基于多波長激光探測(cè)海洋大氣波導(dǎo)機(jī)理及實(shí)驗(yàn)研究

吳榮華,李勝勇,任席闖

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033,2.91001部隊(duì))

1 引 言

大氣波導(dǎo)由于具有能夠顯著影響無線電系統(tǒng)覆蓋范圍等使用效能的特性,使得其具有重要的軍事和民用應(yīng)用價(jià)值,一直是世界強(qiáng)國關(guān)注的熱點(diǎn)問題。在軍事應(yīng)用上,海上大氣波導(dǎo)環(huán)境對(duì)海上作戰(zhàn)至關(guān)重要,可以影響艦載和機(jī)載雷達(dá)、偵察、電子對(duì)抗和通信裝備的效能,進(jìn)而直接影響海上超視距打擊、防空反導(dǎo)的能力,是指揮人員制訂作戰(zhàn)預(yù)案必須考慮和掌握的海上環(huán)境因素；在民用應(yīng)用上,大氣波導(dǎo)可以影響移動(dòng)通信系統(tǒng)傳輸能力、通話質(zhì)量等指標(biāo),也可使民用船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)、廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)(ADS-B)等關(guān)乎民用交通安全的設(shè)備發(fā)生性能增效或降能現(xiàn)象[1-3]。

受環(huán)境條件影響形成的大氣湍流也會(huì)存在于低空大氣波導(dǎo)中,并可以造成大氣修正折射率隨機(jī)變化的混沌現(xiàn)象,進(jìn)而會(huì)造成在低空大氣波導(dǎo)中傳播的電磁能量泄露和電波傳播損耗的隨機(jī)起伏,使雷達(dá)等電子設(shè)備性能發(fā)生變化。海洋大氣波導(dǎo)的非均勻性、湍流擾動(dòng)性使得在研究低空大氣波導(dǎo)時(shí)不能簡(jiǎn)單地將其認(rèn)為是均勻、無擾動(dòng)的氣層[4-6]。

利用激光探測(cè)大氣波導(dǎo)的技術(shù)在國內(nèi)外文獻(xiàn)中有發(fā)表,但其基本方法均是利用激光雷達(dá)分別測(cè)量大氣溫度、濕度,然后計(jì)算大氣折射率剖面來作為波導(dǎo)判據(jù)。美國R.Hivey,J.Rosenthal等人從1994年起在這方面做了研究。美國海軍Paul A.Frederickson等人進(jìn)行了RED實(shí)驗(yàn),在13 m高度發(fā)射,接收在夏威夷主島瓦胡島。美國和荷蘭海軍支持,A.M.J van Eijk和G.J.Kunz等人在2001年開發(fā)了Electro-Optical Signal Transmission and Ranging軟件以研究海面光傳輸特性的折射、湍流和吸收效應(yīng)。本文采用基于激光探測(cè)大氣波導(dǎo)新技術(shù)方法,開展對(duì)激光回波信號(hào)進(jìn)行分析以實(shí)習(xí)海洋大氣波導(dǎo)遙感探測(cè),該技術(shù)能夠?qū)嵙?xí)全方位、高實(shí)時(shí)、高靈活和高保密性等優(yōu)點(diǎn),能夠很好滿足海洋大氣環(huán)境波導(dǎo)探測(cè)的應(yīng)用需求[9-11]。

2 理論數(shù)據(jù)模型與處理算法分析

2.1 激光大氣傳輸衰減理論計(jì)算分析

在低空海洋的大氣環(huán)境中,光的傳輸特性中散射占主導(dǎo)作用,吸收起相對(duì)次要作用。因此通常認(rèn)為在距離為RV公里范圍大氣對(duì)波長為λ0輻射的透過率由散射決定[7-8]:

τs(λ0,RV)=exp[-δ(λ0)·RV]

(1)

根據(jù)公式(1)能夠推出得到波長λ0的散射系數(shù)σ(λ0)與RV的關(guān)系式:

(2)

在近紅外波段范圍內(nèi),波長為λ的散射系數(shù)可以由下式得到:

(3)

