海上对流层大气波导顶部电磁盲区研究

白璐　张沛　吴振森　郭立新

(1.西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安 710071;2.西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心,西安 710071)



海上对流层大气波导顶部电磁盲区研究

白璐1,2张沛2吴振森1,2郭立新1,2

(1.西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安 710071;2.西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心,西安 710071)

摘要用射线追踪法,分析了蒸发波导和表面波导顶部电磁盲区的分布特性.讨论了影响盲区面积大小的影响因素,仿真结果表明:波导顶部盲区位置随天线高度增加而远离发射天线的位置,随波导强度增大而接近发射天线位置;而顶部盲区面积主要随波导顶高变化.从陷获射线数目来看,表面波导对电波陷获能力要强于蒸发波导,且两者均在波导层底部陷获效果最佳.最后给出了顶部盲区面积的近似计算式.

关键词大气波导;电磁盲区;射线追踪

引言

多年的实测数据显示,海上对流层大气波导在我国各海域常年发生,且有着相当高的发生概率[1-2].大气波导在形成超视距传播[3]的同时,也将改变电波的正常传播轨迹,使得电波在正常大气下能够传播覆盖的范围可能无法到达,形成新的电磁盲区;或影响盲区的起始位置,改变盲区的分布特性.由于大气波导多发于海上低空区域,因而对大气波导电磁盲区的研究于海上低空突防与预警反突防问题有着重大的意义.

近十年来,焦林、张永刚基于抛物方程法的传播损耗计算,提出了确定波导盲区位置的方法,并结合中尺度预报模式开发了相应的盲区预测系统[4].左雷等分析了海上波导盲区对于海上低空突防与反突防的影响与意义[5].康士峰等提出一种天线高度的优化方法,对盲区的分布特性展开了一定的分析[6].张洁寒等基于射线追踪法,直观地分析了蒸发波导盲区分布特性及形成机理[7].但总体来说,目前国内在盲区的定量分析上的研究还处于起步阶段.本文尝试通过在传统射线追踪法的基础上,引入对射线传播数据的判定、分类、提取处理,定量分析大气波导顶部盲区的位置及面积的影响因素,并尝试给出便于快速计算的盲区面积近似表达式.

1基础理论

射线追踪法基于几何光学理论,通过Snell公式,可以直观地追踪电波在空间中的传播轨迹,反映不同影响因素下电波的传播特性,有助于从电波传播机理上确定盲区的分布特性.在海上大气波导传播中,陷获电波的初始仰角一般都在零度附近,因此,文中采用泰勒级数近似模式[8-9].

采用中性层结的Paulus-Jeske(P-J)模型[10]作为蒸发波导的修正折射率剖面模型,其表达式为

M(z)=M0+0.125z-0.125HDln[(z+

z0)/z0].

(1)

式中: z为海面以上的垂直高度; z0为空气动力学粗糙度因子,通常取1.5×10-4m; M0为海面处大气修正折射率,取350M; HD为蒸发波导高度(EvaporationDuctHeight,EDH).采用四参数三折线模型来表示表面波导的修正折射率剖面:

M(z)=

M0+k1z 0≤z≤HBM1+k2(z-HB) HB

(2)

式中: HB和HD分别表示表面波导基础层高度和波导层厚度; k1和k2分别表示波导基础层斜率和波导层斜率; M1=M0+k1HB; M2=M1+k2HD.表面波导的波导强度(DuctIntensity,DI)可以表示为M1和M2差值的绝对值.

