通用化下投探空系統(tǒng)設(shè)計與大氣波導(dǎo)監(jiān)測應(yīng)用

曾祥能, 王攀峰, 李冠林, 高云霄

(解放軍93213部隊，北京 100085)

0 引 言

大氣的非均勻分布形成電磁波傳播的非均勻介質(zhì)，會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，使傳播方向產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，包括探測范圍的空間位置、測量參數(shù)的準(zhǔn)確性等受到影響，造成雷達(dá)測得的目標(biāo)仰角、距離產(chǎn)生誤差，從而使測得的目標(biāo)高度產(chǎn)生誤差。在重點關(guān)注方向獲取實時性好、準(zhǔn)確度高的大氣折射率分布情況，有效地監(jiān)測大氣波導(dǎo)，成為當(dāng)前各領(lǐng)域應(yīng)用的研究熱點。

電磁波傳播的速度與介質(zhì)的折射指數(shù)N值成反比，對于不均勻介質(zhì)，傳播的平面波波前(等相位面)上各點的傳播速度不同，使傳播方向朝N值較大的部分偏轉(zhuǎn)，形成折射。電磁折射的程度及變化取決于大氣折射指數(shù)的空間變化率。在一定區(qū)域內(nèi)的大氣折射指數(shù)接近水平均勻，在垂直方向則隨著高度而減小，因此,電磁波折射主要關(guān)注垂直面內(nèi)的變化，其程度取決于大氣折射指數(shù)的垂直梯度，且一般為負(fù)值，梯度的絕對值隨著高度逐漸減小[1]。通常情況下，以大于零度的仰角/下視角的電波在傳播中一般逐漸向下折射，當(dāng)大氣垂直分布異常時，就會發(fā)生向上折射或向下過度折射(稱作大氣波導(dǎo))。一般認(rèn)為，低仰角發(fā)射的電波折射程度強(qiáng)，高仰角折射程度弱；在低空傳播的電波折射程度強(qiáng)，高空折射程度弱。在低空受大氣變化劇烈造成大氣垂直分布異常較多，因此,低空低仰角的折射變化最強(qiáng)。受大氣溫度、濕度、氣壓和風(fēng)、云、霧等天氣現(xiàn)象的影響[2]，大氣邊界層尤其是在近地層,天氣變化劇烈而易發(fā)生大氣波導(dǎo)現(xiàn)象。

對大氣波導(dǎo)監(jiān)測，最有效的手段是氣象探空，常用的固定地面站實施氣象探空可有效監(jiān)測陸面上空的大氣波導(dǎo)發(fā)生發(fā)展情況，但對于海面區(qū)域，無法設(shè)置固定的氣象探空站。通過設(shè)計通用化下投探空系統(tǒng)，掛載在無人機(jī)或有人飛機(jī)平臺上，可快速執(zhí)行海上區(qū)域的大氣波導(dǎo)監(jiān)測，為無地面依托的重點區(qū)域提供大氣折射率監(jiān)測手段，形成大氣波導(dǎo)快速監(jiān)測診斷能力。

1 大氣折射率敏感性分析

根據(jù)電磁波在媒介中的傳播理論，大氣活動造成的不均勻性引起電磁波的折射，根據(jù)斯涅爾(Snell)定律[3]，大氣折射率與電磁波傳播的速度與方向關(guān)系可表示為

nrsinφ=A

(1)

式中A為常數(shù)，n為大氣折射率，r為傳播路徑中任意一點到地球球心的距離，φ為傳播路徑的方向角度。

在大氣層中，海氣邊界層是折射率不均勻的傳播媒介典型，其大氣折射率n典型取值為

(2)

式中εr為相對介電常數(shù)。考慮到大氣折射率的數(shù)值非常接近1，且變化非常小，通常引入大氣折射指數(shù)N來表示

N=(n-1)×106

(3)

微波段波，大氣折射指數(shù)與空氣溫度、大氣壓力和水汽壓的關(guān)系可表示為[4]

(4)

式中P為大氣壓強(qiáng)，hPa；T為大氣溫度，K；e為水汽壓，hPa;e與相對濕度h(%RH)和大氣溫度t(℃)(T=t+273.15)關(guān)系為e=e0×h；e0可由馬格努斯經(jīng)驗方程[5]給出

(5)

考察折射率分別受溫度T、濕度e、氣壓P的影響，分別求導(dǎo)可得

(6)

選取典型的底層大氣條件，取溫度為290 K，相對濕度為50 %RH，氣壓為1 000 hPa，代入式(6)，可得

ΔN=0.268·ΔP-1.216·ΔT+4.435·Δe

(7)

