摘要：海洋大气边界层中经常出现温、湿度垂直梯度异常分布的大气环境，这种环境可以使海上微波雷达进行超视距探测和通信。而随着探测手段的日益更新，我海军水面舰艇已经开始部分装备红外探测和目标指引系统，用以侦察和探测近海面低空目标。目前，如何有效发挥两种探测系统的功能且实现最优配置，很大程度上依赖海洋大气环境的影响。鉴于此，利用汕头的温湿压探空实测数据，分别带入红外和微波波段进行大气折射率剖面计算，并利用射线追踪技术仿真两个发射波段电磁波不同的射线轨迹，演示异常大气折射环境对红外和微波波段的传播特性差异。
正文内容：
0 引 言
海洋大气边界层中经常出现温、湿度垂直梯度异常分布的大气环境，这种环境会导致无线电波发生超折射、负折射等非正常传播现象，直接影响光电系统的探测性能[1]。一般说来，微波雷达探测距离远，受天气和大气的影响小，适合全天候工作，普遍应用于海军水面舰艇装备进行超视距探测与通信。随着探测手段的日益更新，我海军水面舰艇已经开始部分装备红外探测和目标指引系统，用以侦察和探测近海表低空目标，如小型舰船、低空飞机等[2]。与普通微波雷达相比，第一，红外探测雷达的工作频率较微波高，因此其距离和速度分辨率高，可以利用多普勒成像技术获得目标的清晰图像；第二，自然界中能对红外雷达起干扰作用的信号源不多，因此其抗有源干扰能力很强，适于工作在日益复杂和激烈的信息战环境中；第三，对于红外探测雷达来说，只有被照射的目标才会产生反射，完全不存在地物回波的影响，因此其低空探测性能较微波雷达优秀。目前，如何有效发挥两种探测系统的功能且实现最优配置，很大程度上依赖于海洋大气环境的影响[3-4]。本文仿真不同环境下的温湿压高度剖面，分别带入红外和微波波段进行大气折射率剖面计算，并利用射线追踪技术仿真两个发射波段电磁波不同的射线轨迹，演示了异常大气折射环境对红外和微波波段的传播特性差异。
1 红外波段的大气折射率模型
大气折射率N 不仅与光波的波长有关，而且也是空气温度T 、水汽压e 和压强p 的函数。在光学频率范围内，对流层（高度＜17 km）中的大气折射率一般可写为:
对于可见光和近红外波段，这里选用Birch and Downs在1994年提出的Edlén改进模型进行光折射率计算[5]：
ABCDEFG为公式系数，如表1所示。
而对于红外波段，大气折射率的计算为：
2 海上异常大气环境下红外和微波的差异分析
2.1 大气折射类型与条件
海上异常大气环境主要由温度和湿度的垂直剖面异常分布引起，从而导致大气折射率梯度过大或过小，使得电磁波发生超折射、负折射以及波导传播[6-9]，如图1所示。
在无线电气象学科中，大气介电特性采用大气折射率N 或修正折射率M 表示。当电磁波传播距离很近时，可近似认为地球表面为平面。但是，若电磁波传播距离较远，则必须考虑地球曲率的影响。此时，为了将地球表面处理成平面，通常使用经地球曲率修正的大气修正折射率M （单位：M）。修正折射率M 和大气折射率N 的关系为：
将式（9）对高度h 求导，可得修正折射率梯度：
对流层大气结构一般按大气折射率或大气修正折射率的垂直梯度特征区分为四类，如表2所示。
2.2 红外和微波的大气折射率剖面与传播特性差异分析
微波波段的大气折射率模型相比红外波段简单，首先给出微波波段大气折射率的计算公式：
选择汕头站2011年7月4日8时的温度、湿度以及压强的探空数据剖面，分别利用红外与微波段的折射率模型计算大气折射率与修正折射率剖面，结果如图2所示。
为了进一步说明电磁波在相同大气环境下不同波段的传播特性，下面利用射线追踪技术[10]仿真利用两种波段发射的电磁波传播轨迹差异，结果如图3所示。
3 结 语
分析给出了红外波段大气折射率的计算模型。与微波波段相比，红外波段大气折射率主要与温度、压强和频率有关，而湿度的影响与微波段相比明显要小。本文针对海上大气环境，给出了相同温度、湿度、大气压强气象条件下的大气折射率与修正折射率剖面模型；利用射线追踪技术仿真了不同波段电磁波的射线轨迹；利用射线光学和抛物方程模型，分别计算了红外与微波段电磁波的传播损耗分布。仿真结果表明，在相同的海洋大气环境下，微波和红外波段的大气折射环境与传播特性相差甚远。可见，为了使雷达和红外探测设备能够更加有效地适应于复杂的海洋战场环境，以充分发挥两种武器效能，必须对水面舰艇光电系统在复杂海洋大气折射环境下的近海面水平探测特征差异进行对比分析与有效评估。
参考文献：
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作者：黄立峰，孙 方，朱庆林，王红光，林乐科
单位：中国电波传播研究所，山东 青岛 266107
作者简介：黄立峰，男，硕士，工程师，主要研究方向为电波传播、大气波导等；
孙 方，女，学士，高级工程师，主要研究方向为电波传播、折射修正、大气波导等；
朱庆林，男，博士，高级工程师，主要研究方向为电波环境遥感、折射修正、GNSS精密单点
定位技术等；
王红光，男，博士，高级工程师，主要研究方向为对流层电波传播计算、信号处理、大气波导等；
林乐科，男，博士，研究员，主要研究方向为电波传播特性、大气反演等。
本文刊登在《通信技术》2018年第2期（转载请注明出处，否则禁止转载）
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