海面大气波导探测方法的关键技术研究

发布时间：2019-12-05 06:06

【摘要】：对流层是大气分层的最底层，也是与人类关系最密切，组成最复杂的分层。电磁波在海面对流层的传播由于受到各种气象、水文因素的影响变得尤为复杂。受到上述因素的影响，海面大气的折射率分布并不均匀，海面上经常出现大气波导等特殊的电磁波传播环境。通过探测海面大气波导评估电磁波的传播环境对雷达等无线电探测设备的正常运行具有重要意义。本论文首先分析了大气波导的形成机理以及海气边界层的相关理论。针对利用水文气象参数探测大气波导的方法进行了深入的讨论。在了解了几种探测模型的算法思路后，给出其中三种针对蒸发波导的探测模型即A模型、PJ模型以及海气通量模型的计算方法流程，对三种模型进行了敏感性分析，并对它们的适用性进行了讨论。利用Visual C++平台对应用三种模型的大气波导探测程序进行了设计与编写。根据GNSS卫星低仰角状态时受到大气波导影响路径产生偏折的现象，研究了利用GNSS可视负仰角与接收站的几何关系探测大气波导的方法。设计了应用该方法的C++程序，程序基本满足波导探测的要求。在对多种波导探测方法分析的基础上，提出利用多传感器融合技术探测大气波导的方法，并初步设计了利用多传感器探测大气波导的体系结构，，该结构采用多星系统、多模型、多传感器探测，并将探测到的数据进行信息融合。结合现场试验，验证了程序的稳定性以及功能完整性，并积累了实验数据便于后期数据分析，希望为后续波导探测技术的创新发展提供思路参考。本文的创新点包括： 1.对PJ模型、A模型和海气通量模型的计算方法进行了较为全面的敏感性分析，并对三种模型的适用性进行了讨论。研究了气象水文参数变化对波导探测结果的影响，为完成波导探测任务所需的参数类型选取提供了参考。 2.论证了将多传感器融合技术应用于波导探测系统的可能性。初步设计了大气波导探测系统中应用多传感器协同探测技术的方法与结构，应用蒙特卡罗方法进行了仿真分析。 3.基于现场实验，应用实验数据通过三种模型计算得到了蒸发波导高度，并对所得结果进行了多源信息融合，为后续波导探测提供了方法与数据参考。本文讨论了探测仪器的选择、探测程序的编写、最终数据结果的处理等内容，形成了完整的波导探测过程，对海洋环境中的波导探测具有重要意义。
【图文】：

示意图,大气波导,示意图

度地区约 17~18km，高纬度地区约为 8~9km，平均 10~12km。从整个大气层中看，对流层厚度虽然很薄，但却拥有大气中 75%的大气质量和 90%以上的水汽，而且主要天气现象如云、雾、雨等都出现在对流层。因而它是天气变化最为复杂、对人类生活和行动影响最大的层次。由于对流层拥有如此复杂的电磁环境，研究学者在对流层大气中进行有关电磁波的实验时，发现电磁波并不像实验预想的那样传播。这些异常传播的出现是由于大气并不是像传播定律假设的那样理想匀质。由于大气层的水汽分布不均，大气中的折射指数垂直分布并不像理想大气中的那样简单的随高度的升高而增大（如图 1-1 所示），这就使得电磁波在大气中的一定高度传播时会发生弯折。当弯折的曲率大于地球表面的曲率时，电磁波会在这个厚度的大气层中来回反射地向前传播，这种传播称为电磁波的波导传播，这段一定厚度的特殊大气层称为大气波导层。一方面由于大气波导层的存在，无线电（如雷达等）系统会出现盲区，如图 1-1 所示。另一方面电磁波波导传播损耗要远远小于一般的空气传播，因此电磁波在大气波导中传播能达到很远的距离，即能够探测到普通大气探测距离以外的目标，这种探测被称为超视距探测。

示意图,大气折射,电磁波传播,基本类型

不同折射类型大气中的电磁波传播示意图。表 2-1 大气折射基本类型及其存在条件折射类型负折射无折射标准折射超折射临>0 0 -0.079~0 -0.157~-0.079 ->0.157 0.157 0.079~0.157 0~0.079 2-10）可知，大气折射指数垂直梯度dZdN或大气度、相对湿度以及大气压力的垂直梯度有关。一递减率越大、湿度递减率越大，发生大气波导的
【学位授予单位】：国家海洋技术中心
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P732;P714.2

【参考文献】