由式(7)可知，大氣折射率的變化與大氣壓強(qiáng)、水汽壓正相關(guān)，與溫度變化負(fù)相關(guān)，其中,水汽壓的變化對折射率變化影響最大，對大氣壓強(qiáng)的影響相對較小。

2 下投探空監(jiān)測大氣波導(dǎo)技術(shù)

2.1 下投探空技術(shù)方案設(shè)計

利用空基平臺(如運輸機(jī)、無人機(jī))搭載下投式探空設(shè)備在重點關(guān)注方向投放下投式探空儀，快速獲取空中溫—壓—濕廓線，實時輸出飛機(jī)航過區(qū)域的大氣折射率分布。

由降落傘攜帶探空儀在空中勻速下落，降速10～12 m/s，每秒采樣1～2次數(shù)據(jù)并實時回傳，可輸出垂直分辨率為6～10 m的空中溫/濕/壓信息廓線，并通過北斗導(dǎo)航定位芯片提供準(zhǔn)確的位置信息用于解算折射率的空間高度。

下投探空儀集成方案中，溫度傳感器選擇對稱珠狀熱敏電阻，通過測量范圍內(nèi)多點校準(zhǔn)后確保測量精度[6]，在20 ℃下10 m/s流速的響應(yīng)時間為0.4 s；濕度傳感器難度較大，采用高分子薄膜電容是當(dāng)前的主流，利用濕敏電容的容值與相對濕度的變化量相關(guān)性完成濕度測定，在20 ℃下6 m/s流速的響應(yīng)時間為0.3 s，在-40 ℃下6 m/s流速的響應(yīng)時間為10 s；壓力傳感器比較成熟，可實現(xiàn)1 hPa的綜合測量精度，在高空(小于100 hPa)時測量不確定度為0.3 hPa。

設(shè)計通用型吊艙式下投探空系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)接掛件無人機(jī)機(jī)腹或機(jī)翼下，通過飛機(jī)平臺12 V直流供電，并通過無人機(jī)測控鏈路等手段可實時回傳探空氣象信息。通用型掛載轉(zhuǎn)接件使吊艙可適配不同種飛機(jī)/無人機(jī)的機(jī)腹、機(jī)翼掛載，并實現(xiàn)即插即用快速轉(zhuǎn)換能力。

吊艙內(nèi)預(yù)裝8枚下投式探空儀，裝填前完成基測，可按預(yù)設(shè)高度或?qū)崟r控制投放高度，吊艙對指定探空儀上電、捕獲北斗定位信息，投放探空儀。

2.2 下投探空監(jiān)測大氣波導(dǎo)的地面試驗驗證

采用下投探空監(jiān)測大氣波導(dǎo)，溫/濕/壓測量敏感元件的響應(yīng)能力，是關(guān)系到大氣波導(dǎo)層高度、厚度測量精度的關(guān)鍵，更是影響大氣波導(dǎo)監(jiān)測識別的主要因素[7]。根據(jù)大氣折射率敏感性分析結(jié)論，其中尤以溫、濕測量響應(yīng)能力最為重要。因此，在地面溫、濕發(fā)生器中對所設(shè)計的下投探空儀溫/濕敏感元件進(jìn)行響應(yīng)能力驗證。利用2套便攜式溫濕度發(fā)生器，設(shè)置成溫/濕階躍環(huán)境，在2個溫/濕環(huán)境下手動切換探空儀傳感器，實時記錄測量值。試驗條件如下：

測量值記錄頻率5 Hz(每隔0.2 s記錄1組)；

濕度環(huán)境：95 %RH(高濕/20 ℃)，20 %RH(低濕/20 ℃)；

溫度環(huán)境：10 ℃，50 ℃(35 %RH)；

切換傳感器過程需短暫經(jīng)歷實驗室內(nèi)大氣環(huán)境，測量過程中實驗室大氣環(huán)境：22.8～23.4 ℃，42 %～43 %RH。

測量升溫/降溫與降濕/升濕試驗數(shù)據(jù)記錄如圖1所示。

圖1 下投探空儀溫/濕敏感元件響應(yīng)試驗數(shù)據(jù)記錄

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得出溫/濕敏感元件的響應(yīng)能力如表1、表2所示。

表1 濕度敏感元件響應(yīng)能力情況

表2 溫度敏感元件響應(yīng)能力情況

通過地面試驗，可初步確定當(dāng)前典型的下投探空儀在常溫條件(約23 ℃)對溫/濕測量動態(tài)響應(yīng)能力如下：

溫度測量時間常數(shù)為1.0～1.4 s，響應(yīng)時間為2.2～2.8 s。

濕度測量時間常數(shù)為0.8～1.4 s，響應(yīng)時間為1.2～4.9 s。

其中，降濕至低濕(20 %RH)時響應(yīng)時間為4.9 s，其他情況的測量響應(yīng)時間在2 s以內(nèi)，按照下投式探空儀下降速度為10 m/s(海平面)計算，能夠滿足大氣波導(dǎo)監(jiān)測需求。

