2024年9月6日发(作者：荀雪晴)
m=n+
h
R
0
h
×10
6
R
0
ｈｍ
５
M=(m−1)×10
6
=N+
其中
则式可写为
２分别对高度ｈ求导可得
６
７
单位
dN
>0
时
dh
此时大气为零折射
正折射包括正常折射
此时大气为负折射电磁波的传播轨迹不发生弯曲
电磁波的传播轨迹将凹着弯向地球
临界折射如表１所示
［２］
单位
０
dM
dh
－１
m
０
标准折射０ ０．０８０
－０．０７７
－０．１５７
当
０
dM
<0
dh
¶øʽÖÐ
´ËʱÔÚ´óÆø
∂P
<0
∂h
²ÅÓÐ
ÓÖÓÉʽ
ѹ
ºÍÖª
¼´
Öд«²¥µÄÒ»¶¨·¶Î§Äڵĵç´Å²¨
∂T∂e
ËùÒÔµ±>0
且
<0
∂h∂h
dM
¿ÉÄÜÂú×ãÌõ¼þ<0
dh
ÓÐÀûÓÚ²úÉú´óÆø²¨µ¼
2
２ 大气波导对电磁波传播的影响
２．１ 形成波导传播的电磁波波长的范围
其波长与大气波根据对流层折射的膜理论
导厚度及大气折射指数梯度三者之间必须满足一定的关系
即波导层内的
导层形成波导传播
对于电磁波的波导传播
dN
为小于
dh
若电磁波在波导底以一定的仰角射入波
即可取大气折射率
n
s
=1
,我们可以推
m单位
导出地面发射的水平极化的电磁波能形成波导传播的最大波长
λ
hmax
及波导层内大气修正折射指数垂直梯度
dM
之间的关系为
dh
８
其中Cn=
dM
dh
由图1可知 大气波导厚度远大于电磁波波长时
可形成波导传播的电磁波波长范围的上限越长大气波导的强度越强
式给出的是可受大气波导影响而形成波导传播的电磁波最大波长
波长小于此值的电磁波均可受大气波导的影最响容易受
波导影响而形波成导传播的是分米波频率0.3~3GHz²¨³¤10~1cm,频
率3~30GHzC波段
３５
３０
２５
最
大
波
长
２０
１５
１０
５
０
０５０１００１５０
波导厚度
２００２５０
Ｃ１＝－１０
Ｃ２＝－５
Ｃ３＝－３
Ｃ４＝－１
Ｃ５＝－０．５
图
1
dM
dh
一定时最大波长与波导厚度的关系
图2 射线传播路径
Fig 1 The relation of the longest wavelength and duct
thickness when the
3
dM
is given
dh
Fig 2 The path of radial propagation
２．２ 形成波导传播时电磁波发射角度范围
当电磁波的波长足够短时
结大气中传播的微分方程为
[ 4 ]
如图2所示则超短波在球状层
9
ϕ
½ÇºÜС
故上式可简化为
即
(
dh
2
)<<1
ds
»¹ÓÐ
n也近似等于1
１０
d
2
hddhdϕ
=()=ϕ
2
dsdsdsdh
把式带入式
则对上式积分可得
１２
在h
0
高度上传播路径与地球平面的夹角为
ϕ
只要知道高度h
0
上的M
0
值以及任意高度上的M值
即若知道整个气层M的垂直分布
用M
h
代替式中的M
1
2
1
2
ϕ
h
−ϕ
0
=(M
h
−M
0
)10
−6
22
这里M
h
和M
0
分别是高度h和地面上的M值
波能获陷于波导层的最大发射仰角
(ϕ
0
)
max
利用式很容易得到电磁
(ϕ
0
)
max
=2
(
M
0
−M
h
)
10
由上式可知
[
1
−6
2
]
大气波导的厚度愈厚
可形成波导传播的电磁波的发射角度的上限愈大
电磁波就会形成波导传播
可知电磁波形成波导传播的必须满足4个基本条件
须存在大气波导
必须高于最低陷获频率
也可形成波导传播
4
近地层或边界层某高度处必
频率
对于抬升波导
并且波导强度需非常
强 电磁波的发射仰角必须小于
(ϕ
0
)
max
13
θ
1
2
−θ
2
2
M(h
1
)−M(h
2
)=×10
6
(15)
2
