大气波导环境下电磁波传播特性仿真与实验

大气波导能够将电磁波陷获在一定高度大气层内形成超视距传播,对特定区域无线电系统工作产生较大影响。本文介绍了大气波导下电波传播的抛物方程模型中窄角抛物方程的离散混合傅里叶求解方法,仿真分析了电磁波在不同接收高度下传播损耗随频率和距离的变化过程,并在沿海区域开展路径损耗测试,验证了抛物方程模型的可靠性。针对雷达系统,仿真分析了不同波导类型、电磁波特征和波导参数对雷达探测盲区分布的影响并给出了补盲措施建议。     

雷达跟踪海上低空目标仰角误差计算方法研究

针对雷达跟踪低空目标受传播环境影响的仰角误差问题, 基于电磁波传播的抛物方程方法, 提出一种能计算多路径和大气折射等造成低仰角误差的新方法.正常大气折射条件下, 与射线方法结果的对比显示了该方法的正确性.利用所提方法, 仿真分析了粗糙海面、大气波导等不同环境条件下的雷达测角误差, 并仿真了采用窄角和偏轴跟踪方式减轻多路径效应后的改善效果.计算过程和仿真结果表明, 所提方法可同时考虑大气波导和多路径等复杂传播环境的综合影响, 以及雷达参数和工作方式等因素的共同影响.     

太赫兹波大气衰减的抛物方程模型

抛物方程是一种模拟电波传播特性的高效模型,但目前抛物方程模型在模拟电波传播时,主要考虑大气的折射效应而忽略了其吸收作用,然而太赫兹波的大气衰减较为严重。通过引入大气分子吸收的复折射率,实现了应用抛物方程模型计算太赫兹波的大气衰减。该模型考虑了大气压强、温度和水汽密度等气象参数随高度变化对大气衰减的影响,且能够针对不同地区和季节的气象条件对大气衰减进行计算,与真实环境更加符合。最后利用该模型仿真分析了0.14 THz波的传播特性,给出了传播损耗随距离和高度的变化,并与忽略大气衰减的结果进行了对比,结果表明抛物方程模型能同时体现太赫兹的大气吸收效应和多径传播效应。     

基于电磁波链路损耗模型的空间隔离度算法研究

收发空间隔离度是反映电磁波在地表及大气传播的重要指标,对信号链路损耗计算、地面测量系统性能设计等方面产生较大影响。通过分析电磁波在地面绕射及大气散射机理和空间隔离度计算方法,构建电磁波传播损耗模型,利用该数学模型对空间隔离度进行仿真,并通过空间隔离度实地测试检验了算法的正确性和有效性,为工程建设和站址勘选提供依据。     

蒸发波导条件下海上超视距通信距离研究

大气波导的存在对海上电磁波传播产生严重影响,蒸发波导因发生概率、波导高度等特殊性对舰载微波通信装备影响尤为突出。研究了蒸发波导特征及电磁波形成波导传播条件。利用抛物线方程分布傅里叶算法计算蒸发波导条件下电磁波传播损耗,提出了基于蒸发波导条件下海上超视距通信距离估算方法及计算流程。仿真分析不同波导高度电磁波传播损耗,验证了该方法的可行性。仿真结果表明蒸发波导条件下,可实现海上微波超视距通信,能够定量估算有效通信距离,通信距离可达上百公里。研究结论对指导舰载微波频段的通信应用具有重要意义。     

蒸发波导环境中雷达二维海杂波仿真

提出了一种大气波导环境下的K分布雷达海杂波仿真方法,仿真了二维海杂波序列.该方法采用射线描迹和抛物方程模拟蒸发波导中电磁波的传播过程,结合雷达方程计算K分布参数,利用球不变随机过程仿真产生K分布海杂波.该二维序列一维为时间,另一维为距离,时间为相关时间,频谱为高斯谱;相邻距离单元之间独立,K分布参数在距离上慢变化,可以认为距离上符合独立同分布假设.文中的二维海杂波序列可应用于雷达海杂波信号模拟中,作为海杂波反演大气波导中的杂波信号,亦可用以分析雷达在不同波导环境中的超视距探测性能.     

