微波探测
微波探测 篇1
电波在大气中传播,由于介质的影响,电波传播的速度要比真空条件下慢,同时大气也是一种不均匀介质,无线电波在大气中传播时,传播路径不是直线,而要发生弯曲,这就产生了折射效应,这种折射效应又因为大气介质随时间和空间的变化做规则的和随机的复杂变化。在卫星通信、无线电测控和导航定位、地面和海上微波、超短波通信中,无线电波的大气折射效应都是必须考虑的重要问题。例如在海上由于有时可出现折射率梯度极不相同的层状结构,可产生波导层,利用波导层就可以实现超视距测量或通信。特别是在我国东南沿海由于地处亚热带与热带地区,海面蒸发波导发生频繁,对海面超视距通信及探测影响巨大,而微波折射率仪由于其原理的特殊性可对蒸发波导的层结构进行实时探测,可直观地将其显示出来。可在蒸发波导层结构探测及研究上发挥特殊的作用。
1 微波折射率仪的系统构成
微波折射率仪主要是采用微波高Q值谐振腔作为大气采样感应元件,腔体的谐振频率为:
式中,C1为与谐振腔几何尺寸相关的常数;μ为谐振腔中空气介质的导磁率;ε为谐振腔中空气介质的介电常数。
大气折射率通常用符号N表示,并把折射率的专用单位定义为N单位。它与折射指数n的关系为:
N=(n-1)×106 N单位, (2)
可知在C1不变的条件下,测得谐振腔体在真空条件下的谐振频率f0,同时测得腔体充入待测空气时的谐振频率相对于真空时谐振频率的变化量Δf,再由式(1)～式(3)可推出腔体偏移频率与真空时的谐振频率比值为:
根据式(4)可求出腔体内所充气体的折射率值N。
从上述理论分析可知,如何在真空谐振频率已知的条件下跟踪腔体内空气介质变化引起频率Δf的变化就成为需要解决的一个重要问题。
在实际的工程设计当中,通常采用高稳定度晶体及锁相稳频器输出频率稳定度达到误差要求的f1,调节谐振腔真空时的谐振频率为f2,根据折射率仪N值测量范围为0～500 N的要求,使得(f2-f1)>500×f2,这样的设计可以使得腔体在被抽成真空时能够精确的标定零值。
例如在正常测量状态下,腔体内空气介质使得腔体的谐振频率为fx,而高稳定度晶振的输出频率为f1,二者经混频后取出差频fx-f1,fx为谐振腔的谐振频率,在真空条件下fx=f2,设fx-f1=Δf,则根据公式:
可以得出此时的N值应为零。由于Δf是一低频信号,可设为0～7 MHz之间,因此可通过对Δf的精密测频,精确地标定系统的零值。
在跟踪Δf频率的变化上,国际上通常采用PLL锁相环跟踪频率的变化,即根据相位差来控制压控振荡器(VCO)进而来跟踪频率的变化。
而中国电波传播研究所研制的微波折射率仪则采用了一种国际首创的开关量调制跟踪频率变化的体制,这种体制鉴频效率更高,跟踪更为灵敏,同PLL锁相环跟踪体制相比整个系统的构成更为实用和简便。系统结构框图如图1所示。
从图1中可以看出,高Q腔鉴频稳频源出来的信号经过与本振混频后成为一个低频信号,后端的处理也是对这个低频的信号进行处理,这是有别于锁相环跟踪体制的最大不同,这使得后端的处理部分不必进行高频信号的处理和相位比较,大大简化了设计,提高了设备的可靠性。
2 实测数据分析
为了验证微波折射率仪测量的准确性,将微波折射率仪和高精度测温、测湿和气压测量仪一同放置在恒温箱中,箱中的温、湿、气压数值会有微弱的变动。这将直接体现在折射率值的变化中,根据温、湿、压气象3要素测量大气折射率的公式如下:
式中,P为大气总压强;u为相对湿度;E(t)为气温为t摄氏度时的饱和水汽压。式(6)由于测量设备的误差引起的N值总误差约在5 N以内。温、湿、压气象数据由芬兰Vaisala公司生产的高精度气象探测设备传送给计算机,然后按照上面的公式算出根据气象公式得到的当前状态下大气折射率值。微波折射率值是可以直接测出的,同样也可传给计算机进行显示。在温度50 ℃、湿度约为25%以下、气压在正常大气压变动范围内,气象设备大气折射率测量值和微波折射率仪大气折射率测量值在1个小时内对比如图2所示。
从图2可以看出,在将近1个小时的测量中,二者的变化趋势接近一致,所测的二者N值均方差为0.76,在1 N以内。但是微波折射率仪的测量更为精细,环境变化引起N值的改变测量更为准确和敏感。
在保温箱环境内约10 min内气象大气折射率测量值与微波折射率仪测量值的对比如图3所示。
从图3可以看出,气象N值测量由于气象测量设备的数字化特性,出现明显的阶梯状及毛刺状特性,而微波折射率仪的测量值曲线非常平滑连贯,由于保温箱的内部由温控电路自动控温保湿,因此微波折射率仪的N值测量与保温箱中的环境变化更为吻合,测量出的N值也更真实。另外也可看出二者的N值实测误差在0.5 N以内。
3 蒸发波导及微波折射率仪实测分析