其中
1
和单位
且线性变化率为r
M(h
1
)−M(h
2
)=
由和
dM
(h
1
−h
2
)=r(h
1
−h
2
)
dh
式可得射线垂直方向分量方程
１７
rdh=θdθ⋅10
6
若记射线的水平方向分量为x
由和式有
２０
dh
=tanθ≈θ
dx
x
1
−x
2
=
式和
θ
1
−θ
2
×10
6
r
就是进行射线追踪的射线方程
为简化计算
利用射线追踪方法研究电磁波在大气波导内的传播情形
将垂直高度分为20层
m
n从-2以步长0.5增长到8
¼Ù¶¨¸÷²ãÄÚÕÛÉäÖ¸ÊýÊÇÏßÐԱ仯µÄ
(
dN
dh
)
j
=r
j
=const
j
构
const
j
就是本层的大气折射指数的斜率值
这样在低仰角层里分得细一些更适合实际的大气层结结
在垂直方向上大气折射指数梯度为常数
当发射仰角小于
(ϕ
0
)
max
时此时在波导层顶认为发生的是全反
射而另外的射线是遵循Snell折射定律向上传播的
R
2
H=h+Rsinδ+
2R
m
压
3.3 模拟个例分析
5
R为斜距
在雷达探测中
Á½²ãģʽ
从近地面开始往上存在一超折射层
超折射层
远
没有这些分布特征
二
在此层之上有一超折射层
式下在雷达站周围近处出现正常的地物回波
ËIJãģʽ
由近地面开始相应的大气层结为
模式下在雷达站周围数十公里内出现大片超折射回波区
间无地物回波
３．３．１ 模拟个例１
而在超折射层之上为非
较连续的扩展到数十公里或更
而另一些方位上则
这种模
这种
但在两者之
利用模拟资料表2模拟了一个两层模式湿度
采用射线追踪方法模拟出了电磁波在大气波导中形成波导传播的射线轨迹见图4
932
921
909
390.5
400.2
409.8
419.6
700
800
900
14.8
13.2
11.8
4.3
2.6
1.1
8.7
7.6
6.7
290.3
284.2
278.3
6
６００
５００
４００
高
度
高
度
３００
２００
１００
０
０１０２０３０
６００
５００
４００
高
度
１０１５２０
３００
２００
１００
０
６００
５００
４００
３００
２００
１００
０
３００３５０４００
Fig
图3
模拟资料的探空曲线图
图4电磁波波导传播的模拟追踪
Fig 4 Simulated tracing of electromagnetic wave propagation
由模拟资料的探空曲线图3可以看出
度也在大气层内出现了明显的上干下湿状况
为０．４７６／ｍ
仰角
(ϕ
0
)
max
=0.0069
即
数取50条
８
而在此模拟过程中
发射的电磁波频率为5600MHz
ÓÉ´ËÄ£ÄâµÄµç´Å²¨ÉäÏß×·×ٵĹ켣¼ûͼ4
利用公式
露点温
dM
<0
dh
递减率约
计算出形成电磁波波导传播的最大发射
电磁波射线
Õâ
Ñù¾ÍʹµÃµç´Å²¨ÔÚ´«²¥¹ý³ÌÖдӷ¢ÉäÔ´¿ªÊ¼À©Õ¹µ½ºÜÔ¶µÄµØ·½ÉÙ²¿·Öµç´Å²¨ÉäÏßÐγɲ¨µ¼´«²¥
µç´Å²¨ÉäÏßµÄÕâÖÖ·Ö²¼È¡¾öÓÚ×î´ó·¢Éä½Ç
7
线就不能被陷获在波导中传播了
部分电磁波被陷获在大气波导层中产生异常传播
即在雷达探测中会出现探测空洞区
厚度等
由于
分别绘出了温度
图见图5
表３ 模拟的探空资料值
Table 3 Values of the simulated soun
ding data
大气修正折射指数的探空曲线
气压
1013
1007
1001
995
989
977
965
954
943
932
921
909
７００
６００
５００
４００
高
度
高度
0
50
100
150
200
300
400
500
600
700
800
900
温度(
°c