图1中(a)为所计算的表面波导的修正折射率剖面,(b)为射线追踪程序计算结果,其设定最大计算高度为500 m,最大传播距离为300 km.发射天线仰角范围为[-1°,1°],射线间隔为0.005°,发射射线总数为401根.对于海上低空突防与反突防问题来说,顶部盲区的位置以及其面积大小都具有较高的研究价值.文章通过如下方法获得蒸发波导和表面波导顶部盲区的相关信息.该方法具体步骤描述如下:

(a)　　　计算所用修正　　　　　　(b)　　　射线追踪方法　　　折射率剖面　　　计算结果图1　表面波导顶部盲区的射线追踪计算的电波轨迹

1) 对应于不同波导类型,输入大气环境参数,获得折射率剖面数据;

2) 确定计算范围:最大传播距离Xmax,最大传播高度Hmax,高度步进值h,发射天线高度Ht,以及发射天线初始发射仰角及射线仰角间隔,判断是否符合陷获传播机制的先决条件,满足则进入下一步;

3) 根据Snell定律的二阶泰勒近似模式对射线进行追踪,获得每一根射线的传播轨迹;

4) 对符合先决条件的电波判断其实际陷获情况并分类,提取出射射线的离散数据[rn,xni,yni],其中,rn表示第n条出射射线,总数记为N,xni和yni分别表示第n条曲线上对应于第i个步进点处的横纵坐标值;

6) 计算表面波导顶部盲区S部分面积:如图1(b)所示,可根据临界角对应出射射线和波导顶高确定距离范围,其面积表达式可写作

S= 12∑YP2YP1(yi+1+yi)(xi+1-xi)éëêêùûúú-

YP1(XP2-XP1).

(3)

式中:xi、xi+1、yi、yi+1分别表示相邻步进点的坐标值.

2正常大气与大气波导顶部盲区对比

图2(a)、(b)、(c)中,分别为标准大气、蒸发波导和表面波导的射线追踪计算结果,三者天线高度均设为5 m,蒸发波导高度为10 m,表面波导基础层和波导层均为20 m.

从图2(a)可以看出,在标准大气下,不存在波导陷获层,所有电波最终都向上射出计算区域.盲区位置的起始由最外部出射射线决定,在计算高度范围内,沿着该射线从水平距离10 km处(海面位置)到水平距离100 km处(最大计算高度)以外均为电磁盲区范围.而大气波导的出现使得盲区的分布不同于标准大气情况下.

对于蒸发波导而言,在海面到蒸发波导高度10 m的高度范围内,形成波导陷获层,使得该区域原本的电磁盲区消失;而对出射射线而言,蒸发波导使得出射射线在每个步进处角度发生变化,从而改变其传播轨迹,在最大计算高度500 m处,盲区的起始位置位于130～140 km之间,明显远于标准大气的盲区起始位置.

表面波导相较于蒸发波导,有着更大厚度的波导陷获层,意味着近海面更大高度范围内的电磁盲区消失,该高度理论上是表面波导基础层和波导层高度之和,不过实际上,由于射线传播的多径效应,存在一定数量的不规则区域电波射线无法到达.而对于顶部盲区起始位置,表面波导和蒸发波导一样将改变出射射线的传播轨迹,在图2(c)中,最大计算高度处,盲区从90 km左右开始,较之标准大气的情况水平位置提前了近10 km.

(a) 标准大气　　(b)蒸发波导　　 (c) 表面波导图2　标准大气与大气波导射线追踪计算电波轨迹

由以上分析可知,大气波导的出现,将明显改变标准大气下原有电磁盲区分布,使得较长距离范围之内波导陷获层内原有电磁盲区消失,而原本顶部盲区的起始位置随大气波导的性质发生变化,前后移动.

3蒸发波导顶部盲区分析

根据P-J模型,可以将HD视为蒸发波导模型的唯一变量.表1(HD=40 m)、表2(HD=20 m)研究了HD固定时蒸发波导顶部盲区随Ht的变化特性,表3(Ht=5 m)、表4(Ht=10 m)研究了Ht固定时顶部盲区随HD的变化特性.

