電磁波在大氣波導環(huán)境中的傳播特性及其應用研究.pdf

1、大氣波導是由于大氣表面層折射指數(shù)隨高度迅速下降而形成的一種區(qū)別于標準大氣的異常大氣結構，它能夠使電波射線向下彎曲的曲率大于地球表面的曲率，從而將電磁能量陷獲在波導結構內形成大氣波導傳播。特別是在貼近海面的幾十米高度空間內，大氣表面層內海水與大氣的雙重交互作用使得大氣結構變化更加劇烈，蒸發(fā)波導就是頻繁出現(xiàn)在海洋環(huán)境中的一種大氣波導形式。大氣波導傳播現(xiàn)象的出現(xiàn)不僅可以使電磁波偏離原來的傳播方向，而且能夠使電磁波以較小的衰減沿波導傳播到視距以

2、外很遠的地方，嚴重影響了雷達、通信、偵察等基于電磁傳播的無線電武器系統(tǒng)。如何充分利用大氣波導傳播這一現(xiàn)象來提高電子系統(tǒng)的工作效能，同時如何有效克服大氣波導傳播給電子系統(tǒng)性能帶來的負面影響，使大氣波導環(huán)境中電磁波的傳播特性及其在雷達、通信等問題中的應用研究具有重要的理論意義和實用價值。
　　 本文在大氣波導的環(huán)境特性參數(shù)描述及預測預報技術、大氣波導中電磁波的傳輸特性及其在雷達、通信中的應用等方面進行了研究，主要工作內容及取得的成果

3、如下：
　　 (1)研究了大氣波導的形成、參數(shù)特征以及大氣波導對電磁波傳播的影響；分析了幾種大氣波導環(huán)境的預測預報技術，并對我國大氣波導環(huán)境的試驗測量以及環(huán)境特性進行了研究；利用大氣邊界層理論研究了蒸發(fā)波導環(huán)境中不同大氣層結的修正折射率剖面以及理論分析研究中常用的幾種修正折射率剖面參數(shù)模型，并對利用雷達海雜波反演大氣波導中修正折射率的理論方法進行了分析。
　　 (2)幾何光學理論是高頻近似條件下描述電磁波傳播問題的有效方

4、法，本文利用射線描跡技術對標準大氣、蒸發(fā)波導環(huán)境中的電波射線傳播路徑進行了分析，針對大氣波導環(huán)境中雷達目標探測中的實際問題，利用射線描跡技術對視在距離、視在仰角、視在高度與目標高度間的關系進行了研究，并將大氣波導環(huán)境中視在距離、視在仰角、視在高度的誤差與標準大氣中的誤差進行了比較。射線描跡技術快速、直觀、形象地說明了大氣波導環(huán)境中電波射線彎曲以及超視距傳播特征，并有助于大氣波導環(huán)境中雷達目標探測的誤差修正。
　　 (3)系統(tǒng)分析

5、了完全可導光滑邊界情形的標準拋物型方程及傅立葉分步算法(FSS)，并對不規(guī)則地形環(huán)境中拋物型方程的平化坐標變換及有限可導邊界條件的混和傅立葉分步算法(MFT)進行了深入研究，有效解決了大氣波導環(huán)境中電波傳播的重點、難點問題，即在大氣折射指數(shù)水平分布不均勻、粗糙海面、不規(guī)則地形等復雜環(huán)境中的電波傳播理論和解決方法。根據(jù)天線理論分析了輻射場問題中方向性函數(shù)與天線孔徑分布函數(shù)的關系，并對適于大氣波導環(huán)境中電波傳播的低旁瓣、窄波束的波束成形方法

6、進行了初步研究。針對雷達探測中關注的重點問題，利用拋物型方程的傅立葉分步算法以及電波傳播理論的傳輸損耗分析，研究了天線高度、天線發(fā)射仰角、波導高度等因素對蒸發(fā)波導環(huán)境中雷達探測性能的影響。通過利用海浪譜實現(xiàn)了一維粗糙海面的Monte Carlo仿真；采用小波分析方法有效消除了不規(guī)則地形的刃形結構，極大地擴展了利用拋物型方程進行精確求解的雷達探測范圍；分析了粗糙海面對波導環(huán)境中電波傳輸損耗的影響、不規(guī)則地形中的電波傳播等復雜地形環(huán)境中電波

7、傳播的重點、難點問題，從而使拋物型方程方法成為解決非均勻大氣環(huán)境、不規(guī)則地形環(huán)境中電磁波傳播問題的有效算法。
　　 (4)針對海上大氣波導環(huán)境中雷達目標的識別，提出了蒸發(fā)波導中基于零記憶非線性變換(ZMNL)的海雜波實現(xiàn)方法。該方法確定了海雜波K分布參數(shù)與蒸發(fā)波導高度間的關系，得到了不同蒸發(fā)波導高度、不同探測距離處的相關K分布雜波序列。應用零記憶非線性變換(ZMNL)方法產生雜波序列的仿真實驗證明了該方法用于蒸發(fā)波導中海雜波建模

8、的有效性。
　　 (5)利用我國東南沿海海域夏季微波超視距通信的外場測試數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了測試信號的中值電平、衰落幅度、衰落深度、概率分布及信道可靠度，結果表明信號衰落幅度的日變化與我國海上蒸發(fā)波導高度的日變化具有顯著的相關性。通過信道傳輸損耗理論值、測試值以及通信系統(tǒng)設備能力的比較，結合我國東南沿海蒸發(fā)波導環(huán)境，提出微波信號在海上的超視距傳播途徑主要為海上蒸發(fā)波導傳播。
　　 (6)針對大氣波導環(huán)境中電磁波的多徑傳播特性

9、，根據(jù)容量有限的Markov生滅過程得到了大氣波導中到達接收站的射線徑數(shù)；利用差分時延試驗數(shù)據(jù)的近似瑞利分布提出了大氣波導中的三參數(shù)模型，并通過最小方差準則確定了模型參數(shù)；利用MUSIC算法對多徑到達角進行最佳估計，數(shù)值仿真結果表明MUSIC算法極大地提高了到達角位置處的信噪比。根據(jù)以上參數(shù)提出了多特征路徑信道模型，通過分析多特征路徑信道模型多個時延周期散射分量與多徑子特征路徑散射分量之間的關系，得到了基于多徑信號比(SMR)的子特征路