高精度大氣折射率測量儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史水娥，高楊，胥帥帥

(河南師范大學(xué) 電子與電氣工程學(xué)院；河南省電磁波工程院士工作站,河南 新鄉(xiāng) 453007)

折射率與物質(zhì)的溫度、濕度、密度、濃度、壓強(qiáng)相關(guān)，當(dāng)其中任意物理量改變時(shí)，都會(huì)引起折射率的改變[1].當(dāng)雷達(dá)電波在大氣環(huán)境中傳播時(shí)，電波射線會(huì)因傳播路徑上大氣折射率的變化而發(fā)生一種彎折效應(yīng).當(dāng)這種彎折效應(yīng)大于某一程度時(shí)，就會(huì)發(fā)生大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象.利用大氣波導(dǎo)不僅可以完成雷達(dá)的超視距探測，而且可以針對(duì)由于大氣波導(dǎo)產(chǎn)生的電磁盲區(qū)采取盲補(bǔ)償策略[2].獲取準(zhǔn)確的大氣折射率是有效利用大氣波導(dǎo)非常重要的一環(huán).

大氣波導(dǎo)的預(yù)測方法由JESKE提出，后來經(jīng)過PAULUS修正.最后將其命名為P-J模式.在隨后的研究中出現(xiàn)多種方法用以確定大氣波導(dǎo)高度，例如MGB模式、LKB模式、COARE算法等.這些方法的基本原理均是利用溫度、相對(duì)濕度、壓強(qiáng)和風(fēng)速來確定大氣波導(dǎo)[3-6]，都會(huì)存在精度不高的問題.此外，伴隨微波遙感技術(shù)的逐漸成熟，美國海軍研究所利用衛(wèi)星遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大氣波導(dǎo)的預(yù)測，同時(shí)許多新的測量方法相繼而出，如利用雷達(dá)海雜波反演大氣折射率剖面的方法、利用電波淹星技術(shù)反演大氣折射率等方法等[7-10].1970年左右，美國研制了微波大氣折射率測試儀用以測量大氣折射率.這套儀器共由兩個(gè)金屬微波諧振腔以及對(duì)應(yīng)諧振腔的微波電路構(gòu)成.但是由于技術(shù)限制，兩個(gè)腔體無法做到完全一致，因此微波大氣折射率測試儀測量精度并不高.伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鎖相技術(shù)也突飛猛進(jìn)，使得微波大氣折射率測試儀的兩個(gè)諧振腔可以由一個(gè)諧振腔所替代，提高了測量精度.現(xiàn)今，如何實(shí)現(xiàn)測量設(shè)備高精度與小型化成為各個(gè)國家研究的重點(diǎn)方向.本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用微波技術(shù)、鎖相技術(shù)與嵌入式技術(shù)研制出高精度、高靈敏度的小型化大氣折射率測量儀.儀器共分為三個(gè)部分，微波部分、頻率解調(diào)部分與數(shù)據(jù)處理部分.主要針對(duì)設(shè)計(jì)的原理進(jìn)行展開，重點(diǎn)描述了測量過程中的信號(hào)走向與微波諧振腔的設(shè)計(jì)過程.通過對(duì)樣機(jī)的測試發(fā)現(xiàn)，高精度大氣折射率測量儀具有高精度與小型化的特點(diǎn)，并且有效的測量到了強(qiáng)度較小的海平面蒸發(fā)波導(dǎo)[11-12].

1 原 理

當(dāng)腔體尺寸固定并充滿氣體介質(zhì)時(shí)，諧振頻率的變化量與介質(zhì)的折射指數(shù)成正比.因此，只要測得諧振腔諧振頻率的變化量，就可以得到大氣折射指數(shù)[16].

2 設(shè) 計(jì)

2.1 微波部分

高精度大氣折射率測量儀主要利用微擾法實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣折射率的測量，為了保證測量的精度，微波諧振腔必須具有很高的Q值.由于大氣折射率主要與溫度、壓強(qiáng)、濕度相關(guān)，其中3 cm波長電磁波對(duì)濕度的反應(yīng)最為敏感，因此微波系統(tǒng)中的諧振腔設(shè)置為中心頻率9.6 GHz， 單模式工作.腔體共由四部分構(gòu)成，上端蓋、下端蓋、腔身、矩形波導(dǎo)，其中上下端蓋完全一致.為了保證氣體可以順利進(jìn)入腔體內(nèi)，在上下端蓋進(jìn)行了開孔設(shè)計(jì)，端蓋模型如圖1所示.

