蒸发波导环境特性和传播特性及其应用研究

摘要

该文针对蒸发波导传播及其相关应用这一热点难点问题较深入地研究了蒸发波导环境预测技术的理论及其应用、蒸发波导环境中雷达探测性能评估所要求的基本理论之一——射线描迹技术及其在代表性蒸发波导环境中雷达探测性能评估技术方面的应用和中国应用所需的中国大气波导环境特性等几个方面.对这几个方面的研究,该文得到了如下结论:一、该文首次提出的以伪折射率为核心相似参量的蒸发波导环境预测理论是成功的.根据外场试验的结果,其预测蒸发波导环境出现的准确率可达到80％,对平均蒸发波导高度的预测误差约为28％,在试验可测量的高度范围内,不同蒸发波导高度的误差在24.6~57.6％之间.二、该文选用的以电波射线微分方程为基础的射线描迹解决方案,可有效地避免沿用已久的积分算法计算效率低、零度初始仰角附近难以计算等局限,并保持较高的计算精度和计算效率.计算证实,真实高度相应的雷达视在距离在1％以内和已有结果一致,每确定一组视在距离和真实高度所需的时间为亚毫秒量级,基本可满足当前应用的要求.三、对两个应用问题的讨论表明:基于该文发展的蒸发波导预测理论,使用微波折射率仪为传感器:(1)开展通量关系研究时,可以用于边界层温度、湿度和折射率无量纲梯度函数的精确测定和得到蒸发波导环境预测所需的伪折射率参数化函数关系;(2)预测蒸发波导环境时可以避免使用传统气海界面要素测量中存在的局限,并用折射率剖面不太高的精确测量结果精确预测蒸发波导环境.四、中国陆上波导环境的气候区可划分为南部沿海地区、东南沿海地区、东部沿海地区、西北地区等四个波导频繁出现区与青藏高原四川盆地和云贵高原地区、天山以北地区、黄土高原及内蒙古高原、东北平原等四个无波导区,且这些气候区中大气波导环境特性是随季节和月份变化的;中国东海和南海海域蒸发波导环境的出现概率很高,平均年出现概率通常在85％左右,平均高度在1 3~15米左右.这些研究结果,可以一定程度上满足实际应用对中国实用蒸发波导预测模式和技术、蒸发波导传播条件下雷达探测性能实时评估及中国对流层大气波导环境特性等几个问题的需求.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2研究历史回顾

1.3本文的主要研究内容

1.4论文结构安排

1.5本文解决的问题和贡献

第二章对流层波导环境特性及其预测预报技术

2.1对流层波导

2.1.1对流层波导出现的判据和特征参量

2.1.2对流层波导的分类和基本形成原因

2.2对流层波导环境特性和对流层波导环境预测预报技术

2.2.1对流层波导环境特性的研究方法

2.2.2对流层波导环境预测预报技术

2.3关于海上蒸发波导的研究

2.4我国对流层波导环境特性

2.5本章小结

第三章预测蒸发波导环境的理论基础

3.1大气运动的基本支配方程及其平均形式

3.1.1大气运动的基本守恒方程

3.1.2大气中尺度环流的定义

3.2守恒关系的平均和湍流通量项

3.3大气边界层的相似理论和参数化

3.3.1参数化过程中的基本项

3.3.2相似理论

3.3.3边界层的参数化

3.4本章小节

第四章基于伪折射率的蒸发波导环境预测理论

4.1基于伪折射率的蒸发波导环境预测理论

4.1.1伪折射率的定义及其构成的蒸发波导环境出现判据

4.1.2伪折射率的相似表达式与蒸发波导高度的方程

4.1.3蒸发波导剖面

4.2计算机模拟结果

4.3理论模式预测结果和外场测量结果的对比

4.3.1试验情况概述

4.3.2试验设备

4.3.3试验数据处理方法

4.3.4试验结果分析

4.4结果讨论

4.5本章小结

第五章对流层电波射线描迹基本理论概述

5.1引言

5.2对流层电波传播研究的理论方法和本文的考虑

5.3射线描迹的有关概念

5.3.1几何光学理论和射线描迹技术

5.3.2麦克斯韦方程和射线

5.4电波射线的基本方程

5.5本章小结

第六章对流层电波射线描迹的准确快速计算方法

6.1引言

6.2对流层大气中电波射线的几何光学方程

6.2.1基于一维渐变介质中的传播得到对流层中的射线方程

6.2.2基于球对称渐变介质中的传播得到对流层中的射线方程

6.2.3雷达视在距离的基本方程

6.3射线描迹准确快速算法的选取

6.4计算机数值模拟结果

6.5本章小结

第七章蒸发波导环境预测理论的应用探索

7.1引言

7.2用于电波大气电波环境特性研究的两种基本仪器的分析

7.2.1微波折射率仪及其在大气测量中应用的深入分析

7.2.2传统气象测量设备——探空仪系统

7.2.3两种设备的精度和响应速度分析结果

7.3蒸发波导预测理论在通量关系研究上的应用

7.3.1原理分析

7.3.2可行性的实例证明

7.4应用蒸发波导预测理论发展海上蒸发波导的精确实时预测技术

7.4.1蒸发波导预测理论的局限

7.4.2利用微波折射率仪准确预测蒸发波导环境

7.4.3可行性分析

7.5本章小结

第八章蒸发波导环境中微波雷达探测性能评估

8.1引言

8.2雷达距离方程

8.2.1自由空间中单站雷达的距离方程

8.2.2蒸发波导环境中的雷达探测距离

8.2.3蒸发波导环境中雷达的最大探测距离

8.2.4实时评估蒸发波导环境中微波雷达的探测性能

8.3雷达探测性能评估实例设计

8.3.1大气折射率剖面选择

8.3.2雷达探测定位的计算公式

8.3.3计算参数选取

8.3.4计算思路

8.4计算结果

8.4.1雷达覆盖范围

8.4.2地面距离误差

8.4.3天线高度的影响

8.5结果及其讨论

8.6本章小结

结束语

附表

致谢

参考文献

在读期间的研究成果