不同气象条件下雷达能量覆盖范围研究

基于实际地形和气象条件,通过插值技术实现从三维数字地球生成地形路径上高精确度的高程数据,结合大气折射率模型和抛物方程模型,计算电磁波在地形剖面上的传播损耗。通过方位角扫描,计算出单站雷达在空间特定高度的能量覆盖范围。仿真结果表明,该方法可同时考虑气象和地理因素对雷达能量覆盖范围的影响,与人眼视觉范围对比更能体现电磁波的传播效应,为有效预测复杂气象地理环境下雷达能量覆盖范围提供了一种可靠的技术途径。     

大气波导对雷达异常探测影响的评估与试验分析

针对海洋大气波导环境对雷达性能影响的定量评估问题,本文建立的方法将对流层大气中电波传播的抛物型数值方程模式与雷达接收机理论结合起来,通过对雷达电磁波在实际波导环境下的传播损失分布规律进行阈化处理来分析雷达的最大探测距离特征.雷达探测评估的仿真数据显示,该方法能够较方便地评估雷达在大气波导环境下所具有的超视距探测等异常特征,该方法应用于某海域的试验分析中,评估的结果与实际雷达探测效果较为一致,验证了方法的实用性及大气波导环境下雷达的异常探测能力.     

海洋大气波导对雷达探测性能影响的研究

建立了海洋环境中典型波导的经验模型,用电磁波传播的地型抛物方程以及分步傅里叶算法对电磁波在各种波导情况下的传播衰减情况进行了数值模拟,并构建了雷达性能评估模型,应用该方法评估了不同波导环境下雷达的探测性能,分析了由于大气波导环境的影响所产生的雷达低空异常探测特征。     

传输衰减下电磁脉冲炮的杀伤效能评估

分析了防空型电磁脉冲炮的系统组成和毁伤机理,从防空作战需求出发,研究了电磁波的定向发射方式和对目标的耦合模式,阐述了大气传输衰减对到达目标电磁能量的影响,以某典型器件为例进行了对其毁伤所需条件的仿真。该研究结果可为电磁脉冲炮作战使用提供理论依据和技术支持。     

海上大气波导环境下电磁波传播的抛物方程方法

抛物方程方法已经被广泛地应用于电磁波传播模型,并成为解决电磁波传播问题主要的工具。针对海上大气波导条件下的电磁波传播特性的研究,给出了适用的电磁波传播模型,根据模型计算了电磁波在波导中的传播衰减,同时对不同传播条件下的结果进行了比较和讨论,最后对传播模型进行了验证。     

大气波导传播类型及特性分析

电磁波在大气中传播时,除了正常的折射外,在特殊条件下还会产生超折射现象,从而形成大气波导传播.利用大气波导,可以扩大探测、截收、通信和电子对抗等电子系统的有效作用距离,为远距探测、预警和通信提供条件.同时,也会形成诸如向外扩展的电磁盲区,使雷迭系统的杂波增强等不利因素.要实现大气波导超视距传播,须对将电磁波在大气波导环境中的传播进行研究.通过对大气波导类型及形成条件、电磁波实现大气波导传播的必要条件的分析,用射线描迹方法研究了大气波导传播的8种类型,同时对其特性进行了分析,从而为电子系统在各种大气波导环境下的应用奠定了基础.     

激光大气传输非线性效应数值模拟与分析

对激光通过大气传输的主要非线性过程进行数值模拟，列出大气的流体动力学方程组和与大气互作用的波方程．推导出受激热瑞利散射引起的小扰动不稳定性的波与大气的耦合方程，还对湍流作了处理，依据这些理论基础，编制了一套四维程序，用来模拟热晕及补偿、小扰动不稳定性、热晕与湍流的互作用过程．理论结果和实验十分符合．     

超短脉冲强激光大气传输的非线性效应

超短脉冲强激光大气传输在光学遥感、电子对抗、以及人工放电等方面具有重要的应用．例如,利用超短脉冲强激光使得远距离处的大气局域电离,其所产生的紫外辐射可以为大气组分主动荧光光谱学研究提供光源。对短脉冲强激光在大气中的传输进行了理论分析,对超短脉冲强激光大气传输中的各种线性效应及非线性效应,诸如色散效应、非线性自聚焦效应、受激拉曼散射效应、多光子电离及隧道电离效应、电离引起的能量损耗效应、相对论聚焦、有质动力激发的等离子体尾波场等效应进行了讨论,给出了一组描述超短脉冲强激光大气传输的三维非线性传输方程,为此类问题的进一步研究提供了理论基础。     

超短脉冲强激光大气传输的非线性效应

超短脉冲强激光大气传输在光学遥感、电子对抗、以及人工放电等方面具有重要的应用, 例如, 利用超短脉冲强激光使得远距离处的大气局域电离, 其所产生的紫外辐射可以为大气组分主动荧光光谱学研究提供光源。对短脉冲强激光在大气中的传输进行了理论分析, 对超短脉冲强激光大气传输中的各种线性效应及非线性效应, 诸如色散效应、非线性自聚焦效应、受激拉曼散射效应、多光子电离及隧道电离效应、电离引起的能量损耗效应、相对论聚焦、有质动力激发的等离子体尾波场等效应进行了讨论, 给出了一组描述超短脉冲强激光大气传输的三维非线性传输方程, 为此类问题的进一步研究提供了理论基础。     

