毫米波RCS測(cè)量大氣吸收衰減修正方法研究

王海風(fēng) 李 皓 齊玉濤

摘 要：文章分析了大氣吸收對(duì)毫米波測(cè)量雷達(dá)散射截面（RCS）測(cè)量精度的影響。根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)氣象參數(shù)，建立了毫米波雷達(dá)大氣吸收衰減工程模型，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)金屬球?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了大氣吸收衰減修正。數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明，該工程模型簡(jiǎn)單、可靠，能有效提高外場(chǎng)RCS測(cè)量精度。

關(guān)鍵詞：毫米波；大氣吸收；RCS動(dòng)態(tài)測(cè)量

1 概述

在電磁波作用下，大氣中氧氣和水蒸氣分子會(huì)吸收電磁波能量而產(chǎn)生能級(jí)躍遷，將電磁波能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿觾?nèi)能，在其固有頻率上對(duì)電磁波產(chǎn)生吸收衰減[1]。在毫米波雷達(dá)外場(chǎng)RCS動(dòng)態(tài)測(cè)量任務(wù)中，大氣衰減嚴(yán)重，不同氣象條件下的毫米波大氣衰減存在明顯的差異，這種差異嚴(yán)重影響了毫米波RCS測(cè)量精度[2]。為提高RCS測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，必須對(duì)毫米波大氣衰減進(jìn)行修正，以得到目標(biāo)實(shí)際的RCS反射特性。對(duì)流層吸收衰減計(jì)算公式復(fù)雜，為便于工程應(yīng)用，提高數(shù)據(jù)處理效率，建立毫米波吸收衰減工程模型也是亟待解決的問(wèn)題。

2 大氣吸收衰減計(jì)算模型

2.1 水蒸氣吸收系數(shù)

在0.1～1000GHz頻段存在水蒸氣分子的選擇性吸收譜線，分別由22.235GHz和100GHz以上的諧振引起，對(duì)應(yīng)的吸收系數(shù)分別記為？酌22和？酌res。計(jì)算模型[2]-[4]如下：

式中，f為頻率（GHz），T為大氣絕對(duì)溫度（K）；pw為水蒸氣的分壓力（torr）；p為大氣壓力（Hpa）；？籽為水蒸氣密度（g/m3），F(xiàn)為諧振線的形狀系數(shù)。

2.2 氧氣吸收系數(shù)

氧氣無(wú)固定的電偶極矩，無(wú)選擇性吸收譜線。在氣壓作用下，壓致增寬形成中心在60GHz和118.75GHz附近的吸收帶。文章的氧氣分子吸收模型考慮了40GHz～140GHz頻段內(nèi)44條氧氣吸收譜線的貢獻(xiàn)。氧氣吸收系數(shù)計(jì)算模型[4]如下：

式中，C=2.0058。系數(shù)AN由旋轉(zhuǎn)量子數(shù)N、諧振線外形系數(shù)和非諧振分量共同確定。

2.3 折射分層大氣吸收衰減計(jì)算模型

電磁波在對(duì)流層傳播過(guò)程中產(chǎn)生的總吸收系數(shù) 為：

由于大氣是非均勻的，電磁波在大氣中傳播時(shí)折射指數(shù)隨高度增加而變化。所以在計(jì)算大氣吸收衰減時(shí)需將大氣層按折射指數(shù)進(jìn)行分層，從而確定整個(gè)傳播路徑中所經(jīng)過(guò)的每個(gè)層結(jié)點(diǎn)的位置，分層計(jì)算電磁波在該層傳播時(shí)的傳輸距離，及該層實(shí)際大氣氣象因素所決定的吸收衰減系數(shù)，最終確定雷達(dá)至目標(biāo)之間總的吸收衰減。

基于射線追蹤理論，可得到電磁波在傳輸過(guò)程中引起的大氣吸收衰減為：

式中，n0為地球表面的折射指數(shù)；？茲0為射線起始仰角，h0為射線初始點(diǎn)高度，h1為射線終點(diǎn)高度；r0為地球半徑，取值6370km；n（h）為大氣折射率模型。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，采用Ns=313的CRPL指數(shù)模型，對(duì)頻率為30GHz的大氣吸收衰減進(jìn)行計(jì)算，并與文獻(xiàn)[3]中的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果如圖1所示。

圖1中文章計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的結(jié)果非常吻合。由圖1可知，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，當(dāng)雷達(dá)中心頻率為30GHz且仰角分別為10°和5°時(shí)，對(duì)應(yīng)的大氣吸收衰減可達(dá)2.80dB和5.41dB。因此，在低仰角（小于10°）或高頻率下進(jìn)行RCS動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，必須考慮大氣衰減的影響，從而保證RCS測(cè)量精度。

3 建立毫米波大氣吸收衰減工程模型

根據(jù)本場(chǎng)氣象條件，按照公式（1）～（5）計(jì)算某型毫米波測(cè)量雷達(dá)在不同仰角、不同距離條件下大氣吸收衰減曲線，如圖2所示。

由于大氣吸收衰減的計(jì)算較為復(fù)雜，針對(duì)每個(gè)測(cè)量脈沖頻繁查表會(huì)增加系統(tǒng)運(yùn)算量。為了便于工程應(yīng)用，提高數(shù)據(jù)處理效率，在實(shí)際處理時(shí)利用最小二乘法對(duì)大氣吸收衰減公式進(jìn)行簡(jiǎn)化。針對(duì)圖2簡(jiǎn)化的某型毫米波雷達(dá)大氣吸收衰減工程模型如公式（6）所示：

4 工程模型的數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證文章建立的折射分層的大氣吸收衰減工程模型的有效性，對(duì)金屬球測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣衰減修正，并與未進(jìn)行大氣衰減修正的處理結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，大氣吸收衰減修正后，金屬球RCS序列基本保持平穩(wěn)不變，消除了大氣吸收衰減的影響。隨著雷達(dá)仰角的變低，大氣衰減修正量越大，在10km處，雷達(dá)仰角降低到3.8°，大氣衰減修正量為1.1dB。由此可見(jiàn)，對(duì)金屬球RCS進(jìn)行大氣衰減修正后可以提高RCS測(cè)量精度。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章基于分子吸收理論分析了RCS測(cè)量過(guò)程中，在不同仰角下，大氣吸收衰減對(duì)毫米波雷達(dá)RCS動(dòng)態(tài)測(cè)量的影響。建立了某型毫米波測(cè)量雷達(dá)精度較高的大氣衰減工程模型，并利用金屬球?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明：該工程模型簡(jiǎn)單、可靠，便于程序運(yùn)算，能夠有效解決某型毫米波雷達(dá)RCS動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程中的大氣吸收衰減修正問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]李德鑫，楊日杰.基于射線分層算法的電磁波大氣吸收衰減特性分析[J].電訊技術(shù)，2012.

[2]Merrill I.SkoInik. Radar HandBook（Second Edition）.McGraw-Hill Companies，Inc.1990.

[3]王國(guó)玉，汪連棟.雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真與評(píng)估[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

[4]Lamont V.Blake. Radar Range-Performance Analysis. Lexington Books.1980.

作者簡(jiǎn)介：王海風(fēng)（1980-），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)電磁散射特性研究。

李皓（1989-），男，本科，助理工程師，主要研究方向?yàn)槟繕?biāo)電磁散射特性研究。