浮空式自組網(wǎng)大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)

規(guī)格介紹

浮空式自組網(wǎng)大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)JD-9X主要負責(zé)采集空域中的大氣波導(dǎo)信息，該系統(tǒng)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(shù)據(jù)，利用公式可直接計算得到波導(dǎo)高度等波導(dǎo)特征量數(shù)據(jù)。

浮空式自組網(wǎng)大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)構(gòu)成上主要由平臺層、硬件層、協(xié)議層、應(yīng)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(shè)備組成；協(xié)議層主要包括動態(tài)自組網(wǎng)協(xié)議，使整個系統(tǒng)具備動態(tài)自組網(wǎng)功能；在應(yīng)用層，測量系統(tǒng)搭建數(shù)據(jù)采集與收集的應(yīng)用和能耗管理應(yīng)用。

浮空式自組網(wǎng)大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)

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雷達是利用目標對電波的散射實現(xiàn)探測的,不均勻大氣引起的電波折射效應(yīng)使得電波傳播軌跡發(fā)生彎曲。當大氣折射率滿足大氣波導(dǎo)產(chǎn)生條件時,電磁波的傳播將被限定在大氣波導(dǎo)層內(nèi)。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(xiàn)雷達超視距探測。目前,利用大氣波導(dǎo)實現(xiàn)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(lǐng)域研究的熱點問題之一。要實現(xiàn)雷達超視距探測,首要問題是對大氣波導(dǎo)的特征信息進行測量。由于現(xiàn)有的大氣波導(dǎo)預(yù)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(dǎo)進行雷達超視距探測始終處于理論研究階段,無法滿足現(xiàn)實應(yīng)用需求,因此急需研制的大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)。本文根據(jù)大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)研制的研究課題的要求,對基于微波諧振腔的大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)中的電路進行了設(shè)計、和實現(xiàn)。大氣波導(dǎo)能否存在取決于大氣折射率梯度,因此大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)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(dǎo)的環(huán)境特征和一般測量方法,在此基礎(chǔ)上給出了可實現(xiàn)在線測量大氣折射率的大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)的原理、組成和主要技術(shù)指標。然后對組成大氣波導(dǎo)測量系統(tǒng)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(shè)計,同時對設(shè)計的電路進行了、優(yōu)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(dǎo)測量系統(tǒng),并進行聯(lián)機性能測試和精度檢驗。

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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(nèi)傳播的現(xiàn)象。當對流層的某層出現(xiàn)逆溫或水汽急劇減小，導(dǎo)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(dǎo)內(nèi)進行的現(xiàn)象（如圖1）。大氣波導(dǎo)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(dǎo)層厚度的大氣波導(dǎo)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(dǎo)層中傳播。大于該仰角和波長時，電波將透過大氣波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)層中傳播。無線電波的大氣波導(dǎo)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(chǎn)生偏差。大氣波導(dǎo)是由氣象條件決定的，可以根據(jù)氣象探測來預(yù)測大氣波導(dǎo)的出現(xiàn)

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種波導(dǎo)主要形成于海洋上空 [2] 。（1）蒸發(fā)波導(dǎo)：蒸發(fā)波導(dǎo)是海洋大氣環(huán)境中常出現(xiàn)的一種特殊表面波導(dǎo)，它是由于海面水汽蒸發(fā)是近海面小范圍內(nèi)大氣濕度隨高度銳減而形成的。（2）表面波導(dǎo)：表面波導(dǎo)是下邊界與地表相連的大氣波導(dǎo)。表面波導(dǎo)一般出現(xiàn)在大氣較穩(wěn)定的晴好天氣條件下，此時低層大氣存在一個較穩(wěn)定的逆溫層，且濕度隨高度遞減。（3）抬升波導(dǎo)：抬升波導(dǎo)是下邊界懸空的大氣波導(dǎo)。抬升波導(dǎo)下邊界高度一般距地面數(shù)十米或數(shù)百米，在此高度上一般存在一個逆溫層。大氣波導(dǎo)發(fā)生的大氣層即為大氣波導(dǎo)層。官莉等 [3] 研究表明，邊界層中的電磁波若要形成波導(dǎo)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(dǎo)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(fā)射源必須位于大氣波導(dǎo)層內(nèi)。對于抬升波導(dǎo)，有時電磁波發(fā)射源位于波導(dǎo)底下方時，也可形成波導(dǎo)傳播，但此時發(fā)射源必須距波導(dǎo)底不遠，且波導(dǎo)必須非常強。（4）電磁波的發(fā)射仰角必須小于某一臨界仰角。

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