曾祥能, 王攀峰, 李冠林, 高云霄

(解放軍93213部隊，北京 100085)

0 引 言

大氣的非均勻分布形成電磁波傳播的非均勻介質，會產生折射現(xiàn)象，使傳播方向產生偏轉，包括探測范圍的空間位置、測量參數(shù)的準確性等受到影響，造成雷達測得的目標仰角、距離產生誤差，從而使測得的目標高度產生誤差。在重點關注方向獲取實時性好、準確度高的大氣折射率分布情況，有效地監(jiān)測大氣波導，成為當前各領域應用的研究熱點。

電磁波傳播的速度與介質的折射指數(shù)N值成反比，對于不均勻介質，傳播的平面波波前(等相位面)上各點的傳播速度不同，使傳播方向朝N值較大的部分偏轉，形成折射。電磁折射的程度及變化取決于大氣折射指數(shù)的空間變化率。在一定區(qū)域內的大氣折射指數(shù)接近水平均勻，在垂直方向則隨著高度而減小，因此,電磁波折射主要關注垂直面內的變化，其程度取決于大氣折射指數(shù)的垂直梯度，且一般為負值，梯度的絕對值隨著高度逐漸減小[1]。通常情況下，以大于零度的仰角/下視角的電波在傳播中一般逐漸向下折射，當大氣垂直分布異常時，就會發(fā)生向上折射或向下過度折射(稱作大氣波導)。一般認為，低仰角發(fā)射的電波折射程度強，高仰角折射程度弱；在低空傳播的電波折射程度強，高空折射程度弱。在低空受大氣變化劇烈造成大氣垂直分布異常較多，因此,低空低仰角的折射變化最強。受大氣溫度、濕度、氣壓和風、云、霧等天氣現(xiàn)象的影響[2]，大氣邊界層尤其是在近地層,天氣變化劇烈而易發(fā)生大氣波導現(xiàn)象。

對大氣波導監(jiān)測，最有效的手段是氣象探空，常用的固定地面站實施氣象探空可有效監(jiān)測陸面上空的大氣波導發(fā)生發(fā)展情況，但對于海面區(qū)域，無法設置固定的氣象探空站。通過設計通用化下投探空系統(tǒng)，掛載在無人機或有人飛機平臺上，可快速執(zhí)行海上區(qū)域的大氣波導監(jiān)測，為無地面依托的重點區(qū)域提供大氣折射率監(jiān)測手段，形成大氣波導快速監(jiān)測診斷能力。

1 大氣折射率敏感性分析

根據電磁波在媒介中的傳播理論，大氣活動造成的不均勻性引起電磁波的折射，根據斯涅爾(Snell)定律[3]，大氣折射率與電磁波傳播的速度與方向關系可表示為

nrsinφ=A

(1)

式中A為常數(shù)，n為大氣折射率，r為傳播路徑中任意一點到地球球心的距離，φ為傳播路徑的方向角度。

在大氣層中，海氣邊界層是折射率不均勻的傳播媒介典型，其大氣折射率n典型取值為

(2)

式中εr為相對介電常數(shù)?？紤]到大氣折射率的數(shù)值非常接近1，且變化非常小，通常引入大氣折射指數(shù)N來表示

N=(n-1)×106

(3)

微波段波，大氣折射指數(shù)與空氣溫度、大氣壓力和水汽壓的關系可表示為[4]

(4)

式中P為大氣壓強，hPa；T為大氣溫度，K；e為水汽壓，hPa;e與相對濕度h(%RH)和大氣溫度t(℃)(T=t+273.15)關系為e=e0×h；e0可由馬格努斯經驗方程[5]給出

(5)

考察折射率分別受溫度T、濕度e、氣壓P的影響，分別求導可得

(6)

選取典型的底層大氣條件，取溫度為290 K，相對濕度為50 %RH，氣壓為1 000 hPa，代入式(6)，可得

ΔN=0.268·ΔP-1.216·ΔT+4.435·Δe

(7)