對(duì)于TE111模式，應(yīng)采用磁耦合抑制方法.在腔體側(cè)壁中心開橢圓孔，耦合孔半徑0.3 mm.矩形波導(dǎo)通過這個(gè)橢圓孔對(duì)諧振腔進(jìn)行激勵(lì).由于端蓋開孔，會(huì)帶來漏磁現(xiàn)象.這一現(xiàn)象將直接降低諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q.對(duì)TE011模式下圓柱諧振腔的磁場和電場進(jìn)行分析，在r=0處和r=R處，磁場強(qiáng)度的徑向分量Hr=0,在圓周φ方向上的電流為0.因此，當(dāng)空氣孔設(shè)計(jì)在腔體邊緣時(shí)，可近似為短路狀態(tài).這樣可以保證腔體通風(fēng)，且品質(zhì)因數(shù)衰減小于20%.通過仿真，當(dāng)內(nèi)半徑C=16.25 mm，開孔角度α=105°時(shí)，品質(zhì)因數(shù)最高.

使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)尺寸設(shè)計(jì)好的諧振腔的性能指標(biāo)進(jìn)行測試，得到諧振腔的具體參數(shù)如表1所示.通過諧振腔的性能指標(biāo)可以看出，諧振腔具有較高的Q值，可以滿足實(shí)驗(yàn)的需求.為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，設(shè)計(jì)了如圖2的實(shí)驗(yàn)，分別向腔體內(nèi)沖入室內(nèi)空氣、一氧化碳?xì)怏w、氦氣，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)觀測諧振腔的諧振頻率[21]，結(jié)果如圖3所示.

表1 諧振腔性能指標(biāo)

查閱資料可知，3種氣體的折射率分別為290,298,35，根據(jù)圖3的結(jié)果通過計(jì)算可以得到3種氣體的折射率依次為284.8，296.1，35.4.存在誤差的原因?yàn)闇y試所用的氣體純度不夠，并且VNA測量的精度有限，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)充入不同折射率的氣體時(shí)，諧振頻率確實(shí)發(fā)生了移動(dòng).這確定了設(shè)計(jì)的可行性.

2.2 頻率解調(diào)部分

當(dāng)氣體通過端蓋上的氣孔穿透諧振腔時(shí)，隨著氣體介電常數(shù)的不同勢(shì)必引起諧振腔諧振頻率的變化.因此為了檢測諧振腔的諧振頻率，設(shè)計(jì)了關(guān)于測量腔體諧振頻率的頻率解調(diào)電路[22].如圖4是頻率解調(diào)電路結(jié)構(gòu)示意圖.

根據(jù)注入鎖定理論，諧振腔的諧振頻率很高，但是由于介電常數(shù)變化引起的諧振頻率變化很小，這樣可以視為在諧振頻點(diǎn)上引起了周期性相移，因此只要檢測出諧振腔輸入輸出信號(hào)的相位差，就可以確定諧振頻率的偏移量，從而確定大氣折射率.

整個(gè)頻率解調(diào)電路在功能上相當(dāng)于一個(gè)鎖相環(huán)，核心是壓控振蕩器(VCO).由VCO產(chǎn)生的調(diào)頻波通過功分器將信號(hào)分為兩路，其中一路信號(hào)通過倍頻器倍頻至微波頻段，為諧振腔提供激勵(lì)源，另一路信號(hào)發(fā)送至數(shù)據(jù)處理部分，將在后文中闡述.當(dāng)信號(hào)在腔體中發(fā)生諧振后，由檢波器檢測出攜帶有折射率信息的調(diào)頻波，發(fā)送至HMC984進(jìn)行比相處理.比相的結(jié)果直接反映了諧振頻率的變化量.利用HMC984可以將相位差信息轉(zhuǎn)換為直流電壓.這一直流電壓直接調(diào)控VCO的輸出頻率，由此形成了一個(gè)閉環(huán)跟蹤系統(tǒng).

為了探究設(shè)計(jì)的測量精度，利用圖2設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，將頻率解調(diào)電路接入諧振腔，使用頻譜分析儀對(duì)VCO輸出頻率進(jìn)行觀測.當(dāng)腔體內(nèi)部介質(zhì)為空氣時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)輸出頻率為99.971 52 MHz，將這個(gè)頻率乘以倍頻倍數(shù)后，可以計(jì)算出N=289.8，利用同樣的方法得到一氧化碳的輸出頻率為99.970 39 MHz, 氦氣為99.996 54 MHz，得到相應(yīng)的折射率分別為295.9，35.5.