) 露点温度(
°c
)
15.1
14.8
14.4
14.1
13.8
25.3
21.5
20.6
19.7
19.1
18.4
17.7
13.4
13.2
13.1
12.8
0.2
7.8
6.1
5.8
5.5
5.1
4.7
4.2
e
17.4
17.2
17.1
16.7
6.2
11.4
10
9.7
9.5
9.2
8.9
8.6
N
350.9
348.8
347.3
344.3
295.5
301.8
297.1
294.0
291.2
287.7
284.2
281.5
M
350.9
356.7
363
367.9
326.9
348.9
359.9
372.5
385.4
397.6
409.8
422.8
７００
６００
５００
４００
高
度
３００
２００
１００
０
０１０２０３００５１０１５２０
高
度
７００
６００
５００
４００
３００
２００
１００
０
３００３５０４００
３００
２００
１００
０
Fig
图5
模拟资料的探空曲线图
Äæβ㲻ÊdzöÏÖÔÚ½üµØÃæ¶øÊÇÔÚµØÃæÒÔÉÏ´óÔ¼
200m~300m
中出现了随高度减小
¶øÇÒ¶©ÕýÕÛÉäÖ¸ÊýÔÚ150m~200m的大气层
波导层的波导强度
∆M≈
41.0
ÀûÓù«Ê½
14
¼ÆËãµÃ³öÔڴ˲¨µ¼²ã
8
中形成电磁波波导传播的最大波长
λ
hmax
=0.80m
f
hmin
=
375MHzÀ×´ïÌì
Ïߵĸ߶ÈȡΪ137 mÀ×´ïÌìÏß̽²âµÄÑö-2~2½Ç度·¶Î§Îª
满足了电磁波波导传播的形成条件
图6电磁波波导传播的模拟追踪
Fig.6 Simulated tracing of electromagnetic wave propagation
由图6可以看出
产生异常传播
３．３．３ 模拟个例３
在地面以上大约150m ~200m的垂直空间出现了明显的电磁波波导传播现象
有时则会探测到超出其探测距离的目标物
且离地面有一定的距离
而另有一部分射线向下传播到地面在经地面反射
电磁波射线的这种分布取决于最大发射角
而最大发射角又决定于大气波导的强度
由于部分电磁波被陷获在大气波导层中
利用模拟资料表4模拟了一个四层模式湿度
采用射线追踪方法模拟出了电磁波在大气波导中形成波导传播的射线轨迹见图8和图9
hPam
9
932
921
909
１０００
９００
８００
７００
６００
高
度
５００
４００
３００
２００
１００
０
０
700
800
900
15.5
11.6
10.0
3.7
6.3
6.7
8.2
10.1
10.5
287.3
297.5
298.0
397.2
423.1
439.3
１０００
９００
８００
７００
６００
高
度
５００
４００
３００
２００
１００
０
１０２０３０５１５２５
高
度
１０００
９００
８００
７００
６００
５００
４００
３００
２００
１００
０
３００３５０４００４５０
Fig
ÔÚ´óÆø²ãÖзֱðÔÚ
图7
模拟资料的探空曲线图
0~100m和400~500m出现了两个明显
的逆温层而且订正折射指数随高度减小
相应波导层的波导强度
∆M≈
9.6和
∆M≈
7.2
ÀûÓù«Ê½
14
¿É
¼ÆËãµÃ³öÔڴ˲¨µ¼²ãÖÐÐγɵç´Å²¨²¨µ¼´«²¥µÄ×î´ó²¨³¤·Ö±ðΪ
λ
hmax
=0.77m和
λ
hmax
=0.67m
f
hmin
=
389.6MHz和
f
hmin
=
454.5MHz
发射的电磁波频率为5600MHz
¹ì¼£¼ûͼ8和图9
ÓÉÓÚ´æÔÚÁ½¸ö²¨µ¼²ã
µç´Å²¨ÉäÏßÊýÈ¡50条
ÓÉ´ËÄ£ÄâµÄµç´Å²¨ÉäÏß×·×ÙµÄ
10
