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浮空式自组网大气波导测量系统

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雷达是利用目标对电波的散射实现探测的,不均匀大气引起的电波折射效应使得电波传播轨迹发生弯曲。当大气折射率满足大气波导产生条件时,电磁波的传播将被限定在大气波导层内。此时电磁波传播的能量衰减很小,且可克服地球曲率的影响,传播距离远大于视在距离,因此可实现雷达超视距探测。目前,利用大气波导实现雷达超视距探测已成为扩大雷达探测范围的有效手段之一,也是雷达领域研究的热点问题之一。要实现雷达超视距探测,首要问题是对大气波导的特***息进行测量。由于现有的大气波导预测模型和常采用气象仪器进行实时测量的精度较差,并且也无法达到在线测量的精度要求,使得利用大气波导进行雷达超视距探测始终处于理论研究阶段,无法满足现实应用需求,因此急需研制高精度的大气波导测量系统。本文根据大气波导测量系统研制的研究课题的要求,对基于微波谐振腔的大气波导测量系统中的电路进行了设计、和实现。大气波导能否存在取决于大气折射率梯度,因此大气波导测量系统测量的特***息主要是大气中不同位置上的大气折射率。首先介绍了大气波导的环境特征和一般测量方法,在此基础上给出了可实现高精度在线测量大气折射率的大气波导测量系统的原理、组成和主要技术指标。然后对组成大气波导测量系统的各个电路单元,如晶体振荡器、中放电路、鉴相积分控制电路以及PLL频率合成器电路等进行了详细设计,同时对设计的电路进行了、优化和制作。后,将研制的各个电路单元与微波谐振腔一起组成大气波导测量系统,并进行联机性能测试和精度检验。

大气波导的形成

影响大气环境中电磁波传播特性的主要大气因子是大气折射指数。当近地层存在越显著的逆温和随高度减少越迅速的水汽压，则越容易形成超折射。这时由于射线的曲率大于地球表面的曲率，射线传播路径会向地球一侧弯曲，经地面产生反射后继续向前传播，继而又弯向地面，一致重复这个过程，便形成大气波导。大气波导的形成主要分为3种类型：蒸发波导、表面波导和抬升波导。

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第1种波导主要形成于海洋上空 [2] 。（1）蒸发波导：蒸发波导是海洋大气环境中常出现的一种特殊表面波导，它是由于海面水汽蒸发是近海面小范围内大气湿度随高度锐减而形成的。（2）表面波导：表面波导是下边界与地表相连的大气波导。表面波导一般出现在大气较稳定的晴好天气条件下，此时低层大气存在一个较稳定的逆温层，且湿度随高度递减。（3）抬升波导：抬升波导是下边界悬空的大气波导。抬升波导下边界高度一般距地面数十米或数百米，在此高度上一般存在一个逆温层。大气波导发生的大气层即为大气波导层。官莉等 [3] 研究表明，边界层中的电磁波若要形成波导传播，必须满足4个基本条件：（1）近地层或边界层某一高度处必须存在大气波导层。（2）电磁波的波长必须小于大陷获波长（频率高于低陷获频率）。（3）电磁波发射源必须位于大气波导层内。对于抬升波导，有时电磁波发射源位于波导底下方时，也可形成波导传播，但此时发射源必须距波导底不远，且波导必须非常强。（4）电磁波的发射仰角必须小于某一临界仰角。

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