蒸发波导又称为标准波导,是在海面约30 m以下产生的,大气折射指数随高度逐渐递减,在层顶达到最小值的一种特殊层结构。蒸发波导对电磁波最特殊的影响是其对电磁波的陷获作用上,打个比方来讲就像一束光线被光纤捕获,可在光纤内进行低损耗传输一样。由于地球曲率的影响,频率越高的电磁波绕射能力越差,特别是微波频段,基本上只能进行视距传播,而这个视距与发射电磁波的天线高度有着密切的关系,天线越高,传输距离越远,反之则越近。
而蒸发波导由于对其陷获的微波有很小的衰减(最大可减少20～30 dB),因而在微波超视距通信及超视距探测方面具有广泛的应用。电磁波若要被蒸发波导陷获必须要满足一定的条件,其中发射电磁波的天线高度要低于蒸发波导的高度。还有天线发射的角度要满足一定的临界角限制,这2个条件说明了蒸发波导的状态在超视距传播中的重要性。蒸发波导的状态和海水温度、大气温度、相对湿度、风速等其他气象参数相关,这些因素决定了蒸发波导的状态是一个随机的、不稳定变化的系统。尽管国内、国际上有很多根据以上参数对蒸发波导进行预测的理论及分析模式,但这是基于气象参数的一种大面积范围的预测和分析。如果能够将波导的实时状态变化结合起来则能达到更好的效果。
微波折射率仪由于探测设备体积小、重量轻(不超过6 kg),且采集的信息可通过无线传输给地面的计算机进行实时分析显示因此在实时探测蒸发波导剖面上具有很强的优势。
微波折射率仪折射率采集的速率最快可以达到100次/s,测试精度小于1 N。可对探测的剖面进行连续非离散实时探测。西北某大学曾采用微波折射率仪和气象参数测试仪在广西北海进行蒸发波导探测,他们在海边预先构筑了一个高约30 m的铁框架,在框架的不同高度分别固定了Vaisala公司的气象测量设备,采集的数据采取分时的方式有线传给地面计算机。而微波折射率仪则采用滑轮吊在最高处,上下拉动微波折射率仪则可对不同高度的大气折射率剖面进行快速的测量。由于微波折射率仪自备锂电池且直接测量大气折射率值,采集到的数据直接无线传输给地面的计算机。因此相对于气象采集设备具有更好的适用性和数据采集的准确性。
在北海现场测试时采集到的一组不同高度条件下的大气折射率变化曲线如图4所示。 由于可在任意高度停留测量因此图4的大气折射率高度剖面图具有更为丰富的内容。
从图4可以看出,折射率在6～10 m之间发生较大的转折。出现一定的层结构变化趋势,针对此趋势可对重点关注的高度进行折射率变化实时监测,一旦层结构发生改变,又可迅速地再进行一次高度剖面的测量,迅速发现重点关注的高度折射率变化,整个测量的过程中,微波折射率仪的易用性、准确性、方便性是不言自喻的。
4 结束语
综上所述,微波折射率仪以其特殊的原理及系统构成决定了其在探测海面蒸发波导结构变化上的优势是气象测量仪器无法替代的。特别是我国海域面积辽阔,海面蒸发波导在超视距通信及探测方面应用潜力巨大。如果能将微波折射率仪实时探测与蒸发波导预测模式结合起来则必将增进和改善对蒸发波导的利用。更进一步,如果将微波折射率仪的探测设计为多点布控探测并采用软件控制进行自动探测,采集到的数据可通过网络进行传送和汇总,那么将实时观测数据与理论预报模式结合,则可对这些区域利用蒸发波导进行通信和探测的可行性及采取何种技术措施,进行更为准确和细致的预报及服务。
参考文献
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微波探测 篇2
1 双通道微波辐射计简介
双通道微波辐射计是根据基尔霍夫定律, 即物体对于某个波段有强烈的吸收, 必然在该波段有强烈的辐射。再根据大气辐射传输理论, 在40 GHz以下频率, 大气透过率主要由水汽含量V和云中液水含量L所决定, 因此就可以选择工作在最佳频率的微波辐射计, 通过测量大气辐射亮温的方法来反演测量该路径上的V和L。因此, 该文双通道辐射计采用了2个通道的辐射计, 其中心频率分别为23.8 GHz和31.65 GHz, 分别对大气中的水汽含量及云中液态水含量敏感。该测量系统可以实时自动测量2个路径上的V和L, 连续监测地面大气环境 (气温、相对湿度、气压) 和大气中的水汽和云中液态水的演变过程, 为人工影响天气部门选择最佳作业时机提供依据。
2 天气环流形势
2012年10月27日傍晚至28日白天沈阳地区降阵雨。500 Hpa高空图如图1所示, 通过分析可以看出:在内蒙古东部靠近辽宁西部地区, 有一个东北—西南向高空槽, 此高空槽东移南下影响辽宁, 槽前冷锋云系在辽宁地区上空;地面图如图2所示, 通过分析可以看到:辽宁地区处于低压区域内, 地面有冷锋过境, 沈阳地区开始降雨。分析辽宁省人工增雨天气概念模型[7], 本次降水天气过程是一次典型的高空槽配合地面冷锋移过辽宁省境内产生的西风槽型降水, 该降水云系为层状云降水。由于西风槽类型的降水占我省降水过程的40%左右, 因此, 本个例在一定程度上也代表了西风槽降水系统中大气的云水特征。
