浮空式自組網大氣波導測量系統

規格介紹

浮空式自組網大氣波導測量系統JD-9X主要負責采集空域中的大氣波導信息，該系統可依托無人機、探空球等空中平臺，通過其上攜帶的傳感器測量不同高度上大氣的溫度、濕度、氣壓等數據，利用公式可直接計算得到波導高度等波導特征量數據。

浮空式自組網大氣波導測量系統構成上主要由平臺層、硬件層、協議層、應用層組成，其中，平臺層可使用無人機或探空球等空中平臺；硬件層基于傳感器和采集設備組成；協議層主要包括動態自組網協議，使整個系統具備動態自組網功能；在應用層，測量系統搭建數據采集與收集的應用和能耗管理應用。

浮空式自組網大氣波導測量系統

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雷達是利用目標對電波的散射實現探測的,不均勻大氣引起的電波折射效應使得電波傳播軌跡發生彎曲。當大氣折射率滿足大氣波導產生條件時,電磁波的傳播將被限定在大氣波導層內。此時電磁波傳播的能量衰減很小,且可克服地球曲率的影響,傳播距離遠大于視在距離,因此可實現雷達超視距探測。目前,利用大氣波導實現雷達超視距探測已成為擴大雷達探測范圍的有效手段之一,也是雷達領域研究的熱點問題之一。要實現雷達超視距探測,首要問題是對大氣波導的特征信息進行測量。由于現有的大氣波導預測模型和常采用氣象儀器進行實時測量的精度較差,并且也無法達到在線測量的精度要求,使得利用大氣波導進行雷達超視距探測始終處于理論研究階段,無法滿足現實應用需求,因此急需研制的大氣波導測量系統。本文根據大氣波導測量系統研制的研究課題的要求,對基于微波諧振腔的大氣波導測量系統中的電路進行了設計、和實現。大氣波導能否存在取決于大氣折射率梯度,因此大氣波導測量系統測量的特征信息主要是大氣中不同位置上的大氣折射率。首先介紹了大氣波導的環境特征和一般測量方法,在此基礎上給出了可實現在線測量大氣折射率的大氣波導測量系統的原理、組成和主要技術指標。然后對組成大氣波導測量系統的各個電路單元,如晶體振蕩器、中放電路、鑒相積分控制電路以及PLL頻率合成器電路等進行了詳細設計,同時對設計的電路進行了、優化和制作。后,將研制的各個電路單元與微波諧振腔一起組成大氣波導測量系統,并進行聯機性能測試和精度檢驗。

浮空式自組網大氣波導測量系統

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由于對流層中存在逆溫或水汽隨高度急劇變小的層次，在該層中電波形成超折射傳播，大部分電波輻射被限制在這一層內傳播的現象。當對流層的某層出現逆溫或水汽急劇減小，導致空氣密度和折射率的垂直變化很大，造成無線電波射線的超折射傳播，其電磁能量在該層大氣的上下壁之間來回反射向前傳播，好像在波導內進行的現象（如圖1）。大氣波導層可以是貼地面的，也可以是懸空的大氣層。對于一定的折射率垂直梯度和波導層厚度的大氣波導來說，只有小于一定的仰角與波長的無線電波才能在大氣波導層中傳播。大于該仰角和波長時，電波將透過大氣波導層，該仰角和波長稱為穿透角和臨界波長。大的折射率垂直變化和厚的波導層，其穿透角和臨界波長也大，這樣可以使較大仰角和波長的無線電波射線在大氣波導層中傳播。無線電波的大氣波導傳播，主要在厘米波波段。它可以使雷達和通信的工作距離增加，但是也會使雷達定位產生偏差。大氣波導是由氣象條件決定的，可以根據氣象探測來預測大氣波導的出現

浮空式自組網大氣波導測量系統

種波導主要形成于海洋上空 [2] 。（1）蒸發波導：蒸發波導是海洋大氣環境中常出現的一種特殊表面波導，它是由于海面水汽蒸發是近海面小范圍內大氣濕度隨高度銳減而形成的。（2）表面波導：表面波導是下邊界與地表相連的大氣波導。表面波導一般出現在大氣較穩定的晴好天氣條件下，此時低層大氣存在一個較穩定的逆溫層，且濕度隨高度遞減。（3）抬升波導：抬升波導是下邊界懸空的大氣波導。抬升波導下邊界高度一般距地面數十米或數百米，在此高度上一般存在一個逆溫層。大氣波導發生的大氣層即為大氣波導層。官莉等 [3] 研究表明，邊界層中的電磁波若要形成波導傳播，必須滿足4個基本條件：（1）近地層或邊界層某一高度處必須存在大氣波導層。（2）電磁波的波長必須小于大陷獲波長（頻率高于低陷獲頻率）。（3）電磁波發射源必須位于大氣波導層內。對于抬升波導，有時電磁波發射源位于波導底下方時，也可形成波導傳播，但此時發射源必須距波導底不遠，且波導必須非常強。（4）電磁波的發射仰角必須小于某一臨界仰角。

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