空对地雷达精确定位的电波折射误差修正方法

要利用空中飞行器上武器来攻击地面目标,首先必须对地面目标进行精确定位,然后才能实施精确打击.大气介质的不均匀性使得雷达测量定位产生折射误差,从而影响雷达的定位精度.因此对高精度的雷达系统,必须进行电波折射误差修正.这里采用空中雷达处的大气折射率来预测空中雷达电波传播的大气剖面,再经过电波射线描迹方法推出了一种实用于空中雷达对地面目标精确定位的电波折射误差修正方法.仿真计算表明:俯视雷达与同一传播路径上地基雷达的计算结果很吻合.随着俯视角度的增大,电波折射引起的误差逐渐减小,反之,俯视角度愈小,电波折射误差愈大.当雷达在10 km高度时,5°以下俯角的电波折射误差达10 m以上.     

近地面1 km高度处折射率梯度与地面气象参数统计关系的研究

近地面大气折射率梯度是影响无线电系统性能的重要因素.为研究近地面折射率梯度与地面气象参数温湿压的关系，利用太原地区1986—1995年的探空数据，拟合出近地面折射率梯度与地面气象参数的关系模型.拟合分析结果表明:太原地区近地面1 km高度处折射率梯度与地面气象参数的线性关系优于与地面折射率的指数关系；从与地面气象参数的线性模型中可以直观地看出折射率梯度受地面温湿压影响的权重.通过研究近地面折射率梯度与地面气象参数的统计关系，可更快捷地通过地面温湿压评估近地面无线电视距，从而进一步为大气折射的研究提供支持，为优化无线电系统规划设计提供支撑.     

激光测距的大气折射订正

为适应航天、航空技术的发展和军用激光对抗的需要,本文对激光测距的大气折射订正进行了理论探讨。并以昆明地区近20年的气象资料为依据,拟合了折射率随高度分布的Γ模式。导出了视仰角θ_0≥10°的距离误差公式和流程图。绘制了高度为10km、15km、20km 和30km 的距离修正量。全年平均模型的折射率与高度之间的关系之相对误差不超过9%,距离修正值之精度可达到分米量级。用该折射率模型可以建立各地区的折射修正软件包。     

对地-空光通信中大气折射影响的研究

在对大气层采用球面分层的基础上,利用折射定律,阐述了球面分层大气折射模型的建立过程,得到了光束折射的光路方程.由此得出光束偏移与卫星高度和地面发射角间的关系,给出了光束偏移随卫星高度变化的计算公式,为地-空光通信链路的修正提供了重要的理论参考.     

固体火箭发动机地面和飞行过程中羽流红外辐射的计算研究

为研究固体火箭发动机地面和高空飞行过程中羽流红外辐射随飞行高度的变化,计算了某型固体火箭发动机在地面试车和7.5~80 km之间一系列高度工况下,发动机内、外流场和红外波段2~6μm的辐射。发动机内流和羽流流场采用非平衡化学冻结模型计算,高温Al2O3颗粒和燃气组分混合的羽流辐射场采用FVM模型计算,其中燃气组分的光谱特性用WSGG模型计算,Al2O3颗粒的光谱特性用Mie理论计算。研究了2.7~2.95μm、3.6~3.85μm和4.2~4.45μm三个波段,羽流高温核心区表面的辐射强度;以及高温核心区在轴向主平面和法平面上,0°、45°和90°三个视角的辐射亮度。研究发现:随飞行高度上升,环境压力下降,羽流体积膨胀,其中高温核心区气相温度迅速下降,Al2O3颗粒浓度也所有下降,但颗粒温度仍比较高。发动机在地面工作时,羽流的强辐射带沿其轴线呈连续状分布;但在高度小于22.5 km的低空飞行时,羽流的强辐射带除了出口区域以外,还在出口下游的后燃区出现。羽流的红外辐射亮度在纵截面上具有轴对称性。在光谱分布方面,发动机飞行高度小于40 km时,羽流辐射呈现燃气辐射的光谱差异性,但发动机在40 km高度以上飞行时,羽流辐射呈现高温颗粒辐射的光谱连续性。     

利用360 GHz辐射计高空探测目标研究

亚毫米波会被大气严重吸收,因此在底层大气中进行金属目标的被动探测很困难。提出了一种利用360 GHz亚毫米波辐射计在高空探测目标的方法。介绍了360 GHz辐射计系统的结构。利用MPM模型计算了大气辐射温度和目标的天线温度对比度。在地面温度为0℃、相对湿度为20%的天气条件下对辐射计进行了定标实验,并对地面上方3 m处的0.5 m×1m金属目标进行了探测试验。计算和试验结果表明,天线温度对比度的计算模型是可行的。在地面温度为20℃、相对湿度为20%的天气条件下,处于5 km高度的360 GHz辐射计对1 m×5 m目标的探测高度为0.3 km,而对10 m×20 m大目标的探测高度为2 km。     