結(jié)合一些實(shí)際研究中實(shí)測(cè)的豐富數(shù)據(jù),對(duì)公式(3)中參數(shù)q值計(jì)算表達(dá)式采取了區(qū)間分段修正,分段函數(shù)細(xì)化后,盡量使得結(jié)果更為精確,修正分段函數(shù)表達(dá)式為[3]:

(4)

2.2 高分辨率激光斷層測(cè)量理論建模分析

通過激光雷達(dá)主動(dòng)發(fā)射的激光束,在海洋大氣中傳播同時(shí)被其大氣氣溶膠散射,采用高采樣率、高分辨率和寬頻帶的激光遙感探測(cè)系統(tǒng)對(duì)不同距離上的能量回波信號(hào)進(jìn)行采樣處理分析,得到實(shí)時(shí)和高精度的大氣相關(guān)光學(xué)參數(shù),結(jié)合激光雷達(dá)方程能夠獲取距離為z1,z2兩個(gè)相鄰采樣點(diǎn)上信號(hào)回波幅度分別為:

(5)

(6)

在實(shí)際應(yīng)用中所采取的采樣間隔通常非常小,因此認(rèn)為存在下面的關(guān)系公式:

β(z1)=β(z2)

(7)

T(z)=exp(-σz)

(8)

結(jié)合公式(5)、(6)、(7)、(8)能夠推導(dǎo)得出在海洋大氣中的水平消光系數(shù)σ:

(9)

在海洋大氣環(huán)境中垂直方向的光學(xué)厚度為:

(10)

在垂直方向上的大氣光學(xué)厚度進(jìn)行對(duì)高度z求導(dǎo),能夠推到得出在各個(gè)高度上的消光系數(shù)為:

(11)

2.3 折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)的時(shí)間和空間分布

根據(jù)激光雷達(dá)方程中參數(shù)特點(diǎn),將其分解成平均量和脈動(dòng)量[4-7]為:

(12)

同時(shí)將其代入激光雷達(dá)方程中,推倒得出:

(13)

光波波段的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)時(shí)間分布函數(shù)為:

(14)

光波波段的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)空間分布函數(shù)為:

(15)

3 激光探測(cè)大氣波導(dǎo)實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)上面的研究思路,我們?cè)偻ㄟ^詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析研制了用于大氣波導(dǎo)探測(cè)試驗(yàn)用的激光雷達(dá)設(shè)備,該激光雷達(dá)設(shè)備使用后向散射測(cè)量的方法,運(yùn)用高分辨率激光斷層回波信號(hào)以建模計(jì)算海洋大氣環(huán)境的衰減參數(shù),進(jìn)而分析計(jì)算與大氣波導(dǎo)相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)。該激光雷達(dá)設(shè)備系統(tǒng)采用脈沖激光器、接收望遠(yuǎn)鏡和信號(hào)檢測(cè)控制處理系統(tǒng)三個(gè)基本模塊化設(shè)計(jì),設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 激光雷達(dá)測(cè)試儀主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The principal technical indicators of laser tester

針對(duì)海洋大氣環(huán)境下蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生的關(guān)鍵因素是由于大氣濕度隨著高度的急劇下降,為了證明利用本文新的激光探測(cè)海洋大氣波導(dǎo)技術(shù)可行性,我們主要的試驗(yàn)思路是利用探空氣球搭載自主研制大氣溫濕度測(cè)量?jī)x器系統(tǒng),該系統(tǒng)采用無線傳輸?shù)臏囟葌鞲衅骱蜐穸葌鞲衅?在南海某特定海區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量,具體試驗(yàn)方案是選擇海洋大氣濕度隨高度變化劇烈的海區(qū)進(jìn)行試驗(yàn),采用探空氣球測(cè)量與激光雷達(dá)實(shí)時(shí)同步測(cè)量以比對(duì)數(shù)據(jù)的真實(shí)可行性,同時(shí)獲取測(cè)量特定海區(qū)的折射率高度剖面數(shù)據(jù)和圖。

同時(shí)利用以上同步測(cè)量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論建模計(jì)算,分析獲取與之相對(duì)應(yīng)的海洋大氣氣象條件下的實(shí)際測(cè)量海洋大氣消光系數(shù)、溫濕度以及能見度等參數(shù)之間的數(shù)據(jù),通過多波長反演理論計(jì)算得到其他多波長的反演計(jì)算數(shù)據(jù),其中波長分別為λ1=0.532 μm,λ2=0.860 μm,λ3=1.060 μm,選取實(shí)際測(cè)量的實(shí)驗(yàn)用激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)λ3=1.060 μm作為基礎(chǔ)反演其他波長的數(shù)據(jù),結(jié)果如表2所示。