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析可以得到結(jié)論，空氣與氦氣的測量結(jié)果精度相對(duì)較高，存在0.5的測量誤差，并且氦氣的氣體品質(zhì)較純，對(duì)一氧化碳的測量結(jié)果，精度不夠，分析原因?yàn)橐谎趸細(xì)怏w純度不夠.評(píng)價(jià)整體性能，高精度大氣折射率測量儀具有折射率測量能力，具有較高的測量精度.其次利用示波器觀測從充入氣體到VCO產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)間，得出結(jié)果約為0.02 s基本滿足實(shí)時(shí)性的需求.

為了探究高精度大氣折射率測量儀的測量穩(wěn)定度，設(shè)計(jì)了如圖5的實(shí)驗(yàn)，利用頻譜分析儀對(duì)VCO輸出頻率展開連續(xù)3 h的觀測，每1 s讀取1次.時(shí)間上午8：00至11：00.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.VCO輸出頻率在3 h內(nèi)提高了450 Hz.N減少4.5.在此過程中，如圖6小圖所示，基于100 MHz的輸出頻率相對(duì)波動(dòng)幅度小于10-8.這證明所設(shè)計(jì)的高精度大氣折射率測量儀具有較高的穩(wěn)定性.

2.3 信號(hào)處理部分

當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，由VCO輸出攜帶有折射率信息的調(diào)頻信號(hào),通過功分器另一端送至信號(hào)處理部分.首先與混頻器混頻，計(jì)算出頻率值變化量，利用低通濾波器消除高頻成分后，使用遲滯比較器將波形轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，發(fā)送至單片機(jī)(MCU)用以具體頻率值的計(jì)算.同時(shí)單片機(jī)可以獲取相應(yīng)的高度信息、溫度信息，便于對(duì)大氣波導(dǎo)信息的標(biāo)定與計(jì)算.圖7為MCU在系統(tǒng)中的具體工作流程圖.

3 測試與分析

在中國大連海邊，通過吊車制作升降平臺(tái)搭載高精度大氣折射率測量儀、電容式折射率測量儀、 “59”型探空儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)海平面蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行測算.地面溫度16.7 ℃，地表溫度15.6 ℃，水溫17.2 ℃，相對(duì)濕度60.1%，氣壓102.33 kPa，風(fēng)速0.5 m/s，風(fēng)向159°，地面大氣折射率N=327.82，地面修正折射率M=327.82.

由圖8可知高精度大氣折射率測量儀、電容式折射率測量儀、 “59”型探空儀探測到波導(dǎo)層數(shù)依次為3層、2層、0層.3種測量方法測量精度由高至低依次為高精度大氣折射率測量儀、電容式折射率測量儀、“59”型探空儀.其次電容式折射率測量儀測量曲線不夠平滑，穩(wěn)定度不高，并且未發(fā)現(xiàn)近地層波導(dǎo)，證明其對(duì)微小介質(zhì)的變化響應(yīng)程度不如高精度大氣折射率測量儀.

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)期間的大量數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)位置處波導(dǎo)常發(fā)生于9:40至11:30和14:30至15:16.一般有波導(dǎo)存在會(huì)持續(xù)一定時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，大氣折射率測量儀在上升和下降過程中均可探測到大氣波導(dǎo)，存在的波導(dǎo)強(qiáng)度呈由產(chǎn)生到強(qiáng)再到消失的變化規(guī)律.

4 總 結(jié)

以測量大氣折射率為目的，設(shè)計(jì)了以微擾法為基本原理，通過測量高Q值金屬諧振腔諧振頻率，反演出大氣折射率的高精度大氣折射率測量儀.本文所設(shè)計(jì)的高精度大氣折射率測量儀，做到了測量誤差小、響應(yīng)延時(shí)優(yōu)于0.02 s、體積小于39.5 cm×15 cm×38.2 cm，不但具有較高的響應(yīng)靈敏度，而且在測量精度上要優(yōu)于目前常用的電容式折射率測量儀與“59”型探空儀，并且解決了“59”型探空儀無法實(shí)時(shí)測量的限制，真正做到了高精度、小型化、穩(wěn)定性高、連續(xù)性好.但對(duì)比電容式折射率測量儀與“59”型探空儀，高精度大氣折射率測量儀的研制成本較高，其研制成本主要集中在內(nèi)部使用的微波諧振腔與射頻器件上，因此在后續(xù)的研究中，需著力縮減研制成本并提高模塊集成度.