图8电磁波波导传播的模拟追踪
Fig.8 Simulated tracing of electromagnetic wave propagation
图9电磁波波导传播的模拟追踪
Fig. 9 Simulated tracing of electromagnetic wave propagation
当发射源处于不同的波导层时
而绝大多数射线仍向上传播
形成波导传播或到达地面而形成反射
超出最大发射角的电磁波射线就不能被陷获在波导中传播了
即在雷达探测中我们可以选择合适的探测仰角避开这种异常传播在两个波导层之间和
右上部区域存在很大的电磁波空白区所以在
某些区域本应有电磁波射线却出现了空缺使本来应该探测到的雷
达回波却探测不到了
不同的大气层结就对应着不同的电磁波的传播轨迹
从而得到电磁波射线在哪里跳跃性传播
所以在雷达探测中
而哪个地区不应该产生雷达回波
从而有利于雷达探测回波分析
综合图8和图9可以看出
1
¼´´æÔÚ
dM
<0的大气层结
dh
电磁波的波长必须小于最大陷获波长
λ
hmax
有时电磁波发射源
位于波导下方时
电磁波的发射源必须位于大气波导层内
但此时发射源必须距离波导底不远
根据不同的大气层结
在雷达探测中可以利用此方法
区不应该产生雷达回波
从而有利于雷达探测回波分析
11
而哪个地
在此模拟过程中我们假设气象因子在水平方向上均一分布
平方向不均一的情况考虑进来是今后研究的方向
５
把水
这方面也有待于进一步研究
Ｄｕｔｔｏｎ Ｅ ＪＮｅｗ Ｙｏｒｋ１９６８
赵伯林等
ＺＨＡＯ ＢｏｌｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｄｕｃｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐ
ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ［Ｊ］
杜秉玉雷达气象学［Ｍ］气象出版社９４ｐｐ
［５ ］ 戴福山电波科学学报１９９８ １３（３）
潘中伟 ９０￣９５．
［７ ］ Ｌ．Ｔ． Ｒｏｇｅｒｓ， Ｃ．Ｐ． Ｈａｔｔａｎ， Ｊ．Ｋ． Ｓｔａｐｌｅｔｏｎ． Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｄｕｃｔ ｈｅｉｇｈｔｓ ｆｒｏｍ ｒａｄａｒ ｓｅａ ｃｌｕｔｔｅｒ， Ｒａｄｉｏ
３５（４）， ｐｐ ： ９５５
大气波导模拟分析及雷达雷达资料三维插值处理 南京气象学院硕士论文 ２００３年５月
12
雷达电磁波的波导传播及其射线追踪模拟
作者：
作者单位：
何宇翔， 肖辉， 古金霞， 顾松山， 刘术艳
中国科学院大气物理研究所,北京,100029
1.
酆大雄.杨绍忠.汪晓滨
均匀水滴冻结实验在云物理研究中的应用[会议论文]-2004
2.
李川.陈静.朱燕君
川西高原气温及降水年际变化的研究[会议论文]-2004
3.
郑媛媛.傅云飞.刘勇.朱红芳
热带降水测量卫星对2003年6月22日淮河暴雨降水结构与闪电活动的观测分析研究[会议论文]-2004
4.
曹丽霞.纪飞.刘健文.齐琳琳
与飞机积冰有关的云微物理参数的数值研究[会议论文]-2004
5.
袁野.蒋年冲.王成章
江淮地区云的垂直速度特征分析[会议论文]-2004
6.
索渺清.尤卫红.马学文.罗庆仙.段鹤
纵向岭谷作用下澜沧江流域降水特征分析[会议论文]-2004
7.
曹俊武.高仲辉.石林.陈刚
利用双线偏振雷达观测资料识别冰雹区的方法分析[会议论文]-2004
8.
刘敏锋.滕代高.李汀
夏季副热带西风急流位置年际变化与东亚季风环流异常[会议论文]-2004
9.
朱红.俞科爱
2003年浙北高温分析及预报[会议论文]-2004
10.