相干声波扰动蒸发波导引起的传播损耗变化

为了探究复杂大气环境对电波传播产生的影响,设置相干声波扰动大气影响电波传播的实验,验证了声波扰动大气的可行性;将相干声波扰动大气理论进行合理推演,结合抛物型算法,仿真了大规模可控声阵列扰动的蒸发波导下的电波传播损耗,结果表明相干声波扰动蒸发波导引起明显的传播损耗变化.本文研究为定量改变大气环境电磁特性提供了重要的理论基础,对解决5G面临蒸发波导带来的干扰、超远程视距传播等都有重要意义.     

Study of ultrawide-band transmission in the extremely high frequency (EHF) band

The growing demand for broad-band wireless communication links and the lack of wide frequency bands within the conventional spectrum, causes us to seek bandwidth in the higher microwave and millimeter-wave spectrum at extremely high frequencies (EHF) above 30 GHz. One of the principal challenges in realizing modern wireless communication links in the EHF band are phenomena occuring during electromagnetic wave propagation through the atmosphere. A space-frequency approach for analyzing wireless communication channels operating in the EHF band is presented. Propagation of the electromagnetic radiation is studied in the frequency domain, enabling consideration of ultrawide-band modulated signals. The theory is employed for the analysis of a communication channel operating at EHF which utilizes pulse amplitude modulated signals. The atmospheric absorptive and dispersive effects on pulse propagation delay, pulse width and distortion are discussed. The theory and model are demonstrated in a study of ultrashort-pulse transmission at 60 GHz.     

Interaction of electromagnetic and acoustic waves in a stochastic atmosphere

In the Stanford radio acoustic sounding system (RASS) an electromagnetic signal is made to scatter from a moving acoustic pulse train. Under a Bragg-scatter condition maximum electromagnetic scattering occurs. The scattered radio signal contains temperature and wind information as a function of the acoustic-pulse position. In this investigation RASS performance is assessed in an atmosphere characterized by the presence of turbulence and mean atmospheric parameters. The only assumption made is that the electromagnetic wave is not affected by stochastic perturbations in the atmosphere. It is concluded that the received radio signal depends strongly on the intensity of turbulence for altitudes of the acoustic pulse greater than the coherence length of propagation. The effect of mean vertical wind and mean temperature on the strength of the received signal is also demonstrated to be insignificant. Mean horizontal winds, however, shift the focus of the reflected electromagnetic energy from its origin, resulting in a decrease in received signal level when a monostatic radio-frequency (RF) system is used. For a bistatic radar configuration with space-diversified receiving antennas, the shifting of the acoustic pulse makes possible the remote measurement of the horizontal wind component.     

一次伴随雷达异常地物回波的超视距探测成因分析与数值模拟研究

大气波导对电磁波的陷获作用可以通过雷达超视距探测和异常地物回波等现象被直观感知和捕获. 文中基于欧洲中期数值预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF) ERA5再分析资料、葵花卫星云图和WRF4.2模式,对福建中南部及粤东沿海天气雷达探测到的一次伴随异常地物回波的超视距探测现象开展成因分析和数值模拟研究. 研究结果表明:此次大范围异常地物回波的出现与台湾海峡持续存在的显著大气波导过程有关. 台湾海峡受高空槽后下沉运动与低空暖脊共同影响,存在逆温层结与强烈的湿度随高度锐减层,有利于大气波导形成;模拟时段中后期,台湾海峡几乎被顶高200~600 m的表面波导全覆盖,且波导强度持续增强,最终整体强度达到40 M 单位以上. 进一步利用WRF模式模拟预报的气象雷达传播路径上非均匀大气波导廓线,输入电磁波传播模型,结果与雷达实测回波的主体结构吻合,证实了利用中尺度模式开展大气波导预报与传播应用的良好前景.     

Ka波段电磁波在大气等离子体中的透射特性

在大气环境模拟实验平台上,利用S波段高功率微波(HPM)击穿大气产生等离子体,开展Ka波段电磁波在等离子体中的传输特性实验研究,得到不同频率电磁波下等离子体传输衰减规律,并发现电磁波与大气等离子互作用呈现透射新颖现象：Ka频段透射增强或减弱呈振荡形式,透射增强最大增幅接近2倍,最大增强频点附近透射增强以周期性规律出现,间隔周期约为80 MHz。随着气压升高,透射增强现象仍然存在,但增强幅度随之减小。理论分析了可能引起透射增强的原因,该试验研究成果为HPM大气等离子体在隐身、黑障通信等方面的应用提供了可能。