海洋上大气波导中电磁波传播损耗的误差分析和敏感性试验

　　电磁波在大气环境中传播,不仅会受大气环境中气体分子和气溶胶粒子的吸收、散射所造成的衰减影响,还受大气折射影响。负折射、超折射和陷获折射等异常折射会引起电磁波出现异常传播现象[1]。尤其在陷获折射条件下,电磁波会部分被捕获在一定厚度的大气层内,上下气层来回反射向前传播,形成大气波导传播[2]。波导在海洋环境中几乎能够发生在任何时间、任何海域中,这使无线电等系统在实际海上工作时不能忽略大气波导的影响。传统电磁波传播损耗评估的方法一般是将海平面作为理想导体,未考虑海平面的实际情况。国内已开展了大气波导的机理、监测以及统计等方面的研究,而波导环境变化导致电磁波传播损耗变化的敏感性研究工作还不多。相比之下国外在这方面的研究工作要远领先于国内,如美国海军研究生院P.Gerstoft[3]等对波导参数变化导致电磁波传播损耗变化的敏感性进行了研究,并估计发生波导条件下的大气折射率结构。

　　1　海洋波导的经验模型和电磁波传播的模型

　　1.1　海洋波导的经验模型

　　在海洋环境中通常可出现3种类型的大气波导:蒸发波导、表面波导和抬升波导。其中,抬升波导较高(下边界距地面数十米或数百米)对舰载雷达影响较小,而前两种大气波导的下边界均与海面相连,对舰载雷达影响较大,特别是蒸发波导是海洋大气环境中经常出现(发生概率为70%以上)的一种特殊的表面波导,它一般发生在40 m高度下的近海面大气中,因此对舰载雷达的影响最大。蒸发波导是由于海面水汽蒸发使得海面上很小高度范围内的大气湿

　　度随高度锐减,进而使大气折射指数自海面向上迅速减小而形成的。表面波导是下边界与地表相连的大气波导,一般发生在300 m高度以下的边界层大气中。表面波导的一个显著特点是波导顶的大气修正折射指数小于地面的大气修正折射指数。抬升波导是下边界悬空的大气波导,一般发生在3 km高度以下的对流层低层大气中,它通常是由一个悬空陷获层叠加到一个悬空基础层之上而构成。

　　海洋大气波导经验模型的建立采用美国提出的五参数的经验模型,详细见文献[3],如图1所示。选用的5个参数分别为:蒸发波导厚度δ、波导底的高度zb、混合层的斜率c1、表面波导的厚度zthick、表面波导所对应的负的折射指数Md。

　　1.2　电磁波传播的数值模型

　　电磁波传播的波动方程——Helmholtz方程可以用地型抛物方程进行近似[4]。这种近似利用了全

　　波、前向散射模型,对任意折射率梯度结构下电磁波的传播进行描述。地型抛物方程的优点是:可以对非均匀大气环境(大气折射率在传播路径上随距离和高度变化)下的电磁波传播进行有效的模拟;在视距以内、附近以及超视距的距离上都具有良好的模拟效果和稳定性。