涂小萍
宁波市年降水量分析及消除小波变换边界影响的比较试验[会议论文]-2004
引用本文格式：何宇翔.肖辉.古金霞.顾松山.刘术艳
雷达电磁波的波导传播及其射线追踪模拟[会议论文] 2004
2024年9月6日发(作者：荀雪晴)
m=n+
h
R
0
h
×10
6
R
0
ｈｍ
５
M=(m−1)×10
6
=N+
其中
则式可写为
２分别对高度ｈ求导可得
６
７
单位
dN
>0
时
dh
此时大气为零折射
正折射包括正常折射
此时大气为负折射电磁波的传播轨迹不发生弯曲
电磁波的传播轨迹将凹着弯向地球
临界折射如表１所示
［２］
单位
０
dM
dh
－１
m
０
标准折射０ ０．０８０
－０．０７７
－０．１５７
当
０
dM
<0
dh
¶øʽÖÐ
´ËʱÔÚ´óÆø
∂P
<0
∂h
²ÅÓÐ
ÓÖÓÉʽ
ѹ
ºÍÖª
¼´
Öд«²¥µÄÒ»¶¨·¶Î§Äڵĵç´Å²¨
∂T∂e
ËùÒÔµ±>0
且
<0
∂h∂h
dM
¿ÉÄÜÂú×ãÌõ¼þ<0
dh
ÓÐÀûÓÚ²úÉú´óÆø²¨µ¼
2
２ 大气波导对电磁波传播的影响
２．１ 形成波导传播的电磁波波长的范围
其波长与大气波根据对流层折射的膜理论
导厚度及大气折射指数梯度三者之间必须满足一定的关系
即波导层内的
导层形成波导传播
对于电磁波的波导传播
dN
为小于
dh
若电磁波在波导底以一定的仰角射入波
即可取大气折射率
n
s
=1
,我们可以推
m单位
导出地面发射的水平极化的电磁波能形成波导传播的最大波长
λ
hmax
及波导层内大气修正折射指数垂直梯度
dM
之间的关系为
dh
８
其中Cn=
dM
dh
由图1可知 大气波导厚度远大于电磁波波长时
可形成波导传播的电磁波波长范围的上限越长大气波导的强度越强
式给出的是可受大气波导影响而形成波导传播的电磁波最大波长
波长小于此值的电磁波均可受大气波导的影最响容易受
波导影响而形波成导传播的是分米波频率0.3~3GHz²¨³¤10~1cm,频
率3~30GHzC波段
３５
３０
２５
最
大
波
长
２０
１５
１０
５
０
０５０１００１５０
波导厚度
２００２５０
Ｃ１＝－１０
Ｃ２＝－５
Ｃ３＝－３
Ｃ４＝－１
Ｃ５＝－０．５
图
1
dM
dh
一定时最大波长与波导厚度的关系
图2 射线传播路径
Fig 1 The relation of the longest wavelength and duct
thickness when the
3
dM
is given
dh
Fig 2 The path of radial propagation
２．２ 形成波导传播时电磁波发射角度范围
当电磁波的波长足够短时
结大气中传播的微分方程为
[ 4 ]
如图2所示则超短波在球状层
9
ϕ
½ÇºÜС
故上式可简化为
即
(
dh
2
)<<1
ds
»¹ÓÐ
n也近似等于1
１０
d
2
hddhdϕ
=()=ϕ
2
dsdsdsdh
把式带入式
则对上式积分可得
１２
在h
0
高度上传播路径与地球平面的夹角为
ϕ
只要知道高度h
0
上的M
0
值以及任意高度上的M值
即若知道整个气层M的垂直分布
用M
h
代替式中的M
1
2
1
2
ϕ
h
−ϕ
0
=(M
h
−M
0
)10
−6
22
这里M
h
和M
0
分别是高度h和地面上的M值
波能获陷于波导层的最大发射仰角
(ϕ
0
)
max
利用式很容易得到电磁
(ϕ
0
)
max
=2
(
M
0
−M
h
)
10
由上式可知
[
1
−6
2
]
大气波导的厚度愈厚
可形成波导传播的电磁波的发射角度的上限愈大
电磁波就会形成波导传播
可知电磁波形成波导传播的必须满足4个基本条件
须存在大气波导
必须高于最低陷获频率
也可形成波导传播
4
近地层或边界层某高度处必
频率
对于抬升波导
并且波导强度需非常
强 电磁波的发射仰角必须小于
(ϕ
0
)
max