2.3 基于下投探空信息大氣波導(dǎo)識別診斷模型

下投探空獲取的高度/溫/濕/壓信息序列記為{h,Tem,Hum,Pre}對應(yīng)的單位分別為m、℃、%RH及hPa，分別換算為海拔高度h(m)、熱力學(xué)溫度T(K)、水汽壓e(hPa)及大氣壓P(hPa)，利用大氣折射率計算公式得到不同高度層的折射率指數(shù)值，進(jìn)一步按照下式得到折射率指數(shù)梯度

(8)

逐層判斷修正折射率指數(shù)梯度值ΔM=ΔN+0.159，提取出梯度值ΔM<0的高度層，判斷為該層為大氣波導(dǎo)層[8]。并按表3計算波導(dǎo)層相關(guān)參數(shù)。

表3 大氣波導(dǎo)參數(shù)化提取識別

3 應(yīng)用驗證與分析

3.1 試驗方案

采用下投探空系統(tǒng)獲取空中溫/濕/壓廓線信息，驗證下投探空監(jiān)測大氣波導(dǎo)的能力。采用系留氣球低空氣象探測系統(tǒng)與通用型下投探空系統(tǒng)開展大氣波導(dǎo)監(jiān)測試驗[9]。主要驗證下投探空系統(tǒng)與低空氣象探測系統(tǒng)在大氣波導(dǎo)監(jiān)測的能力對比與診斷方法。2種測量手段的性能對比如表4所示。

表4 試驗設(shè)備性能對比

3.2 試驗數(shù)據(jù)分析

2020年6月28日早07︰16開始，在陜西蒲城內(nèi)府機(jī)場(本場海拔341 m)，先后由無人機(jī)掛載吊艙式下投探空系統(tǒng)，到07︰32完成投放5枚探空儀，獲取有效探空數(shù)據(jù)95組。

按照同高度層同時間與系留氣球低空氣象探測系統(tǒng)的溫/濕/壓信息比對，對系留氣球低空氣象探測系統(tǒng)的溫度測量系統(tǒng)誤差補償后，計算出的均方根誤差分別為-0.72 ℃，5.8 %RH，2.2 hPa。

采用大氣折射率計算模型式(4)，分別利用下投探空氣象信息與系留氣球獲取的氣象信息[10]，繪出當(dāng)時陜西蒲城內(nèi)府機(jī)場空域的低空大氣折射率分布如圖2所示，實線為系留氣球氣象信息計算值，點劃線為下投探空氣象信息計算值，可見二者呈現(xiàn)的大氣折射率空間分布基本一致，相同高度的差值約5 N單位。

圖2 陜西蒲城機(jī)場低空大氣折射率分布的計算

進(jìn)一步，按照大氣折射率梯度計算模型如式(6)完成大氣波導(dǎo)識別診斷，如圖3所示，經(jīng)下投探空系統(tǒng)氣象信息計算的大氣折射率梯度(黑色虛線)分布診斷，海拔625～648 m出現(xiàn)電磁波限獲折射，診斷該區(qū)域為大氣波導(dǎo)層；而系留氣球氣象信息計算的大氣折射率梯度(灰色虛線)分布診斷，海拔608～627 m出現(xiàn)電磁波限獲折射，診斷該區(qū)域為大氣波導(dǎo)層。二者識別診斷的大氣波導(dǎo)層非常接近，可見下投探空系統(tǒng)對大氣波導(dǎo)監(jiān)測能力準(zhǔn)確可信。在其他高度層的大氣折射率梯度分布方面，二者基本一致。而且下投探空系統(tǒng)具備更高的垂直分辨率，能夠提供更加精細(xì)的大氣折射率空間分布信息，利于對大氣折射情況的準(zhǔn)確描述。

圖3 陜西蒲城機(jī)場低空大氣折射率梯度分布與大氣波導(dǎo)識別診斷

4 結(jié) 論

基于大氣折射率經(jīng)驗?zāi)Ｐ烷_展了大氣溫、濕、壓三要素的敏感性分析，得出不同要素與大氣折射率相關(guān)性特點與分布規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，開展通用化下投探空系統(tǒng)設(shè)計，并通過與地面施放的低空氣象探測系統(tǒng)對比完成了大氣波導(dǎo)監(jiān)測比對，設(shè)計的通用化下投探空系統(tǒng)具備大氣波導(dǎo)監(jiān)測能力，測量靈敏度、準(zhǔn)確度滿足大氣波導(dǎo)監(jiān)測要求，具有通用化快速適配飛機(jī)平臺能力，具備較好的推廣應(yīng)用前景。