表1蒸发波导顶部盲区分布随Ht的变化(HD=40 m)

Ht/mN/根XP1/kmXP2/kmS/km2532242.5166166.992716.22101034637.4959154.782416.12251535847.3797172.679116.22962037070.9901210.386616.30252537853.1534177.264916.21703038661.7885188.294416.24143539484.0670219.018516.301239400134.3721280.097416.3384

表2　蒸发波导顶部盲区分布随Ht的变化(HD=20 m)

表3　蒸发波导顶部盲区分布随HD变化(Ht=5 m)

表4　蒸发波导顶部盲区分布随HD变化(Ht=10 m)

观察表1、表2数据,随着Ht的逐渐增大,N逐渐增大,即陷获射线数量减少,当天线接近波导层顶部时,只有少数射线实现陷获,陷获性能相当微弱.可见对于蒸发波导,随着Ht增大,陷获减弱,发射天线处于波导底部陷获效果最好.XP1与XP2随着Ht的增加,呈整体逐渐增加趋势,也就是说,Ht越高,顶部盲区位置就越远;且两者的变化幅度保持着较好的一致性,XP2与XP1的差值即S的水平距离范围,在良好陷获的前提下,保持在120～130 km的范围内.S的面积几乎不随Ht的变化而改变,S的变化幅度在1%左右,可认为S对Ht的变化不敏感.

由表3、表4数据可知:随着HD的逐步增大,N逐渐减小,即陷获射线数目增加,陷获性能增强;从位置关系上看,保持Ht不变,HD越大,也意味着发射天线越接近波导层底部,陷获越强,这与表1所得出的结论是一致的[11];XP1与XP2随HD变化的趋势并不明显,但XP2-XP1的变化基本呈逐渐增加的趋势,即盲区S的距离范围在增大,相应的,S的面积随着HD的增大而缓慢增大,变化幅度在5%左右.值得注意的是,由于蒸发波导对电波的陷获结构相对较弱[12],少量电波射线在波导层中保持较低的仰角传播一定的距离后,最终仍会射出波导层,这就使得并非所有数据点都良好地符合整体变化趋势,个别采样点的XP2-XP1过大,因而在对整体变化趋势的分析中将其忽略不计.因而对于蒸发波导的顶部盲区性质,可以得出如下结论:

1) 发射天线越接近波导层底部,陷获效果越好,随着Ht的增大,陷获能力逐渐减弱,直至发射天线位于波导层顶部,不再陷获;

2)Ht越高,盲区水平位置越远离发射天线处;但盲区的面积S对Ht的变化不敏感,改变Ht不会对盲区的大小造成明显变化;

3 )改变HD,蒸发波导顶部盲区的位置不随之产生规律性变化,但盲区的面积随着HD的增大而缓慢增大,最大增幅占总面积5%左右.

4表面波导顶部盲区分析

表面波导三折线模型有四个基本参数,但在实际研究中简化为从发射天线与基础层、波导层的高度位置关系以及波导强度两者考虑其对表面波导顶部盲区的影响.

4.1Ht对表面波导顶部盲区的影响

研究发射天线与表面波导的位置关系对顶部盲区造成的影响.波导强度为15 M,图3(a)～(d)的参数分别依次如下:HB=0,HD=50 m;HB=0,HD=100 m;HB=50 m,HD=50 m;HB=100 m,HD=50 m.天线高度取值均在各自波导情况下波导层顶部以下,以保证实现陷获传播.