地面与空中大气电场的对应关系研究

为了研究地面与空中大气电场的对应关系,以单极性电荷分布的云体为代表,分别基于云电荷镜像模型和旋转对称体有限差分模型,对荷电云层下方的电场进行了计算和分析,讨论了云体高度、尺度和观测点高度与观测点处电场的关系,模拟了云体下方的空间电场分布。同时对地面大气电场和空中大气电场同步进行了测试研究,对比分析表明:测试结果与计算结果总体上较为吻合,地面电场只能大致地反映出空中电场的总体变化趋势,并不能从中得出空中电场及其波动变化的量值。     

一种改进的星光大气折射观测模型

建立精确的观测模型是星光折射间接敏感地平导航法应用的基础和关键.由于大气参数变化的不确定性,国内外现用的星光折射观测模型有一定局限性,使得利用星光折射导航的定位精度大打折扣.根据大气密度随高度、纬度、季节等的变化规律,以及对大气折射原理、平流层大气数据、大气模型的深入研究,建立了连续高度的大气密度模型;在此基础上,改进了现有固定高度单一密度的观测模型,建立了一种自适应连续高度(20～50 km)的星光折射观测模型,从整体上提高了自主导航精度及可靠性.同时分析各种摄动对系统状态模型的影响,建立带摄动的系统方程,利用Unscented卡尔曼滤波算法进行计算机仿真研究,并对仿真结果进行误差分析.     

俯仰角大气折射误差修正方法

针对光学测量系统测量得到的空中目标俯仰角数据,包含了大气折射带来的误差问题,建立了俯仰角修正误差模型,并详细介绍了修正模型具体计算实施过程,提出了采用三弯矩方程计算任意高度大气折射系数和高斯积分计算俯仰角折射修正值．经俯仰角折射效果分析和实践证明该方法精确、有效,满足高精度数据处理的要求．     

大气参数模式及其在辐射大气传输计算中的应用

大气辐射传输的计算精度在很大程度上依赖于大气参数的精度。建立局地的大气参数模式在光电工程的大气传输计算中将有重要应用。利用目前可获得的探空数据、卫星观测数据、地面站点的观测数据初步建立了我国不同地域的大气参数模式,包括地面至120 km高度的温度、湿度、气压的逐日、逐月、逐年高度分布廓线、地面能见度的月平均分布,覆盖我国91个气象探空台站。并把这些大气参数模式用在通用大气辐射传输计算软件（CART）中计算大气透过率和大气背景辐射。文中展示了5个台站的大气参数时空分布以及用CART计算的大气窗口波段的透过率、大气热背景辐射逐月分布及其在我国地域的空间分布。     

基于抛物方程的短波电离层传播数值模拟研究

短波电离层传播损耗的计算对电离层基础研究与短波通信、天波超视距雷达等应用有重要意义，以往主要采用半经验模型.文中基于电磁波传播的抛物方程方法，实现对短波电离层传播损耗空间分布的数值计算，该方法可同时考虑电磁波传播的折射、反射、绕射和吸收等效应.根据电子浓度剖面数据，仿真计算了不同频点和天线波束宽度情况下的电离层传播损耗，从折射效应引起的传播模式、反射点高度、地面落区位置方面，与射线描迹结果进行对比，两者具有一致性.此外，进一步仿真分析了电离层的吸收效应.研究结果初步表明了抛物方程方法预测电离层传播的有效性及其强大的功能.     

用于烟尘监测的偏振激光雷达系统及实验研究

激光雷达具有探测距离远,分辨率高,对气溶胶浓度变化敏感等优势,偏振激光雷达还能够对粒子形态做区分,根据消光系数及退偏比值识别云、雾、烟尘等。利用偏振激光雷达进行扫描观测,可以实现火灾烟尘的快速识别。通过对不同波长的激光雷达探测距离进行仿真,结果表明,波长为1 064 nm的激光雷达探测距离为532 nm波长的1.3～1.4倍。通过优化扫描策略及算法,可剔除固定障碍物及临时移动障碍物的影响。为避开安装点位周边高度相近的障碍物,通常会给激光雷达设置一定仰角,对存在探测仰角时产生的水平距离偏差及垂直高度测量偏差进行计算,当激光雷达探测仰角为2°时,6 km处测量高度偏差为209.397 m。使用高斯烟羽模型对烟尘浓度分布进行仿真,当大气稳定度为B,平均风速为1 m/s时,200 m高度处烟尘浓度分布高值点距地面火点的径向距离≥1 km,为火点准确定位提供了修正依据。分别在辽宁省盘锦市盘山县绕阳湖景区,广东省东莞市观音山森林公园进行外场实验,偏振激光雷达在开阔地带及多障碍物山体地带下,均能够快速识别烟尘。     

