王盼盼
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,合肥 230088)
無(wú)線電聲波探測(cè)系統(tǒng)(Radio Acoustic Sounding System, RASS)是一種測(cè)量大氣溫度剖面的遙感探測(cè)設(shè)備。雷達(dá)的后向散射來(lái)源于大氣中人工誘導(dǎo)的聲波引起的周期性的介電常數(shù)變化。在靜止大氣中,聲波的傳播速度可以近似認(rèn)為與氣溫的平方根成正比。根據(jù)這一物理機(jī)制,利用電波雷達(dá)多普勒追蹤聲波脈沖并測(cè)量沿路徑變化的聲速,即可求得溫度隨高度的分布。[1-3]RASS以向大氣中發(fā)射的聲波波陣面作為示蹤物,而且同時(shí)使用聲波和電波,與其他使用自然示蹤物的遙感探測(cè)設(shè)備相比,不易受到大氣中云霧等降水粒子的妨礙。盡管這樣,RASS 探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用依然發(fā)展緩慢,其最大的原因就是風(fēng)場(chǎng)的存在限制了探測(cè)條件。
許多研究者從事風(fēng)場(chǎng)影響下的RASS探測(cè)研究,并發(fā)表了一些理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Masuda研究指出風(fēng)場(chǎng)和溫度梯度的存在會(huì)導(dǎo)致最大測(cè)量高度的降低[4]。王盼盼等人[5]的數(shù)值模擬結(jié)果也表明,風(fēng)場(chǎng)的存在將導(dǎo)致聲波波陣面沿風(fēng)場(chǎng)的方向發(fā)生偏移,偏移的聲波會(huì)致使電波后向散射回波強(qiáng)度減弱并改變回波的路徑,使得單基地雷達(dá)天線數(shù)據(jù)接收率降低,因而限制RASS的探測(cè)高度。
本文從聲波擾動(dòng)介質(zhì)中的電波波動(dòng)方程出發(fā),使用時(shí)域有限差分方法[6],構(gòu)建了一個(gè)可以評(píng)估無(wú)線電聲波探測(cè)系統(tǒng)的性能的數(shù)值模型,并運(yùn)用該模型模擬分析了大氣風(fēng)場(chǎng)背景下RASS探測(cè)高度的改善。數(shù)值模擬結(jié)果表明,本文提出的改善方案均可以有效地改善大氣風(fēng)場(chǎng)對(duì)RASS探測(cè)高度的影響。
無(wú)源擾動(dòng)起伏介質(zhì)中,根據(jù)矢量恒等式▽×▽×E=▽(▽·E)-▽2E, Maxwell方程可以簡(jiǎn)化為
(1)
其中,▽2為L(zhǎng)aplace算子,c0為真空中的光速,n為大氣折射指數(shù)。
為了方便計(jì)算,定義折射率N=106(n-1)。根據(jù)Smith-Weintraub方程,對(duì)流層的大氣折射率為
(2)
其中,p為大氣壓強(qiáng),單位為Pa;e為水汽壓強(qiáng),單位為Pa;T為熱力學(xué)溫度,單位為K。
在背景大氣中加入聲波擾動(dòng),設(shè)背景壓強(qiáng)和密度為p0,ρ0聲波擾動(dòng)壓強(qiáng)和密度為p1,ρ1,則p=p0+p1。若忽略水汽壓力項(xiàng),結(jié)合理想氣體的Clapeyron定律數(shù)學(xué)表達(dá)式[7],
p=RT(ρ0+ρ1)
(3)
其中,R為干空氣的氣體常數(shù)。折射率方程可以簡(jiǎn)化為
n=10-6N+1=7.76×10-7R(ρ0+ρ1)+1
(4)
將式(4)帶入式(1),即為聲波擾動(dòng)介質(zhì)中的電波波動(dòng)方程。
本文的大氣溫度剖面由經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蚆SISE-00給出,湍流、粘滯現(xiàn)象的影響忽略不計(jì)。隨高度變化的背景大氣風(fēng)場(chǎng)由MST(Mesosphere Stratosphere Troposphere)雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)給出。大氣背景參數(shù)如圖1所示。
在本文的模擬中,使用笛卡爾坐標(biāo)系。發(fā)射仰角定義為發(fā)射方向和x軸正方向的夾角。初始時(shí)刻,聲波和電波的發(fā)射仰角均為90°,發(fā)射點(diǎn)均位于坐標(biāo)原點(diǎn)處。模擬中使用的電波頻率設(shè)置為46.5 MHz。為了滿足電波波長(zhǎng)與聲波波長(zhǎng)之間的Bragg條件,聲波頻率取為102 Hz。
初始時(shí)刻,在大氣中加一個(gè)豎直向上傳播的高斯型單色正弦聲波波包擾動(dòng),其擾動(dòng)形式如下[8]:
(5)
其中,Aa為聲壓振幅;xa,za分別為波包在x軸和z軸方向上的初始幾何位置;σax,σaz分別為波包在x軸和z軸方向上的半波長(zhǎng);kax和kaz分別為聲波波包波數(shù)的水平成分和豎直成分。本文中,設(shè)置Aa=0.005,xa=0 km,za=2.0 km,σax=8 m,σaz=6 m。由于聲波的發(fā)射仰角為 90°, 因此kax=0。
