海上异常大气环境中的红外辐射传播*

黄立峰，孙 方，朱庆林，王红光，林乐科

0 引 言

海洋大气边界层中经常出现温、湿度垂直梯度异常分布的大气环境，这种环境会导致无线电波发生超折射、负折射等非正常传播现象，直接影响光电系统的探测性能[1]。一般说来，微波雷达探测距离远，受天气和大气的影响小，适合全天候工作，普遍应用于海军水面舰艇装备进行超视距探测与通信。随着探测手段的日益更新，我海军水面舰艇已经开始部分装备红外探测和目标指引系统，用以侦察和探测近海表低空目标，如小型舰船、低空飞机等[2]。与普通微波雷达相比，第一，红外探测雷达的工作频率较微波高，因此其距离和速度分辨率高，可以利用多普勒成像技术获得目标的清晰图像；第二，自然界中能对红外雷达起干扰作用的信号源不多，因此其抗有源干扰能力很强，适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中；第三，对于红外探测雷达来说，只有被照射的目标才会产生反射，完全不存在地物回波的影响，因此其低空探测性能较微波雷达优秀。目前，如何有效发挥两种探测系统的功能且实现最优配置，很大程度上依赖于海洋大气环境的影响[3-4]。本文仿真不同环境下的温湿压高度剖面，分别带入红外和微波波段进行大气折射率剖面计算，并利用射线追踪技术仿真两个发射波段电磁波不同的射线轨迹，演示了异常大气折射环境对红外和微波波段的传播特性差异。

1 红外波段的大气折射率模型

大气折射率N不仅与光波的波长λ有关，而且也是空气温度T、水汽压e和压强p的函数。在光学频率范围内，对流层（高度＜17 km）中的大气折射率一般可写为：

式中：p是大气气压，单位mbar；T是热力学温度；λ是光波波长，单位μm。对于戈壁地区，由于空气相对比较干燥，地面上水汽压e对N的贡献小于1%，故式（1）忽略了与水汽压相关的项，但这一项对水上传输光路不可忽略。因此，这里给出精度较高、考虑水汽压的光折射率模型。

对于可见光和近红外波段，这里选用Birch and Downs在1994年提出的Edlén改进模型进行光折射率计算[5]：

式中：Ns为温度t=15℃，气压P=101 325 Pa，CO2体积混合比为450 ppm的干空气折射率；Ntd为任意温度、气压条件下，CO2体积混合比为450 ppm干空气折射率；e为水汽压，单位Pa；λ为波长，单位μm；P为压强，单位Pa；t为温度，单位℃；A、B、C、D、E、F、G为公式系数，如表1所示。

表1 光折射率剖面模型系数

而对于红外波段，大气折射率的计算为：

式中：X=10/λ，单位μm；α=T/273.15；ν为波数，ν=1/λ，λ单位μm；P为气压，单位hPa；T为温度，单位K；Q为绝对湿度，单位kg/m3。

2 海上异常大气环境下红外和微波的差异分析

2.1 大气折射类型与条件

海上异常大气环境主要由温度和湿度的垂直剖面异常分布引起，从而导致大气折射率梯度过大或过小，使得电磁波发生超折射、负折射以及波导传播[6-9]，如图1所示。

图1 不同的大气折射形态

在无线电气象学科中，大气介电特性采用大气折射率N或修正折射率M表示。当电磁波传播距离很近时，可近似认为地球表面为平面。但是，若电磁波传播距离较远，则必须考虑地球曲率的影响。此时，为了将地球表面处理成平面，通常使用经地球曲率修正的大气修正折射率M（单位：M）。修正折射率M和大气折射率N的关系为：

将式（9）对高度h求导，可得修正折射率梯度：

对流层大气结构一般按大气折射率或大气修正折射率的垂直梯度特征区分为四类，如表2所示。

表2 大气折射类型与条件

当出现dN/dh＜-157（N/km）或dM/dh（M/km）的大气层结时，电波射线的弯曲曲率半径小于地球半径，电波射线向地面折射。只要频率和角度合适，大气层结又有一定的水平扩展范围，电波能量就会在此大气层结及其下部的大气层结内反复折射，或者在此大气层结及其下垫面之间反复折射和反射，使电波能量限制在相应的大气层结范围内传播到视距以外，即所谓的大气波导传播现象。

2.2 红外和微波的大气折射率剖面与传播特性差异分析

微波波段的大气折射率模型相比红外波段简单，首先给出微波波段大气折射率的计算公式：

对比微波与红外波段的大气折射率形式，可以看出两者的折射率都与大气压强、温度、水汽压（或者说湿度）有关，不同的是红外波段还要考虑波长的影响。这里主要选取远红外波段（λ=10.6 μm）与微波段（λ=0.1 m）进行比较分析，其他红外窗波段的折射特征与之相似，仅在折射率的量值上略有不同。

选择汕头站2011年7月4日8时的温度、湿度以及压强的探空数据剖面，分别利用红外与微波段的折射率模型计算大气折射率与修正折射率剖面，结果如图2所示。

图2 红外与微波波段的折射率剖面比较

由图2可知，微波波段接近100 m高度内的dM/dh＜0，说明发生了表面波导现象，但在红外波段属于正常折射情况。为了进一步说明电磁波在相同大气环境下不同波段的传播特性，下面利用射线追踪技术[10]仿真利用两种波段发射的电磁波传播轨迹差异，结果如图3所示。

图3 红外与微波波段的射线轨迹比较

由图3可知，低仰角射线在微波段被大气波导陷获发生超视距传播，而红外波段大气折射率剖面由于是正常大气，射线全部为视距传播。

3 结 语

分析给出了红外波段大气折射率的计算模型。与微波波段相比，红外波段大气折射率主要与温度、压强和频率有关，而湿度的影响与微波段相比明显要小。本文针对海上大气环境，给出了相同温度、湿度、大气压强气象条件下的大气折射率与修正折射率剖面模型；利用射线追踪技术仿真了不同波段电磁波的射线轨迹；利用射线光学和抛物方程模型，分别计算了红外与微波段电磁波的传播损耗分布。仿真结果表明，在相同的海洋大气环境下，微波和红外波段的大气折射环境与传播特性相差甚远。可见，为了使雷达和红外探测设备能够更加有效地适应于复杂的海洋战场环境，以充分发挥两种武器效能，必须对水面舰艇光电系统在复杂海洋大气折射环境下的近海面水平探测特征差异进行对比分析与有效评估。

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