星载红外探测对比度的计算与分析

推导了星载红外探测在地面、大气双背景下探测器处的辐射照度对比度计算公式,计算了目标在不同温度、不同高度的目标与背景的绝对对比度和相对对比度。分析指出:随着目标温度、高度增加,在波长大于2.5 m 区域绝对对比度与相对对比度相应增大,目标高度越高,同等距离下对比度随目标高度的变化越小;波长小于2.5 m 需考虑太阳的影响;当目标在0 km 高度时,2.9~4.1 m 波段为最佳探测波段,随着目标高度的增加,可用探测波段范围增大,峰值波长向短波方向微移,当目标高度大于10 km 时,相对对比度峰值在2.6~2.8 m 之间;距离地面越近,大气对红外辐射的衰减越大。     

基于大气折射指数模型的目标高度测量应用研究

影响雷达测量目标高度的主要因素有两个,一个是地球曲率,一个是大气折射。大气折射的指数模型可以更真实的反映大气分布。目标高度测量的实质是对大气折射进行修正。在实际应用中,与高度拟合法和改进高度拟合法相比,基于指数模型的等效地球半径法求得的修正量可以获得相对较好的平滑度,这对于稳定雷达系统误差具有积极的意义。     

高精度折光修正系统射线描迹快速算法

大气折射误差是影响外弹道测量数据的主要误差源之一.受技术条件所限,大气折射误差修正在线算法常采用简化模型,而高精度的大气折射误差修正往往置于事后数据处理工作中.为适应新形势下折光修正系统数据处理的需求,基于大气折射率随高度的分布特征,引入“虚高”概念,并给出了高度迭代步长选取的新方法.通过与传统方法的比较可知:改进方法在保证大气折射误差修正精度的同时,大大提高了射线描迹算法的运算速度;另外,该仿真结果也可为电波大气折射误差修正的工程应用提供参考.     

高空湍流影响下紫外光多径散射链路模型

考虑散射链路所在高空大气中温度、压强、臭氧浓度和湍流垂直强度的分布规律,依据Rayleigh散射理论,提出紫外光多径散射链路模型。将散射体划分为多个散射元,各散射元对应一组路径,并依照不同路径划分信号光,计算其信号强度;利用对数正态分布和非直视链路的湍流模型,分别计算不同路径的信号强度概率密度分布;用所有概率密度函数卷积得到接收端各路径信号叠加的强度分布和链路损耗。根据实际大气环境仿真得到:新模型得到的信号强度概率密度分布较原模型更集中,紫外光的消光系数受吸收系数影响显著,二者垂直分布曲线只在15km以下略有差异。在高空2~14km范围内,当收发端位于11km左右闪烁指数存在极大值,而收发端位于6km左右闪烁指数最小。综合考虑湍流效应和链路损耗,高空紫外光通信可将收发端安置于10km高度以下。     

山基GPS掩星观测数据在电波到达角计算中的应用

在福建省太姥山和浙江鹤顶山开展了GPS掩星观测实验并成功获取山基掩星观测数据, 对掩星事件进行了分析和统计; 阐述了利用山基掩星观测数据计算大气折射指数和电波弯曲角的原理和算法, 基于山基反演数据与欧洲中期天气预报中心(European centre for medium-range weather forecasts, ECMWF)数据构建电波传播的直接折射模型和一次反射模型来计算任意两点之间的电波到达角.结果表明:山基反演数据计算的大气折射率剖面反演准确度在95%以上, 在1 km下的近距离计算中基于山基反演数据的直接折射模型优于一次反射模型, 山基反演数据的电波到达角模型优于ECMWF数据模型, 文中创建的两种电波到达角计算模型对模拟两点之间的电波传播路径和真实电波信号的调整接收具有重要指导意义.     

微波视距传播射线到达角变化的全国分布

基于微波射线传播基本理论,结合我国距地面高度100米以下低空折射率梯度分布模型,计算出分布在29个省、市、自治区的59个台站点,时间百分数为0.1％和99.9％时相对于50％值的单位路径长度上射线到达角的变化范围。给出了以等效地球半径系数为参变量的平地电路射线到达角变化值与距离的关系曲线。为地面微波线路系统提供了设计依据。     

海上蒸发波导电波传播特性预测

电磁环境计算是战场电磁环境预测仿真系统的核心,海面上温度的逆增和湿度随高度增加的剧烈递减,使得蒸发波导出现概率较高且持续时间较长。因此,海上蒸发波导具有较高的研究价值,给出一种基于PE模型的电场强度计算方法,引入修正折射指数描述不均匀大气结构,仿真分析了蒸发波导对电波传播的影响,仿真分析表明相比于标准大气结构的传播损耗,蒸发波导对电波传播产生了陷获作用,电波受大气折射,在波导层向下偏转,传播轨迹弯向地面,电波在波导层中传播损耗明显减小,形成超视距传播。     

激光测距中的折射率分布模型

在对空中目标测距时由于大气折射而使测程加长,因而需要进行大气折射修正。修正的方法是依据实测资料或一定的模型进行计算。这里提出了一种Γ分布模型: