形成波導(dǎo)傳播的最大波長稱為極限波長,厘米波是最容易受蒸發(fā)波導(dǎo)影響而形成波導(dǎo)傳播的波段。而海上船載雷達系統(tǒng)常用的工作頻段為S、C、X波段,正處于這一范圍內(nèi),所以船載雷達極易受到蒸發(fā)波導(dǎo)的影響。通過分析可以確定,電磁波波長小于極限波長,電磁波的初始發(fā)射角小于穿透角,是雷達電磁波在蒸發(fā)波導(dǎo)內(nèi)形成波導(dǎo)傳播的兩個必要條件。

根據(jù)蒸發(fā)波導(dǎo)產(chǎn)生的原理,當雷達電磁波形成波導(dǎo)傳播時,對雷達可造成3個方面的影響:一是對雷達距離和高度的測量造成影響,需要對雷達測距和測高結(jié)果進行修正,減小誤差；二是電磁波在波導(dǎo)內(nèi)形成超視距傳播,擴大了雷達的探測威力；三是改變了雷達探測盲區(qū)的范圍和位置,形成新的大氣波導(dǎo)盲區(qū)。典型的大氣波導(dǎo)盲區(qū)是沿波導(dǎo)頂部一定范圍內(nèi)的雷達盲區(qū)和在海表面附近區(qū)域形成的跳躍盲區(qū)。

1.2蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)測

由于蒸發(fā)波導(dǎo)對海上船載雷達系統(tǒng)能夠造成多方面的影響,其實際效果對雷達而言有利有弊,所以對蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)測也成為非常重要的研究課題。蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測設(shè)備具有一定的實用價值。

影響電磁波在大氣環(huán)境中傳播特性的主要因素為大氣折射率指數(shù)n。對頻率在1～100 GHz范圍內(nèi)的電磁波,大氣折射率指數(shù)n可表示為大氣壓力P(hPa)、大氣溫度T(K)和水汽壓e(hPa)的函數(shù),其關(guān)系為[4]

(1)

一般用大氣折射率N表示更為直觀,N=(n-1)×106。

(2)

由于蒸發(fā)波導(dǎo)距離海洋表面僅有幾十米的高度,這樣就給通過測量海洋表面氣象參數(shù)來預(yù)測波導(dǎo)強度提供了可行性。蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境中的電磁波傳播特性由大氣折射率垂直剖面決定,即大氣折射率隨高度的變化情況。獲取大氣折射率剖面的方法主要有兩種:一種方法是利用微波折射率儀直接測量得到；另一種方法是通過探空小火箭、探空氣球等探空氣象儀器,通過測量垂直高度上的氣壓、氣溫和水汽壓等大氣數(shù)據(jù),利用式(1)計算得到。

這兩種測量方法雖然能夠測量大氣折射率剖面,但都不適合產(chǎn)品化的工程應(yīng)用。原因一是蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生在海面大氣邊界層內(nèi),高度一般不超過40 m,現(xiàn)有探空氣象儀器達不到測量精度要求；原因二是測量平臺對測量的大氣環(huán)境影響較大,氣象參數(shù)測量的準確度無法保證,導(dǎo)致測量結(jié)果往往偏離實際值；原因三是由于這兩種測量方法通常都非常昂貴,消耗量大,但采樣率較低,一天之內(nèi)只能進行幾次測量,不能客觀地描述大氣參數(shù)在時間和空間的變化,可用性不高。

可以看出,對于精確和實時地測量海洋表面低高度大氣折射率剖面在工程上很難實現(xiàn),但可根據(jù)海面某一高度上的整體大氣參數(shù)測量(氣壓、氣溫和水汽壓),根據(jù)蒸發(fā)波導(dǎo)高度預(yù)報模型式(3),近似得到大氣折射率剖面,計算蒸發(fā)波導(dǎo)高度。

(3)

式中,R0=6.371×106m,為平均地球半徑;z為地表以上的高度(m)；T為溫度(K)；P為氣壓；e為水汽壓。測量的大氣波導(dǎo)折射率剖面形式如圖2所示,圖中的d和M分別為大氣波導(dǎo)的高度和強度。當測量出折射率剖面時,就可以得到大氣波導(dǎo)的高度和強度。

測量海面同一高度的整體大氣參數(shù)可采用多站分布式氣象探測傳感器,通過對一段時間內(nèi)(如10 min)采集的數(shù)據(jù)進行處理,剔除異常數(shù)據(jù)和平滑,分析探測海區(qū)內(nèi)的整體氣象參數(shù)用于計算折射率剖面。這樣提高數(shù)據(jù)率,可以近乎實時地預(yù)報波導(dǎo)情況,同時提高了預(yù)報結(jié)果的準確性。