初始時(shí)刻,在擾動(dòng)大氣中加一個(gè)高斯型單色正弦電波波包,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:
(6)
其中,Ae是電場(chǎng)強(qiáng)度振幅;xe,ze分別為電波波包在x軸和z軸方向上的初始幾何位置;σex,σez分別為波包在x軸和z軸方向上的半波長(zhǎng);θ為電波發(fā)射仰角;k為電波波包的波數(shù)。本文中,設(shè)置Ae=2.0,xe=0 km,ze=9.5 km,σex=20 km,σez=4 km。
為了提高大氣風(fēng)場(chǎng)背景下RASS的探測(cè)距離,本節(jié)從聲波與電波發(fā)射源的相對(duì)位置、電波發(fā)射仰角兩個(gè)方面來(lái)討論RASS探測(cè)高度的改善,并給出不同改善條件下的散射回波軌跡模擬結(jié)果對(duì)比圖。具體提出3種改善:(1)改變電波與聲波發(fā)射源之間的距離;(2)改變電波的發(fā)射仰角;(3)同時(shí)改變電波與聲波相對(duì)位置以及電波發(fā)射仰角。具體配置如圖2所示。
在原始配置圖2(a)中,雷達(dá)與聲波發(fā)射源均位于坐標(biāo)原點(diǎn),電波與聲波發(fā)射源之間的距離r=0,發(fā)射仰角θ=90°。圖2(b)的改善方案B中,在順風(fēng)方向上電波與聲波發(fā)射源的距離r=100 m,發(fā)射仰角θ=90°。圖2(c)的改善方案C中,雷達(dá)與發(fā)射源之間的距離r=0,發(fā)射仰角θ=88.3°,與原始配置的發(fā)射仰角差為Δθ=1.7°。圖2(d)的改善方案D中,聲波發(fā)射源在迎風(fēng)方向上與雷達(dá)天線的距離r=75 m,發(fā)射仰角θ=89.6°,仰角差Δθ=0.4°。
圖3為大氣風(fēng)場(chǎng)背景下電波后向散射回波波包傳播軌跡對(duì)比圖,圖中的(a)、(b)、(c)、(d)依次對(duì)應(yīng)于圖2中的4種配置。圖中聲波散射體的高度為11.06 km,圖中的后向散射回波作歸一化Eb/E0處理。借助圖中x=0.25 km的輔助虛線,由圖3(a)可以看出,后向散射回波波包均分布在輔助虛線的右側(cè),遠(yuǎn)離原點(diǎn)處的接收點(diǎn)。分別對(duì)比圖3(a)和圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)可以明顯看出,在相同高度聲波散射體背景下,3種改善方案均可以有效地改善散射點(diǎn)處的電波和聲波波陣面的關(guān)系,從而改善后向散射回波的傳播軌跡,使回波的水平偏移減小。
圖4為對(duì)應(yīng)于圖2(a)、(b)、(c)、(d)配置方案的電波后向散射波包能量對(duì)比圖。波包為圖3中位于9.5~9.6 km高度上的電波散射回波。對(duì)比圖4的Eb/E0可以看出,3種改善方案也可以增強(qiáng)后向散射回波的強(qiáng)度。
為了更直觀地闡述圖3所示的不同配置方案下電波的散射傳播以及后向散射回波傳播軌跡,引入電波波包軌跡中心的概念。波包軌跡中心定義為電波波包振幅最大值所在的位置。圖5顯示的是大氣風(fēng)場(chǎng)背景下對(duì)應(yīng)于相同高度散射體的原始配置和3種改善方案下電波散射傳播的局部波包軌跡中心描跡圖。由圖5可以看出,在原始配置方案下電波后向散射波包軌跡水平偏移最嚴(yán)重,而在改善方案下后向散射傳播波包的軌跡偏移均有明顯的改善。波包軌跡水平偏移的減少將有利于雷達(dá)天線的數(shù)據(jù)接收,因而這3種改善方案均可以提高大氣風(fēng)場(chǎng)背景下的RASS探測(cè)高度。
本文根據(jù)聲波擾動(dòng)介質(zhì)中的電波波動(dòng)方程,使用時(shí)域有限差分方法,構(gòu)建了描述聲波和無(wú)線電波相互作用的數(shù)值模型,并運(yùn)用該模型分析了大氣風(fēng)場(chǎng)影響下RASS探測(cè)高度的改善。在對(duì)流層大氣負(fù)溫度梯度背景下,針對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響下的電波散射傳播提出具體的改善配置,并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析和比較。
大氣風(fēng)場(chǎng)背景下不同改善方案下的電波散射傳播模擬結(jié)果表明,在不降低聲波散射體高度的條件下在順風(fēng)方向上移動(dòng)電波發(fā)射源、改變電波波束的發(fā)射仰角或者同時(shí)改變電波發(fā)射源的位置和發(fā)射仰角均可以有效地降低后向散射回波的水平偏移,并增強(qiáng)回波的強(qiáng)度。這3種改善配置均有利于提高雷達(dá)天線的數(shù)據(jù)接收率,因而改善大氣風(fēng)場(chǎng)對(duì)RASS探測(cè)高度的影響。