13
θ
1
2
−θ
2
2
M(h
1
)−M(h
2
)=×10
6
(15)
2
其中
1
和单位
且线性变化率为r
M(h
1
)−M(h
2
)=
由和
dM
(h
1
−h
2
)=r(h
1
−h
2
)
dh
式可得射线垂直方向分量方程
１７
rdh=θdθ⋅10
6
若记射线的水平方向分量为x
由和式有
２０
dh
=tanθ≈θ
dx
x
1
−x
2
=
式和
θ
1
−θ
2
×10
6
r
就是进行射线追踪的射线方程
为简化计算
利用射线追踪方法研究电磁波在大气波导内的传播情形
将垂直高度分为20层
m
n从-2以步长0.5增长到8
¼Ù¶¨¸÷²ãÄÚÕÛÉäÖ¸ÊýÊÇÏßÐԱ仯µÄ
(
dN
dh
)
j
=r
j
=const
j
构
const
j
就是本层的大气折射指数的斜率值
这样在低仰角层里分得细一些更适合实际的大气层结结
在垂直方向上大气折射指数梯度为常数
当发射仰角小于
(ϕ
0
)
max
时此时在波导层顶认为发生的是全反
射而另外的射线是遵循Snell折射定律向上传播的
R
2
H=h+Rsinδ+
2R
m
压
3.3 模拟个例分析
5
R为斜距
在雷达探测中
Á½²ãģʽ
从近地面开始往上存在一超折射层
超折射层
远
没有这些分布特征
二
在此层之上有一超折射层
式下在雷达站周围近处出现正常的地物回波
ËIJãģʽ
由近地面开始相应的大气层结为
模式下在雷达站周围数十公里内出现大片超折射回波区
间无地物回波
３．３．１ 模拟个例１
而在超折射层之上为非
较连续的扩展到数十公里或更
而另一些方位上则
这种模
这种
但在两者之
利用模拟资料表2模拟了一个两层模式湿度
采用射线追踪方法模拟出了电磁波在大气波导中形成波导传播的射线轨迹见图4
932
921
909
390.5
400.2
409.8
419.6
700
800
900
14.8
13.2
11.8
4.3
2.6
1.1
8.7
7.6
6.7
290.3
284.2
278.3
6
６００
５００
４００
高
度
高
度
３００
２００
１００
０
０１０２０３０
６００
５００
４００
高
度
１０１５２０
３００
２００
１００
０
６００
５００
４００
３００
２００
１００
０
３００３５０４００
Fig
图3
模拟资料的探空曲线图
图4电磁波波导传播的模拟追踪
Fig 4 Simulated tracing of electromagnetic wave propagation
由模拟资料的探空曲线图3可以看出
度也在大气层内出现了明显的上干下湿状况
为０．４７６／ｍ
仰角
(ϕ
0
)
max
=0.0069
即
数取50条
８
而在此模拟过程中
发射的电磁波频率为5600MHz
ÓÉ´ËÄ£ÄâµÄµç´Å²¨ÉäÏß×·×ٵĹ켣¼ûͼ4
利用公式
露点温
dM
<0
dh
递减率约
计算出形成电磁波波导传播的最大发射
电磁波射线
Õâ
Ñù¾ÍʹµÃµç´Å²¨ÔÚ´«²¥¹ý³ÌÖдӷ¢ÉäÔ´¿ªÊ¼À©Õ¹µ½ºÜÔ¶µÄµØ·½ÉÙ²¿·Öµç´Å²¨ÉäÏßÐγɲ¨µ¼´«²¥
µç´Å²¨ÉäÏßµÄÕâÖÖ·Ö²¼È¡¾öÓÚ×î´ó·¢Éä½Ç
7
线就不能被陷获在波导中传播了
部分电磁波被陷获在大气波导层中产生异常传播
即在雷达探测中会出现探测空洞区
厚度等
由于
分别绘出了温度
图见图5
表３ 模拟的探空资料值
Table 3 Values of the simulated soun
ding data
大气修正折射指数的探空曲线
气压
1013
1007
1001
995
989
977
965
954
943
932
921
909
７００
６００
５００
４００
高
度
高度
0
50
100
150
200
300
400
500
600
700
800
900
温度(
°c
) 露点温度(