圖2　大氣波導(dǎo)折射率剖面

2波導(dǎo)預(yù)測設(shè)備檢驗方法

通過以上對蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測的原理分析,檢驗蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測設(shè)備的方法可以分別從兩個角度考慮:

(1) 以氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)將標準氣象測量儀器所測量的大氣參數(shù)與預(yù)報設(shè)備的測量結(jié)果比對,定量分析其預(yù)報準確程度。

(2) 以船載雷達的探測威力為依據(jù)根據(jù)雷達參數(shù)和目標大小,將預(yù)報結(jié)果換算成雷達的最大探測距離,通過對合作/非合作目標的探測情況確定雷達實際威力,與預(yù)報設(shè)備的預(yù)報結(jié)果進行對比分析。

2.1以氣象數(shù)據(jù)為依據(jù)

采用實時氣象數(shù)據(jù)作為真值。折射率剖面可以利用系留探空氣球進行測量。系留探空球攜帶精度較高的溫度、濕度和氣壓傳感器,從海平面逐漸上升,在上升過程中測量出上升剖面每個高度上的溫度、濕度和氣壓,將沿高度測得的溫度、濕度和氣壓數(shù)據(jù)分別帶入式(3),可以得到上升折射率剖面；當氣球上升至40 m后再緩慢下降,開始測量下降折射率剖面。將上升和下降折射率剖面平均,作為1次測量的折射率剖面,以此作為真值,與預(yù)報設(shè)備的預(yù)報結(jié)果進行比對,如在相應(yīng)的誤差范圍內(nèi)就可確定為1次準確預(yù)報結(jié)果。圖3為用于測量折射率剖面的系留探空氣球。

圖3　海上低高度折射率剖面的測量

系留氣球上升的高度是由測量的氣壓和溫度值折算出來的。當設(shè)定初始高度后,利用式(4)可以計算出傳感器所在的高度位置。

(4)

式中,h1、h2分別表示兩個不同的高度(m),p1、p2及t1、t2表示對應(yīng)高度上的大氣壓力(hPa)和溫度(℃)。

2.2以船載雷達探測距離為依據(jù)

采用當前雷達探測數(shù)據(jù)為真值。在蒸發(fā)波導(dǎo)條件下,波導(dǎo)強度決定雷達的超視距探測距離。根據(jù)雷達頻率、輻射功率、信號形式等雷達系統(tǒng)參數(shù),將波導(dǎo)強度換算成雷達的最大探測距離,并根據(jù)探測海區(qū)的氣象情況確定預(yù)報威力容差。

采用AIS網(wǎng)絡(luò)覆蓋實時接收探測海區(qū)的海上目標信息。通過AIS網(wǎng)絡(luò)確認雷達覆蓋范圍內(nèi)的大型船只信息。雷達錄取觀測航路上的最遠運動目標,確認目標后,雷達保持跟蹤。記錄雷達對目標船的發(fā)現(xiàn)、跟蹤情況及波導(dǎo)預(yù)報設(shè)備的預(yù)測結(jié)果。

根據(jù)雷達探測目標的探測情況,按照發(fā)現(xiàn)概率統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)距離。如果距離在預(yù)報結(jié)果的威力容差范圍內(nèi),可確定為1次準確預(yù)報結(jié)果。

3樣本量的確定

(5)

通過查表可以確定，在置信度為1-α的置信區(qū)間長度L的情況下,滿足檢驗預(yù)報準確度p的觀測樣本量。

表1　置信度為90%

表2　置信度為95%

表3　置信度為99%

4結(jié)束語

綜上所述,海面蒸發(fā)波導(dǎo)具有部分獲陷電磁波傳播的作用,蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)測具有重要的應(yīng)用價值。本文在分析了蒸發(fā)波導(dǎo)對海面雷達系統(tǒng)探測影響的基礎(chǔ)上,從檢驗波導(dǎo)預(yù)測設(shè)備的實際應(yīng)用出發(fā),分別以氣象數(shù)據(jù)和雷達探測數(shù)據(jù)作為檢驗依據(jù),提出了預(yù)報設(shè)備的檢驗方法,并且說明了確定樣本量的理論依據(jù)。研究成果可為波導(dǎo)預(yù)測設(shè)備的工程檢驗提供參考。

參考文獻:

[1]姚景順,楊世興.PJ蒸發(fā)波導(dǎo)模型在沿海海區(qū)的應(yīng)用[J].火力與指揮控制,2010,35(6):121.

[2]黃小毛.電磁波在海洋大氣波導(dǎo)條件的傳播特征研究[D].大連:海軍大連艦艇學(xué)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

作者簡介:曹鑫(1983-),男,工程師,研究方向:雷達系統(tǒng)工程技術(shù)研究。

中圖分類號:TN911.7

文獻標志碼:A

文章編號:1009-0401(2016)02-0015-04