表2 激光雷達(dá)多波長測(cè)量反演試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Inversion data of lidarmultiwavelength measurement

采用上述自主設(shè)計(jì)的探空氣球溫度濕度測(cè)量系統(tǒng)和大氣波導(dǎo)激光雷達(dá)探測(cè)設(shè)備同步獲取的特定海區(qū)的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù),對(duì)兩者的實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算和處理,結(jié)合同時(shí)出現(xiàn)海洋環(huán)境下大氣波導(dǎo)的探空氣球數(shù)據(jù)和激光探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行波導(dǎo)預(yù)測(cè)的判據(jù)比對(duì)分析,詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果和剖面圖如表3和圖1,圖2所示。

表3 特定海區(qū)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.3 Specific sea area survey data

圖1 海面溫度、濕度、折射率剖面圖Fig.1 The profile of temperature,humidity and refractivity near sea surface

圖2 光波段與雷達(dá)波折射率比較Fig.2 Comparison of optical and radar refractivity

根據(jù)以上激光雷達(dá)設(shè)備獲取的海洋大氣環(huán)境的高分辨率斷層回波信號(hào)用斜程數(shù)據(jù)計(jì)算垂直高度的消光系數(shù),根據(jù)激光光波段的消光系數(shù)高度曲線和常規(guī)雷達(dá)波段的修正折射指數(shù)曲線,兩者在曲線拐點(diǎn)的修正折射指數(shù)拐點(diǎn)高度具有相似一致性。該結(jié)論分析表明,由于在海洋大氣環(huán)境下海上近洋面不同海況風(fēng)浪等因素影響,海洋大氣水氣分子源源不斷的融入到大氣中,致使近海面濕度非常高,同時(shí)疊加了海面上溫度劇烈變化,從而造成了海上近洋面霧氣層結(jié),在海上試驗(yàn)測(cè)試同步獲取了典型海面霧氣層結(jié)構(gòu),近海面這種明顯的霧氣層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的分層邊界,同時(shí)對(duì)激光雷達(dá)測(cè)量的激光回波信號(hào)傳輸形成較大影響,造成消光系數(shù)產(chǎn)生波動(dòng)變化。在分界層結(jié)構(gòu)的下層存在大氣氣溶膠濕度高同時(shí)致使消光系數(shù)較大,而在分層結(jié)構(gòu)的上層由于大氣氣溶膠濕度相較較小致使消光系數(shù)偏小,以上測(cè)量數(shù)據(jù)分析結(jié)論與通過建模仿真具有很好的一致性。

4 總 結(jié)

本文采用理論建模與試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的技術(shù)對(duì)海洋非均勻大氣介質(zhì)中多波長激光傳輸進(jìn)行分析研究,給出了利用單波長激光反演多波長激光傳輸衰減特性的理論建模與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果,進(jìn)而應(yīng)用于多波長激光探測(cè)海洋大氣波導(dǎo)機(jī)理與試驗(yàn)之中,分析了出現(xiàn)大氣波導(dǎo)時(shí),對(duì)光波段傳輸影響的主要因素,在此基礎(chǔ)上分別對(duì)出現(xiàn)大氣波導(dǎo)的兩種情況,即隨高度升高出現(xiàn)大氣逆溫和濕度銳減,對(duì)光波段的傳輸影響進(jìn)行了分析。理論計(jì)算與試驗(yàn)仿真結(jié)果表明,出現(xiàn)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象與無波導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí),光波段的傳輸效果也有明顯差別,處于海洋大氣環(huán)境下波導(dǎo)產(chǎn)生的關(guān)鍵因素是濕度變化產(chǎn)生的,在濕度層的分界面上光波段的消光系數(shù)出現(xiàn)拐點(diǎn),實(shí)驗(yàn)分析初步表明用激光探測(cè)大氣波導(dǎo)尤其是海上蒸發(fā)波導(dǎo)的可行性。