由式(7)可知，大氣折射率的變化與大氣壓強、水汽壓正相關，與溫度變化負相關，其中,水汽壓的變化對折射率變化影響最大，對大氣壓強的影響相對較小。

2 下投探空監(jiān)測大氣波導技術

2.1 下投探空技術方案設計

利用空基平臺(如運輸機、無人機)搭載下投式探空設備在重點關注方向投放下投式探空儀，快速獲取空中溫—壓—濕廓線，實時輸出飛機航過區(qū)域的大氣折射率分布。

由降落傘攜帶探空儀在空中勻速下落，降速10～12 m/s，每秒采樣1～2次數(shù)據并實時回傳，可輸出垂直分辨率為6～10 m的空中溫/濕/壓信息廓線，并通過北斗導航定位芯片提供準確的位置信息用于解算折射率的空間高度。

下投探空儀集成方案中，溫度傳感器選擇對稱珠狀熱敏電阻，通過測量范圍內多點校準后確保測量精度[6]，在20 ℃下10 m/s流速的響應時間為0.4 s；濕度傳感器難度較大，采用高分子薄膜電容是當前的主流，利用濕敏電容的容值與相對濕度的變化量相關性完成濕度測定，在20 ℃下6 m/s流速的響應時間為0.3 s，在-40 ℃下6 m/s流速的響應時間為10 s；壓力傳感器比較成熟，可實現(xiàn)1 hPa的綜合測量精度，在高空(小于100 hPa)時測量不確定度為0.3 hPa。

設計通用型吊艙式下投探空系統(tǒng)，采用轉接掛件無人機機腹或機翼下，通過飛機平臺12 V直流供電，并通過無人機測控鏈路等手段可實時回傳探空氣象信息。通用型掛載轉接件使吊艙可適配不同種飛機/無人機的機腹、機翼掛載，并實現(xiàn)即插即用快速轉換能力。

吊艙內預裝8枚下投式探空儀，裝填前完成基測，可按預設高度或實時控制投放高度，吊艙對指定探空儀上電、捕獲北斗定位信息，投放探空儀。

2.2 下投探空監(jiān)測大氣波導的地面試驗驗證

采用下投探空監(jiān)測大氣波導，溫/濕/壓測量敏感元件的響應能力，是關系到大氣波導層高度、厚度測量精度的關鍵，更是影響大氣波導監(jiān)測識別的主要因素[7]。根據大氣折射率敏感性分析結論，其中尤以溫、濕測量響應能力最為重要。因此，在地面溫、濕發(fā)生器中對所設計的下投探空儀溫/濕敏感元件進行響應能力驗證。利用2套便攜式溫濕度發(fā)生器，設置成溫/濕階躍環(huán)境，在2個溫/濕環(huán)境下手動切換探空儀傳感器，實時記錄測量值。試驗條件如下：

測量值記錄頻率5 Hz(每隔0.2 s記錄1組)；

濕度環(huán)境：95 %RH(高濕/20 ℃)，20 %RH(低濕/20 ℃)；

溫度環(huán)境：10 ℃，50 ℃(35 %RH)；

切換傳感器過程需短暫經歷實驗室內大氣環(huán)境，測量過程中實驗室大氣環(huán)境：22.8～23.4 ℃，42 %～43 %RH。

測量升溫/降溫與降濕/升濕試驗數(shù)據記錄如圖1所示。

圖1 下投探空儀溫/濕敏感元件響應試驗數(shù)據記錄

對試驗數(shù)據進行標準化處理，得出溫/濕敏感元件的響應能力如表1、表2所示。

表1 濕度敏感元件響應能力情況

表2 溫度敏感元件響應能力情況

通過地面試驗，可初步確定當前典型的下投探空儀在常溫條件(約23 ℃)對溫/濕測量動態(tài)響應能力如下：

溫度測量時間常數(shù)為1.0～1.4 s，響應時間為2.2～2.8 s。

濕度測量時間常數(shù)為0.8～1.4 s，響應時間為1.2～4.9 s。

其中，降濕至低濕(20 %RH)時響應時間為4.9 s，其他情況的測量響應時間在2 s以內，按照下投式探空儀下降速度為10 m/s(海平面)計算，能夠滿足大氣波導監(jiān)測需求。

