对流层散射传播机制与特性分析VIP专享VIP免费

2010年第1期空间电子技术SPACEELECTRONICTECHNOLOGYl对流层散射传播机制与特性分析李引凡(重庆通信学院军事信息工程系，重庆400035)摘要文章从对流层的一般特性入手，介绍了目前对流层散射传播机制研究的三种主要理论模型，分析了对流层散射传播所具有的一系列突出优点，同时重点讨论了传输损耗特性和衰落特性，并提出了克服其不足的有效措施，最后对未来的研究重点进行了展望。关键词对流层散射传播大气湍流1对流层概述地球大气层一般可分为电离层、平流层和对流层。对流层下界与地面相接，上界即对流层顶(与平流层的交界处)一般定义为温度不再随高度增加而下降之处，中纬度地区平均高度为10～12kin，低(高)纬度地区较高(低)些，且一般夏季高于冬季。对整个大气圈而言，对流层只是很薄的一层，但它集中了90％的大气质量，主要天气现象如风雨、雷电、云雾等都发生在这一层。对流层的主要特征有：(1)温度随高度升高而降低因为大气不能吸收太阳短波辐射，但地面能吸收太阳辐射而升温并放出长波辐射，大气主要通过吸收地面的长波辐射和通过对流、湍流等方式从地面吸收热量才能升温，因而，越接近地面的大气得到的热量越多，造成对流层的气温随高度升高而降低，平均每上升100m，气温约降低0．65oC。(2)有强烈的垂直混合低层空气由于从地面得到热量而上升，高层冷空气下沉，导致逆温现象，造成对流层内存在强烈的垂直混合作用。热带地面温度高，垂直混合能到很高的高度，对流层顶高度高；极地地面温度低，垂直收稿日期：2008—05—13；修回日期：2008—06—30混合作用弱，对流层顶高度低。(3)气象要素水平分布不均匀由于各地纬度和地表性质的差异，地面的受热不均，地面上空空气在水平方向上具有不同物理属性，压强、温度、湿度等气象要素水平分布不均，导致发生大气环流，从而产生各种天气过程。由于对流层的上述特征，造成对流层中分布着大量的不均匀体(或称散射体)，因此，对流层是一种随机不均匀介质。散射体的具体表现为体积、形状、运动速度、温度、压强、湿度等都与周围空气明显不同的涡旋、云团边际和渐变层结等，其折射指数也与周围空气有差异。无线电波通过这种不均匀介质时，除遭受折射外，还被不均匀体再次辐射，即对流层散射。2对流层散射传播机制对流层散射现象的发现源于20世纪30年代，在实践中观察到了远远超出视距的超短波、微波信号。众所周知，超短波、微波不可能像短波那样被电离层反射进行超视距传播，而即使考虑地球表面的绕射，超短波和微波的传播距离也不可能超出视距太多。因此，有人用大气波导之类的偶然因素来解释这种超短波、微波超视距传播，但随后的研究否定了这种理论。于是，人们提出了新的传播机制来解释这种现象，即对流层散射传播机制。2空间电子技术2010年第1期但是，对流层散射传播机制具体是什么并没有一个定论，人们通过构造各种理论模型来解释这种传播，使理论模型得出的数据尽可能地与实测数据相符。到目前为止，已经提出的机理主要有湍流非相干散射(散射理论)、不规则层非相干反射(多模理论)和稳定层相干反射(反射理论)三种。这里首先了解大气物理中的一些相关概念，再引出对流层散射传播的这三种机制。2．1大气湍流大气湍流是大气中的一种重要运动形式，它的存在使大气中的动量、热量、水气和污染物的垂直和水平交换作用明显增强，远大于分子运动的交换强度。大气湍流的存在同时对光波、声波和电波在大气中的传播产生一定的干扰作用。大气湍流的发生需具备一定的动力学和热力学条件：其动力学条件是空气层中具有明显的风速切变；热力学条件是空气层必须具有一定的不稳定度，其中最有利的条件是上层空气温度低于下层的对流条件，在风速切变较强时，上层气温略高于下层，仍可能存在较弱的大气湍流。理论研究认为，大气湍流运动是由各种尺度的涡旋连续分布叠加而成。其中，大尺度涡旋的能量来自平均运动的动量和浮力对流的能量；中间尺度的涡旋能量则保持着从上一级大涡旋往下一级小涡旋传送能量的关系；在涡旋尺度更小的范围内，能量的损耗起到了主要的作用，因而湍流涡旋具有一定的最小尺度。在大气边界层内，可观测分析到最大尺度涡旋约为1k...