°c
)
15.1
14.8
14.4
14.1
13.8
25.3
21.5
20.6
19.7
19.1
18.4
17.7
13.4
13.2
13.1
12.8
0.2
7.8
6.1
5.8
5.5
5.1
4.7
4.2
e
17.4
17.2
17.1
16.7
6.2
11.4
10
9.7
9.5
9.2
8.9
8.6
N
350.9
348.8
347.3
344.3
295.5
301.8
297.1
294.0
291.2
287.7
284.2
281.5
M
350.9
356.7
363
367.9
326.9
348.9
359.9
372.5
385.4
397.6
409.8
422.8
７００
６００
５００
４００
高
度
３００
２００
１００
０
０１０２０３００５１０１５２０
高
度
７００
６００
５００
４００
３００
２００
１００
０
３００３５０４００
３００
２００
１００
０
Fig
图5
模拟资料的探空曲线图
Äæβ㲻ÊdzöÏÖÔÚ½üµØÃæ¶øÊÇÔÚµØÃæÒÔÉÏ´óÔ¼
200m~300m
中出现了随高度减小
¶øÇÒ¶©ÕýÕÛÉäÖ¸ÊýÔÚ150m~200m的大气层
波导层的波导强度
∆M≈
41.0
ÀûÓù«Ê½
14
¼ÆËãµÃ³öÔڴ˲¨µ¼²ã
8
中形成电磁波波导传播的最大波长
λ
hmax
=0.80m
f
hmin
=
375MHzÀ×´ïÌì
Ïߵĸ߶ÈȡΪ137 mÀ×´ïÌìÏß̽²âµÄÑö-2~2½Ç度·¶Î§Îª
满足了电磁波波导传播的形成条件
图6电磁波波导传播的模拟追踪
Fig.6 Simulated tracing of electromagnetic wave propagation
由图6可以看出
产生异常传播
３．３．３ 模拟个例３
在地面以上大约150m ~200m的垂直空间出现了明显的电磁波波导传播现象
有时则会探测到超出其探测距离的目标物
且离地面有一定的距离
而另有一部分射线向下传播到地面在经地面反射
电磁波射线的这种分布取决于最大发射角
而最大发射角又决定于大气波导的强度
由于部分电磁波被陷获在大气波导层中
利用模拟资料表4模拟了一个四层模式湿度
采用射线追踪方法模拟出了电磁波在大气波导中形成波导传播的射线轨迹见图8和图9
hPam
9
932
921
909
１０００
９００
８００
７００
６００
高
度
５００
４００
３００
２００
１００
０
０
700
800
900
15.5
11.6
10.0
3.7
6.3
6.7
8.2
10.1
10.5
287.3
297.5
298.0
397.2
423.1
439.3
１０００
９００
８００
７００
６００
高
度
５００
４００
３００
２００
１００
０
１０２０３０５１５２５
高
度
１０００
９００
８００
７００
６００
５００
４００
３００
２００
１００
０
３００３５０４００４５０
Fig
ÔÚ´óÆø²ãÖзֱðÔÚ
图7
模拟资料的探空曲线图
0~100m和400~500m出现了两个明显
的逆温层而且订正折射指数随高度减小
相应波导层的波导强度
∆M≈
9.6和
∆M≈
7.2
ÀûÓù«Ê½
14
¿É
¼ÆËãµÃ³öÔڴ˲¨µ¼²ãÖÐÐγɵç´Å²¨²¨µ¼´«²¥µÄ×î´ó²¨³¤·Ö±ðΪ
λ
hmax
=0.77m和
λ
hmax
=0.67m
f
hmin
=
389.6MHz和
f
hmin
=
454.5MHz
发射的电磁波频率为5600MHz
¹ì¼£¼ûͼ8和图9
ÓÉÓÚ´æÔÚÁ½¸ö²¨µ¼²ã
µç´Å²¨ÉäÏßÊýÈ¡50条
ÓÉ´ËÄ£ÄâµÄµç´Å²¨ÉäÏß×·×ÙµÄ
10
图8电磁波波导传播的模拟追踪
Fig.8 Simulated tracing of electromagnetic wave propagation