3 探测资料的对比分析
在10月27日傍晚16:00前后的降水过程中, 双通道微波辐射计探测到大气中水汽含量及云中液态水含量的变化, 具体如图3所示。同时, 翻斗式雨量计也测到降水量记录, 具体如图4所示。将同一时段 (时刻) 内的天气实况与辐射计及雨量计测得的数据进行对比, 具体如表1所示。
可以看出, 14:22—15:36一直是阴天, 避光高层云, 天气比较稳定, 辐射计测得的天顶方向液态水及水汽含量均稳定地分别维持在0.03~0.05 mm和47.66~48.09 mm的范围内。15:50前 (即开始降水之前的时间段内) :液态水含量曲线在开始阶段缓慢增加到后来迅速增加, 而水汽含量则呈现反向趋势。经过多次降水过程的观测, 降水之前均呈现同样的状态曲线, 只是云系的不同曲线增加的曲率不同。在实际的人工增雨过程中, 如果在增雨地点有辐射计进行测量, 可以在此阶段开始实施人工增雨作业, 播撒催化剂, 能够有效地使层状云中过冷水转化为降水, 同时潜热的释放还可以促使云和降水的发展和持续, 以达到增雨的目的。15:50开始掉雨点, 雨层云, 因开始降水时强度小, 雨量有一个累积的过程, 此时雨量计还没有雨量记录, 比实际降水时间滞后2~3 min。液态水含量值达2.09 mm, 水汽含量为20.95 mm, 为一个波谷, 说明在此天顶方向的大气中, 液态水达到降水的阈值, 同时水汽含量也达到最低值。符合其水汽与液态水互相转化的关系。也说明此次降水过程的云系产生降水时的液水含量的阈值为2.09 mm。经过多次的观测, 不同云系、不同强度的降水其阈值也不同。15:53:52液态水含量值升至第1峰值为3.17 mm, 水汽含量也达到峰值的82.23 mm。由雨量计记录曲线可以看出:此时的降水量纪录值开始急剧上升, 目视室外, 感觉降大雨。此时说明:液态水含量值与降水强度对应, 成正相关关系;水汽含量也增加并达到峰值, 说明水汽不断由云底 (侧) 输入补充。15:56:41液态水值处于波谷的0.59 mm, 此时看雨量计记录曲线可以看出降水量曲线增幅减缓, 更说明了液水值的大小与雨强有正比的对应关系。16:00液水值与水汽含量值再一次同时到达峰值, 分别为3.75 mm和69.36 mm, 此时雨量计的降水量值纪录也显示急剧上升, 又一次证明液水与水汽含量与雨强有正比关系。云中又进行了一次水分循环。16:00—16:02液态水含量开始下降, 水汽含量也开始下降, 之后雨量计显示的降水也开始减弱。16:02液态水含量为2.13 mm, 水汽含量为19.78 mm, 均是整个降水过程中的最低值, 作为液态水形成的源泉, 已经不足以继续为液态水的形成做贡献了, 之后液水值不断下降, 直至3.9 mm。16:09液水值为0.08 mm, 雨量计记录显示雨停。
4 结语
通过多次降水过程的观测, 各降水过程前后的辐射计的水汽及液水含量曲线基本趋势一致, 只是降水过程类型及降水云系的不同, 其数值也不尽相同。通过10月27日傍晚时分降水过程的分析可以具体得出以下结论:
(1) 辐射计对云中液态水及大气中水汽的感应相当灵敏, 并且可以实时、连续地对大气进行监测, 是很好的探测云中液态水和水汽含量的工具。
(2) 在降水开始之前, 辐射计探测到的液态水含量值迅速增加, 到达某一值时开始降水。此阶段可以开始进行人工增雨作业, 可以有效地促进过冷水的增加, 对人工增雨作业开始时间的选择有一定的指示意义。
(3) 本次降水过程为层状云降水, 与之相对应的液态水及水汽含量有一个达到降水时刻的阈值。由以往的降水过程可以看出, 降水云系不同, 其阈值也不同。今后可以累积资料进行统计分析, 对降水的临近预报有帮助。
(4) 降水开始前液水含量增加, 水汽含量下降;降水结束阶段, 液水含量下降, 而水汽含量增加, 呈现反向状态;在降水过程中液水含量值的大小与雨强有正比关系, 不乏也有雨水贡献在其中的原因;而水汽含量的变化波动较多也较剧烈, 有时与液水的变化同向有时则反向, 有2次峰谷, 说明降水过程中水汽转换成液态水的同时, 水汽不断由云底 (侧) 输入, 液态降水粒子不断形成、不断补充、不断下降, 从而完成了2次的水分循环。
参考文献
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