大气环境对动态RCS测量的影响分析

王睿　张锐娟（中国飞行试验研究院，陕西西安　710089）



大气环境对动态RCS测量的影响分析

王睿张锐娟
（中国飞行试验研究院，陕西西安710089）

【摘 要】大气传输所引起的电磁波能量衰减会在动态RCS测量过程中引入误差，且测试频率越高、距离越远，误差影响越大。本文利用基于自谐振谱线的电磁波大气衰减模型，通过研究不同气象条件下，特定频率的大气衰减变化，分析大气环境对RCS测量的影响程度，并据此提出动态RCS测量的试验环境要求。

【关键词】大气衰减动态RCS测量环境因素

1　引言

电磁波在传输过程中，由于受到对流层中大气折射、分子吸收、散射等因素的影响，造成电磁波能量衰减，从而在动态RCS测量过程中引入测量误差。为了在测量过程中尽可能提高动态RCS测量精度，本文利用累加氧气和水蒸汽各自谐振线的方法，研究不同气象条件下，特定频率的大气衰减变化及其对RCS测量的影响程度，并提出动态RCS测量的试验环境要求。这对于选择合适的动态RCS测量试验条件，提高测试精度具有重要的指导意义。

2　对流层大气环境特点分析

大气层按气温的垂直分布特征可分为对流层、平流层和中间层［1］。动态RCS测量主要在对流层内开展，在该区域标准大气中，气温、气压随高度升高而降低，平均气温梯度约为-6.5℃/km，水蒸汽密度随高度增加而呈指数减小。我国是一个幅员辽阔，地形、气候复杂的国家，加上复杂多变的地形地貌及太平洋季风和西伯利亚寒流，使得我国广大地区四季分明［2］。

3　大气环境对RCS测量的影响分析

对流层的大气吸收是水蒸气分子和氧气分子间发生量子谐振引起的［3］，吸收产生的大气衰减率与大气压力、大气温度以及水蒸气密度等气象参数密切相关。下面基于国内平均气象条件，利用基于自谐振谱线的电磁波大气衰减模型，详细分析湿度、温度、压力等气象条件对大气衰减的影响。

3.1湿度对电磁波大气衰减的影响

湿度是表示大气干燥程度的物理量，工程上常用相对湿度U来表征，其与水蒸汽压力e满足如下关系：

式中，t为温度，单位℃；P为压力，单位hPa；U相对湿度，单位%；EF按照温度有效范围可分段计算，a、b、c为经验系数，具体取值可参考文献。

基于我国平均气象条件，不考虑温度、压力的变化，湿度对电磁波传输过程中产生的大气衰减的影响很大，具体表现为如下几个方面：

图1　不同频率在不同季节下的大气衰减（θ= 5°）

（1）在相同条件下，湿度越大电磁波传输过程中产生的大气衰减损耗越严重，当相对湿度由30%增加至50%时，电磁波的大气损耗将提高23%～36%；当相对湿度增加至70%时，电磁波大气损耗将提高54%～64%；

（2）由于高空气中水蒸汽密度不断降低，导致湿度对电磁波大气衰减的影响逐步减小，高度越高，影响就越小；

（3）电磁波频率小于1GHz时，大气衰减系急剧下降，且与空气湿度无关。

3.2温度、压力对电磁波大气衰减的影响

以国内平均气象条件中温度、压力变化为输入，假设空气相对湿度U=30%时，温度和压力对电磁波传输过程中产生的大气衰减影响如下：

（1）当频率小于6.7GHz时，冬季电磁波大气衰减比夏季略高0. 1dB，此时电磁波大气衰减系数与气压成递增关系，气压对电磁波大气衰减的影响较为显著；

（2）当频率大于6.7GHz时，夏季电磁波衰减最高，冬季最低，且频率越高（f＜22GHz），两者差异越大，此时温度对电磁波大气衰减的影响较为显著，电磁波大气衰减系数与温度成递增关系。

3.3综合气象环境对RCS测量的影响

为了综合分析大气环境对电磁波大气衰减的影响，以国内1月、4月、7月和9月平均气象参数为输入，利用基于自谐振谱线的电磁波大气衰减模型计算1GHz、30GHz在不同季节下对应的大气衰减系数。在此基础上，利用射线追踪算法，给出四种频点在不同季节下对应的总的大气损耗变化，具体仿真结果见图1。

由图1分析可知，当雷达工作在低频段时，夏季电磁波大气衰减低于冬季，两者相差小于0.1dB。随着雷达工作频率的升高，大气温度和湿度对电磁波大气衰减的影响越发明显，导致夏季电磁波衰减高于冬季。当雷达工作频率增高到30GHz时，两者之间的差异将增大至8dB左右。

综上所述，大气环境对电磁波衰减具有很大影响，且频率越高受气象影响越严重。通常在冬季温度越低、湿度越小，大气衰减越小；反之，夏季温度越高、湿度越大，大气衰减越严重。因此为了降低大气损耗对动态RCS测量精度的影响，应尽量选择在低温、低湿度的条件下进行测试，同时要避免云层等因素的影响。

4　结语

本文在对国内平均气象环境进行分析的基础上，利用基于自谐振谱线的电磁波大气衰减模型，定量分析了湿度、温度、气压对电磁波大气衰减系数的影响，并在此基础上利用射线追踪算法给出了不同频率在不同季节下的大气衰减量值，详细分析了大气环境对RCS测量的影响程度，并据此提出动态RCS测量的试验环境要求。这对于选择合适的动态RCS测量试验条件，提高测试精度具有重要的指导意义。

参考文献：

［1］GJB 5601-2006中国参考大气［S］，2006.

［2］焦培南，张忠治编著.雷达环境与电波传播特性［M］.北京:电子工业出版社，2007.

［3］Merrill I.Skolnik主编，王军等译.雷达手册［M］.北京:电子工业出版社，2003.