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大氣環(huán)境對動態(tài)RCS測量的影響分析

王睿張銳娟
（中國飛行試驗研究院，陜西西安710089）

【摘 要】大氣傳輸所引起的電磁波能量衰減會在動態(tài)RCS測量過程中引入誤差，且測試頻率越高、距離越遠(yuǎn)，誤差影響越大。本文利用基于自諧振譜線的電磁波大氣衰減模型，通過研究不同氣象條件下，特定頻率的大氣衰減變化，分析大氣環(huán)境對RCS測量的影響程度，并據(jù)此提出動態(tài)RCS測量的試驗環(huán)境要求。

【關(guān)鍵詞】大氣衰減動態(tài)RCS測量環(huán)境因素

1　引言

電磁波在傳輸過程中，由于受到對流層中大氣折射、分子吸收、散射等因素的影響，造成電磁波能量衰減，從而在動態(tài)RCS測量過程中引入測量誤差。為了在測量過程中盡可能提高動態(tài)RCS測量精度，本文利用累加氧氣和水蒸汽各自諧振線的方法，研究不同氣象條件下，特定頻率的大氣衰減變化及其對RCS測量的影響程度，并提出動態(tài)RCS測量的試驗環(huán)境要求。這對于選擇合適的動態(tài)RCS測量試驗條件，提高測試精度具有重要的指導(dǎo)意義。

2　對流層大氣環(huán)境特點分析

大氣層按氣溫的垂直分布特征可分為對流層、平流層和中間層［1］。動態(tài)RCS測量主要在對流層內(nèi)開展，在該區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)大氣中，氣溫、氣壓隨高度升高而降低，平均氣溫梯度約為-6.5℃/km，水蒸汽密度隨高度增加而呈指數(shù)減小。我國是一個幅員遼闊，地形、氣候復(fù)雜的國家，加上復(fù)雜多變的地形地貌及太平洋季風(fēng)和西伯利亞寒流，使得我國廣大地區(qū)四季分明［2］。

3　大氣環(huán)境對RCS測量的影響分析

對流層的大氣吸收是水蒸氣分子和氧氣分子間發(fā)生量子諧振引起的［3］，吸收產(chǎn)生的大氣衰減率與大氣壓力、大氣溫度以及水蒸氣密度等氣象參數(shù)密切相關(guān)。下面基于國內(nèi)平均氣象條件，利用基于自諧振譜線的電磁波大氣衰減模型，詳細(xì)分析濕度、溫度、壓力等氣象條件對大氣衰減的影響。

3.1濕度對電磁波大氣衰減的影響

濕度是表示大氣干燥程度的物理量，工程上常用相對濕度U來表征，其與水蒸汽壓力e滿足如下關(guān)系：

式中，t為溫度，單位℃；P為壓力，單位hPa；U相對濕度，單位%；EF按照溫度有效范圍可分段計算，a、b、c為經(jīng)驗系數(shù)，具體取值可參考文獻。

基于我國平均氣象條件，不考慮溫度、壓力的變化，濕度對電磁波傳輸過程中產(chǎn)生的大氣衰減的影響很大，具體表現(xiàn)為如下幾個方面：

圖1　不同頻率在不同季節(jié)下的大氣衰減（θ= 5°）

（1）在相同條件下，濕度越大電磁波傳輸過程中產(chǎn)生的大氣衰減損耗越嚴(yán)重，當(dāng)相對濕度由30%增加至50%時，電磁波的大氣損耗將提高23%～36%；當(dāng)相對濕度增加至70%時，電磁波大氣損耗將提高54%～64%；

（2）由于高空氣中水蒸汽密度不斷降低，導(dǎo)致濕度對電磁波大氣衰減的影響逐步減小，高度越高，影響就越小；

（3）電磁波頻率小于1GHz時，大氣衰減系急劇下降，且與空氣濕度無關(guān)。

3.2溫度、壓力對電磁波大氣衰減的影響

以國內(nèi)平均氣象條件中溫度、壓力變化為輸入，假設(shè)空氣相對濕度U=30%時，溫度和壓力對電磁波傳輸過程中產(chǎn)生的大氣衰減影響如下：

（1）當(dāng)頻率小于6.7GHz時，冬季電磁波大氣衰減比夏季略高0. 1dB，此時電磁波大氣衰減系數(shù)與氣壓成遞增關(guān)系，氣壓對電磁波大氣衰減的影響較為顯著；

（2）當(dāng)頻率大于6.7GHz時，夏季電磁波衰減最高，冬季最低，且頻率越高（f＜22GHz），兩者差異越大，此時溫度對電磁波大氣衰減的影響較為顯著，電磁波大氣衰減系數(shù)與溫度成遞增關(guān)系。

3.3綜合氣象環(huán)境對RCS測量的影響

為了綜合分析大氣環(huán)境對電磁波大氣衰減的影響，以國內(nèi)1月、4月、7月和9月平均氣象參數(shù)為輸入，利用基于自諧振譜線的電磁波大氣衰減模型計算1GHz、30GHz在不同季節(jié)下對應(yīng)的大氣衰減系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，利用射線追蹤算法，給出四種頻點在不同季節(jié)下對應(yīng)的總的大氣損耗變化，具體仿真結(jié)果見圖1。

由圖1分析可知，當(dāng)雷達(dá)工作在低頻段時，夏季電磁波大氣衰減低于冬季，兩者相差小于0.1dB。隨著雷達(dá)工作頻率的升高，大氣溫度和濕度對電磁波大氣衰減的影響越發(fā)明顯，導(dǎo)致夏季電磁波衰減高于冬季。當(dāng)雷達(dá)工作頻率增高到30GHz時，兩者之間的差異將增大至8dB左右。

綜上所述，大氣環(huán)境對電磁波衰減具有很大影響，且頻率越高受氣象影響越嚴(yán)重。通常在冬季溫度越低、濕度越小，大氣衰減越??；反之，夏季溫度越高、濕度越大，大氣衰減越嚴(yán)重。因此為了降低大氣損耗對動態(tài)RCS測量精度的影響，應(yīng)盡量選擇在低溫、低濕度的條件下進行測試，同時要避免云層等因素的影響。

4　結(jié)語

本文在對國內(nèi)平均氣象環(huán)境進行分析的基礎(chǔ)上，利用基于自諧振譜線的電磁波大氣衰減模型，定量分析了濕度、溫度、氣壓對電磁波大氣衰減系數(shù)的影響，并在此基礎(chǔ)上利用射線追蹤算法給出了不同頻率在不同季節(jié)下的大氣衰減量值，詳細(xì)分析了大氣環(huán)境對RCS測量的影響程度，并據(jù)此提出動態(tài)RCS測量的試驗環(huán)境要求。這對于選擇合適的動態(tài)RCS測量試驗條件，提高測試精度具有重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

［1］GJB 5601-2006中國參考大氣［S］，2006.

［2］焦培南，張忠治編著.雷達(dá)環(huán)境與電波傳播特性［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［3］Merrill I.Skolnik主編，王軍等譯.雷達(dá)手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.