图9电磁波波导传播的模拟追踪
Fig. 9 Simulated tracing of electromagnetic wave propagation
当发射源处于不同的波导层时
而绝大多数射线仍向上传播
形成波导传播或到达地面而形成反射
超出最大发射角的电磁波射线就不能被陷获在波导中传播了
即在雷达探测中我们可以选择合适的探测仰角避开这种异常传播在两个波导层之间和
右上部区域存在很大的电磁波空白区所以在
某些区域本应有电磁波射线却出现了空缺使本来应该探测到的雷
达回波却探测不到了
不同的大气层结就对应着不同的电磁波的传播轨迹
从而得到电磁波射线在哪里跳跃性传播
所以在雷达探测中
而哪个地区不应该产生雷达回波
从而有利于雷达探测回波分析
综合图8和图9可以看出
1
¼´´æÔÚ
dM
<0的大气层结
dh
电磁波的波长必须小于最大陷获波长
λ
hmax
有时电磁波发射源
位于波导下方时
电磁波的发射源必须位于大气波导层内
但此时发射源必须距离波导底不远
根据不同的大气层结
在雷达探测中可以利用此方法
区不应该产生雷达回波
从而有利于雷达探测回波分析
11
而哪个地
在此模拟过程中我们假设气象因子在水平方向上均一分布
平方向不均一的情况考虑进来是今后研究的方向
５
把水
这方面也有待于进一步研究
Ｄｕｔｔｏｎ Ｅ ＪＮｅｗ Ｙｏｒｋ１９６８
赵伯林等
ＺＨＡＯ ＢｏｌｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｄｕｃｔ ａｎｄ ｉｔｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｔｈｅ ｐ
ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ［Ｊ］
杜秉玉雷达气象学［Ｍ］气象出版社９４ｐｐ
［５ ］ 戴福山电波科学学报１９９８ １３（３）
潘中伟 ９０￣９５．
［７ ］ Ｌ．Ｔ． Ｒｏｇｅｒｓ， Ｃ．Ｐ． Ｈａｔｔａｎ， Ｊ．Ｋ． Ｓｔａｐｌｅｔｏｎ． Ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｄｕｃｔ ｈｅｉｇｈｔｓ ｆｒｏｍ ｒａｄａｒ ｓｅａ ｃｌｕｔｔｅｒ， Ｒａｄｉｏ
３５（４）， ｐｐ ： ９５５
大气波导模拟分析及雷达雷达资料三维插值处理 南京气象学院硕士论文 ２００３年５月
12
雷达电磁波的波导传播及其射线追踪模拟
作者：
作者单位：
何宇翔， 肖辉， 古金霞， 顾松山， 刘术艳
中国科学院大气物理研究所,北京,100029
1.
酆大雄.杨绍忠.汪晓滨
均匀水滴冻结实验在云物理研究中的应用[会议论文]-2004
2.
李川.陈静.朱燕君
川西高原气温及降水年际变化的研究[会议论文]-2004
3.
郑媛媛.傅云飞.刘勇.朱红芳
热带降水测量卫星对2003年6月22日淮河暴雨降水结构与闪电活动的观测分析研究[会议论文]-2004
4.
曹丽霞.纪飞.刘健文.齐琳琳
与飞机积冰有关的云微物理参数的数值研究[会议论文]-2004
5.
袁野.蒋年冲.王成章
江淮地区云的垂直速度特征分析[会议论文]-2004
6.
索渺清.尤卫红.马学文.罗庆仙.段鹤
纵向岭谷作用下澜沧江流域降水特征分析[会议论文]-2004
7.
曹俊武.高仲辉.石林.陈刚
利用双线偏振雷达观测资料识别冰雹区的方法分析[会议论文]-2004
8.
刘敏锋.滕代高.李汀
夏季副热带西风急流位置年际变化与东亚季风环流异常[会议论文]-2004
9.
朱红.俞科爱
2003年浙北高温分析及预报[会议论文]-2004
10.
涂小萍
宁波市年降水量分析及消除小波变换边界影响的比较试验[会议论文]-2004
引用本文格式：何宇翔.肖辉.古金霞.顾松山.刘术艳
雷达电磁波的波导传播及其射线追踪模拟[会议论文] 2004