(a) HB=0,HD=50 m　　　(b) HB=0,HD=100 m

(c) HB=50 m,HD=50 m(d) HB=100 m,HD=50 m图3　表面波导顶部盲区随天线高度的变化

图3(a)～(b)为无基础层表面波导,(c)～(d)为有基础层表面波导.可以看到:最明显不同在于N的变化趋势,随着Ht的增加,无基础层情形的N逐渐增大,即陷获射线数目减少,陷获减弱;而在有基础层情形中,在波导层内,N变化与无基础层情形相同,但在基础层内,随着Ht的增加,N逐渐减少,陷获增强.因而,对于有基础层表面波导,陷获效果随Ht的增加先增强后减弱,最理想的陷获位置是基础层顶部及波导层底部.图3(a)～(d)中XP1与XP2,都随着Ht的增加有所增加,对比发射天线位于最低与最高位置,增幅可达到接近50%.XP1与XP2的变化趋势相似,XP2-XP1几乎保持不变.S在图3中没有显示,但从数据显示看也均保持着几乎不变的趋势,变化幅度小于0.5%.这说明改变天线高度,将使得盲区位置发生改变,天线高度越高,顶部盲区越远离发射天线,但顶部盲区的范围及面积大小并不发生变化.同时,对比发现,随着波导层顶高的增大,XP2-XP1在逐渐减小,S也逐渐减小.可能是由于波导顶高增加,在一定的Hmax之下,留给出射射线向前传播的空间也就随之变小,使得盲区范围XP2-XP1减小.因而盲区高度范围[Hmax-(HB+HD)]以及XP2-XP1共同减小导致盲区面积减小.变化幅度大致为,波导顶高每增加50 m,S减小2 km2左右.图3(b)与(c),波导顶高相同,前者无基础层,后者有基础层,对比可以发现,两者的XP2-XP1与S基本相等,说明在DI和波导顶高一致的情况下,基础层与波导层的高度变化不影响盲区的面积大小.

4.2DI对表面波导顶部盲区的影响

研究DI 对于顶部盲区的影响.两个算例:Ht=15 m,HB=0,HD=50 m;HB=50 m,HD=50 m,Ht=60 m.发射天线均位于波导层下部.通过改变模型波导层斜率k2,改变DI.

图4中,(a)为无基础层,(b)为有基础层,两图中各曲线的变化趋势都是一致的.随着DI的增强,表面波导的陷获性能也在增强,因而出射射线数目N逐渐减小.XP1与XP2也随着DI的增强逐渐减小,这意味着,顶部盲区的位置随DI增强逐渐变近,逐渐接近发射天线所在处,这可能是由于随着DI的增强,波导对电波的捕获能力增强,更多射线在更近的距离内实现陷获,因而出射射线所能到达的最大距离在不断减小;XP1和XP2变化趋势保持的相当一致,XP2-XP1几乎保持不变.S在图中没有显示,但数据显示亦保持不变,变化幅度不超过0.1%,这说明改变波导强度,只改变盲区的位置,不改变盲区的范围和面积大小.

(a) HB=0,HD=50 m　(b) HB=50 m, HD=50 m图4　表面波导顶部盲区随波导强度的变化

综上分析,可得出表面波导顶部盲区性质的相关结论:

1) 表面波导基础层顶部及波导层底部的陷获效果最好,随着Ht的增加,电波在基础层陷获效果逐渐增强,在波导层逐渐减弱;陷获效果随DI的增强而增强.

2) 表面波导顶部盲区的位置随Ht的增大,而逐渐远离发射天线处.但顶部盲区的大小不随Ht的增大而改变.

3) 表面波导顶部盲区的位置随DI的增大,而逐渐靠近发射天线处.但顶部盲区的大小不随DI的增大而改变.

4) 表面波导波导顶高增大,顶部盲区高度范围[Hmax-(HB+HD)]和距离范围XP2-XP1都将变小,导致盲区面积大小减小.

5) 在波导强度和波导顶高一致的情况下,表面波导基础层和波导层的高度变化不影响顶部盲区的面积大小.

另外,无论蒸发波导还是表面波导,盲区面积S的大小主要由水平距离范围XP2-XP1和高度范围Hmax-HD决定,而这两者的数值可以通过射线追踪的离散数据点P1,P2点确定.因而,通过射线追踪数据的拟合仿真,可以得到一个快速方便的盲区面积近似表达式:

S=

(XP2-XP1)(Hmax-HD)/20.005(XP2-XP1)+1.15 蒸发波导0.72(XP2-XP1)[Hmax-(HB+HD)] 表面波导ìîíïïïï.

