1雷达电磁波的波导传播及其射线追踪模拟1何宇翔肖辉古金霞顾松山刘术艳中国科学院大气物理研究所北京100029摘要本文讨论了影响大气波导形成的气象因子进而推导出电磁波波导传播的波长频率范围和电磁波的发射角度的范围得出形成电磁波波导传播的必要条件利用电磁波波导传播的射线方程模拟追踪了电磁波的波导传播此方法有利于对雷达探测回波分布的分析关键词电磁波波导传播射线追踪引言第二次世界大战以来雷达已在许多领域得到广泛的应用然而人们在利用雷达进行探测时经常会发现一些电磁波的异常传播现象其中一种显著的现象是在一定的气象条件下在大气边界层尤其是在近地层中传播的电磁波受大气折射的影响其传播轨迹弯向地面当其曲率超过地球表面曲率时电磁波就会部分的被陷获在一定厚度的大气薄层内这种情形就像电磁波在金属波导管中传播一样这种现象称为电磁波的大气波导(duct)传播形成波导传播的大气薄层称为大气波导层低空大气波导的出现可使陷获其中的电磁波以较小的损耗(和自由空间中的衰减量级相同)沿大气波导传播所以会对通讯系统和探测系统造成严重影响在雷达探测中它会导致雷达空洞的产生出现雷达盲区造成雷达定位失效甚至目标丢失同时也会增加雷达杂波信号给目标辩识增加困难又由于在合适的频率和发射角下它可以使雷达实现超视距探测从而提供了一种探测雷达视距以外目标的途径随着现代通讯和雷达技术的不断发展无线电频谱得到越来越充分的利用如现代雷达中LXCK波段的雷达已屡见不鲜这样低空大气波导的影响日益显得突出很多雷达上都观察到过由低空大气波导引起的反常强信号或信号中断这时对雷达操作人员来说知道波导何时出现及其是如何影响雷达作用范围的则更为重要1大气波导的产生与气象因子的关系影响电磁波在大气中传播的主要大气因子是大气折射率而大气折射率n或大气折射指数N(N单位)又可表示为大气温度T单位K大气压力P单位hPa和水汽压e单位hPa的函数f(P,T,e),其关系由下式给出[1]610)4810(6.771),,(−×++==TePTeTPfn1)4810(6.7710)1(6TePTnN+=×−=2当电磁波传播距离很短时可以近似认为地球表面是平面但如果电磁波传播的距离较长时就必须考虑地球曲率的影响此时为将地球表面处理成平面使用进行了地球曲率订正的大气修正折射率m和大气修正折射指数M它们的表达式如下1基金项目国家十五科技攻关计划2001BA610A-06-05专题和2001BA904B09课题国家自然科学基金资助项目40333033和40175001,中国科学院Y2003002项目共同资助作者简介:何宇翔男1976年12月生四川南江人硕士20Rhnm+=36061010)1(×+=×−=RhNmM4其中mR6010371.6×=为平均地球半径h单位m为地表以上的高度则式4可写为hNM157.0+=5将式子25分别对高度h求导可得heThPThTTePTdhdN∂∂+∂∂+∂∂+−=223732566.77)9620(6.776157.0+=dhdNdhdM7当大气折射指数垂直梯度单位m-10>dhdN时电磁波的传播轨迹将背着地球而凸起弯曲此时大气为负折射当0=dhdN时电磁波的传播轨迹不发生弯曲沿直线传播此时大气为零折射当0∂∂hT且0<∂∂he或者当hT∂∂和he∂∂两项的综合效果为负值且数值较大时才有可能满足条件0