2.3 基于下投探空信息大氣波導識別診斷模型

下投探空獲取的高度/溫/濕/壓信息序列記為{h,Tem,Hum,Pre}對應的單位分別為m、℃、%RH及hPa，分別換算為海拔高度h(m)、熱力學溫度T(K)、水汽壓e(hPa)及大氣壓P(hPa)，利用大氣折射率計算公式得到不同高度層的折射率指數(shù)值，進一步按照下式得到折射率指數(shù)梯度

(8)

逐層判斷修正折射率指數(shù)梯度值ΔM=ΔN+0.159，提取出梯度值ΔM<0的高度層，判斷為該層為大氣波導層[8]。并按表3計算波導層相關參數(shù)。

表3 大氣波導參數(shù)化提取識別

3 應用驗證與分析

3.1 試驗方案

采用下投探空系統(tǒng)獲取空中溫/濕/壓廓線信息，驗證下投探空監(jiān)測大氣波導的能力。采用系留氣球低空氣象探測系統(tǒng)與通用型下投探空系統(tǒng)開展大氣波導監(jiān)測試驗[9]。主要驗證下投探空系統(tǒng)與低空氣象探測系統(tǒng)在大氣波導監(jiān)測的能力對比與診斷方法。2種測量手段的性能對比如表4所示。

表4 試驗設備性能對比

3.2 試驗數(shù)據分析

2020年6月28日早07︰16開始，在陜西蒲城內府機場(本場海拔341 m)，先后由無人機掛載吊艙式下投探空系統(tǒng)，到07︰32完成投放5枚探空儀，獲取有效探空數(shù)據95組。

按照同高度層同時間與系留氣球低空氣象探測系統(tǒng)的溫/濕/壓信息比對，對系留氣球低空氣象探測系統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)誤差補償后，計算出的均方根誤差分別為-0.72 ℃，5.8 %RH，2.2 hPa。

采用大氣折射率計算模型式(4)，分別利用下投探空氣象信息與系留氣球獲取的氣象信息[10]，繪出當時陜西蒲城內府機場空域的低空大氣折射率分布如圖2所示，實線為系留氣球氣象信息計算值，點劃線為下投探空氣象信息計算值，可見二者呈現(xiàn)的大氣折射率空間分布基本一致，相同高度的差值約5 N單位。

圖2 陜西蒲城機場低空大氣折射率分布的計算

進一步，按照大氣折射率梯度計算模型如式(6)完成大氣波導識別診斷，如圖3所示，經下投探空系統(tǒng)氣象信息計算的大氣折射率梯度(黑色虛線)分布診斷，海拔625～648 m出現(xiàn)電磁波限獲折射，診斷該區(qū)域為大氣波導層；而系留氣球氣象信息計算的大氣折射率梯度(灰色虛線)分布診斷，海拔608～627 m出現(xiàn)電磁波限獲折射，診斷該區(qū)域為大氣波導層。二者識別診斷的大氣波導層非常接近，可見下投探空系統(tǒng)對大氣波導監(jiān)測能力準確可信。在其他高度層的大氣折射率梯度分布方面，二者基本一致。而且下投探空系統(tǒng)具備更高的垂直分辨率，能夠提供更加精細的大氣折射率空間分布信息，利于對大氣折射情況的準確描述。

圖3 陜西蒲城機場低空大氣折射率梯度分布與大氣波導識別診斷

4 結 論

基于大氣折射率經驗模型開展了大氣溫、濕、壓三要素的敏感性分析，得出不同要素與大氣折射率相關性特點與分布規(guī)律。在此基礎上，開展通用化下投探空系統(tǒng)設計，并通過與地面施放的低空氣象探測系統(tǒng)對比完成了大氣波導監(jiān)測比對，設計的通用化下投探空系統(tǒng)具備大氣波導監(jiān)測能力，測量靈敏度、準確度滿足大氣波導監(jiān)測要求，具有通用化快速適配飛機平臺能力，具備較好的推廣應用前景。