(4)

式(4)适用于发射天线位于良好陷获位置时,即发射天线高度在3/4(HB+HD)以下.经过检验,对比式(3)的计算结果,近似表达式在蒸发波导情况下的平均计算误差在5%以内,在表面波导情况下平均计算误差在1%以内.

5结论

文章在射线追踪法的基础上,引入对射线陷获状态的判定、分类、数据提取,获得大气波导的顶部电磁盲区的位置及面积大小信息,分析了引起顶部盲区位置、大小变化的影响因素.结果表明,蒸发波导和表面波导的出现都将明显改变标准大气下原有的电磁盲区分布.两者都在波导层底部陷获效果最佳,其顶部盲区的水平位置都随着天线高度的增加而远离发射天线处,盲区面积都对天线位置不敏感.两者区别在于,当波导顶高发生变化时,盲区的面积变化趋势:蒸发波导随波导顶高增大而缓慢增大,表面波导则随之明显减小,表面波导受到波导顶高的影响更为明显.以上结论的取得从电波传播机理上,可为海上低空突防及预警反突防等相关研究提供一定的理论支撑和借鉴意义.

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Research of electromagnetic shadow zone in maritime tropospheric duct

BAI Lu1,2ZHANG Pei2WU Zhensen1,2GUO Lixin1,2

(1.SchoolofPhysicsandOptoelectronicEngineering,XidianUniversity,Xi’an710071,China;2.CollaborativeInnovationCenterofInformationSensingandUnderstandingatXidianUniversity,Xi’an710071,China)

AbstractBased on ray tracing method, the distribution characteristics of evaporation duct and surface duct top electromagnetic shadow zone are analyzed. The results show, that the position of duct top shadow zone will get far away from the position of transmitting antenna with the increase of antenna height, and that will get close to the transmitting antenna with the increase of duct intensity. The area of the top shadow zone mainly changes with the duct top height. Judging from the numbers of trapped rays, surface duct is stronger than evaporation duct in the ability of trapping electromagnetic wave, and both kinds of duct trapping abilities are best at the duct bottom. At last, an approximate calculation formula for the area of the duct top shadow zone is proposed.

Keywordsatmospheric duct; electromagnetic shadow zone; ray tracing

收稿日期：2015-05-22

中图分类号TN011

文献标志码A

文章编号1005-0388(2016)02-0278-06

DOI10.13443/j.cjors.2015052201

作者简介

白璐(1973-),女,吉林人,博士,西安电子科技大学物理与光电工程学院教授、博士生导师,主要从事电磁(光)的散射与辐射传输、高速目标的多波段探测等方面研究.

张沛(1992-),男,江苏人,西安电子科技大学物理与光电工程学院硕士研究生,主要研究方向为海上大气波导的电波传播特性.

吴振森(1946-),男,湖北人,西安电子科技大学物理与光电工程学院教授、博士生导师,IEEE高级会员,电波传播分会副主任委员,主要从事目标与环境光电特性研究.

郭立新(1968-),男,西安人,西安电子科技大学物理与光电工程学院教授、博士生导师,物理与光电工程学院执行院长,“长江学者奖励计划”特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者,国家“百千万人才工程”等.主要从事雷达通信环境电波传播与环境遥感、计算电磁学等方面的研究.

白璐, 张沛, 吴振森, 等. 海上对流层大气波导顶部电磁盲区研究[J]. 电波科学学报，2016,31(2):278-283. DOI: 10.13443/j.cjors.2015052201

BAI L, ZHANG P, WU Z S, et al. Research of electromagnetic shadow zone in maritime tropospheric duct[J]. Chinese journal of radio science，2016,31(2):278-283. (in Chinese).DOI: 10.13443/j.cjors.2015052201

资助项目: 国家自然科学基金(No.61475123, 61431010)； 空间测控通信创新探索基金(201410B)

联系人： 白璐 E-mail: blu@xidian.edu.cn