通用化下投探空系统设计与大气波导监测应用

曾祥能, 王攀峰, 李冠林, 高云霄

(解放军93213部队，北京 100085)

大气的非均匀分布形成电磁波传播的非均匀介质，会产生折射现象，使传播方向产生偏转，包括探测范围的空间位置、测量参数的准确性等受到影响，造成雷达测得的目标仰角、距离产生误差，从而使测得的目标高度产生误差。在重点关注方向获取实时性好、准确度高的大气折射率分布情况，有效地监测大气波导，成为当前各领域应用的研究热点。

电磁波传播的速度与介质的折射指数N值成反比，对于不均匀介质，传播的平面波波前(等相位面)上各点的传播速度不同，使传播方向朝N值较大的部分偏转，形成折射。电磁折射的程度及变化取决于大气折射指数的空间变化率。在一定区域内的大气折射指数接近水平均匀，在垂直方向则随着高度而减小，因此,电磁波折射主要关注垂直面内的变化，其程度取决于大气折射指数的垂直梯度，且一般为负值，梯度的绝对值随着高度逐渐减小[1]。通常情况下，以大于零度的仰角/下视角的电波在传播中一般逐渐向下折射，当大气垂直分布异常时，就会发生向上折射或向下过度折射(称作大气波导)。一般认为，低仰角发射的电波折射程度强，高仰角折射程度弱；
在低空传播的电波折射程度强，高空折射程度弱。在低空受大气变化剧烈造成大气垂直分布异常较多，因此,低空低仰角的折射变化最强。受大气温度、湿度、气压和风、云、雾等天气现象的影响[2]，大气边界层尤其是在近地层,天气变化剧烈而易发生大气波导现象。

对大气波导监测，最有效的手段是气象探空，常用的固定地面站实施气象探空可有效监测陆面上空的大气波导发生发展情况，但对于海面区域，无法设置固定的气象探空站。通过设计通用化下投探空系统，挂载在无人机或有人飞机平台上，可快速执行海上区域的大气波导监测，为无地面依托的重点区域提供大气折射率监测手段，形成大气波导快速监测诊断能力。

根据电磁波在媒介中的传播理论，大气活动造成的不均匀性引起电磁波的折射，根据斯涅尔(Snell)定律[3]，大气折射率与电磁波传播的速度与方向关系可表示为

nrsinφ=A

(1)

式中A为常数，n为大气折射率，r为传播路径中任意一点到地球球心的距离，φ为传播路径的方向角度。

在大气层中，海气边界层是折射率不均匀的传播媒介典型，其大气折射率n典型取值为

(2)

式中εr为相对介电常数。考虑到大气折射率的数值非常接近1，且变化非常小，通常引入大气折射指数N来表示

N=(n-1)×106

(3)

微波段波，大气折射指数与空气温度、大气压力和水汽压的关系可表示为[4]

(4)

式中P为大气压强，hPa；
T为大气温度，K；
e为水汽压，hPa;e与相对湿度h(%RH)和大气温度t(℃)(T=t+273.15)关系为e=e0×h；
e0可由马格努斯经验方程[5]给出

(5)

考察折射率分别受温度T、湿度e、气压P的影响，分别求导可得

(6)

选取典型的底层大气条件，取温度为290 K，相对湿度为50 %RH，气压为1 000 hPa，代入式(6)，可得

ΔN=0.268·ΔP-1.216·ΔT+4.435·Δe

(7)

由式(7)可知，大气折射率的变化与大气压强、水汽压正相关，与温度变化负相关，其中,水汽压的变化对折射率变化影响最大，对大气压强的影响相对较小。

2.1 下投探空技术方案设计

利用空基平台(如运输机、无人机)搭载下投式探空设备在重点关注方向投放下投式探空仪，快速获取空中温—压—湿廓线，实时输出飞机航过区域的大气折射率分布。

由降落伞携带探空仪在空中匀速下落，降速10～12 m/s，每秒采样1～2次数据并实时回传，可输出垂直分辨率为6～10 m的空中温/湿/压信息廓线，并通过北斗导航定位芯片提供准确的位置信息用于解算折射率的空间高度。

下投探空仪集成方案中，温度传感器选择对称珠状热敏电阻，通过测量范围内多点校准后确保测量精度[6]，在20 ℃下10 m/s流速的响应时间为0.4 s；
湿度传感器难度较大，采用高分子薄膜电容是当前的主流，利用湿敏电容的容值与相对湿度的变化量相关性完成湿度测定，在20 ℃下6 m/s流速的响应时间为0.3 s，在-40 ℃下6 m/s流速的响应时间为10 s；
压力传感器比较成熟，可实现1 hPa的综合测量精度，在高空(小于100 hPa)时测量不确定度为0.3 hPa。

设计通用型吊舱式下投探空系统，采用转接挂件无人机机腹或机翼下，通过飞机平台12 V直流供电，并通过无人机测控链路等手段可实时回传探空气象信息。通用型挂载转接件使吊舱可适配不同种飞机/无人机的机腹、机翼挂载，并实现即插即用快速转换能力。

吊舱内预装8枚下投式探空仪，装填前完成基测，可按预设高度或实时控制投放高度，吊舱对指定探空仪上电、捕获北斗定位信息，投放探空仪。

2.2 下投探空监测大气波导的地面试验验证

采用下投探空监测大气波导，温/湿/压测量敏感元件的响应能力，是关系到大气波导层高度、厚度测量精度的关键，更是影响大气波导监测识别的主要因素[7]。根据大气折射率敏感性分析结论，其中尤以温、湿测量响应能力最为重要。因此，在地面温、湿发生器中对所设计的下投探空仪温/湿敏感元件进行响应能力验证。利用2套便携式温湿度发生器，设置成温/湿阶跃环境，在2个温/湿环境下手动切换探空仪传感器，实时记录测量值。试验条件如下：

测量值记录频率5 Hz(每隔0.2 s记录1组)；

湿度环境：95 %RH(高湿/20 ℃)，20 %RH(低湿/20 ℃)；

温度环境：10 ℃，50 ℃(35 %RH)；

切换传感器过程需短暂经历实验室内大气环境，测量过程中实验室大气环境：22.8～23.4 ℃，42 %～43 %RH。

测量升温/降温与降湿/升湿试验数据记录如图1所示。

图1 下投探空仪温/湿敏感元件响应试验数据记录

对试验数据进行标准化处理，得出温/湿敏感元件的响应能力如表1、表2所示。

表1 湿度敏感元件响应能力情况

表2 温度敏感元件响应能力情况

通过地面试验，可初步确定当前典型的下投探空仪在常温条件(约23 ℃)对温/湿测量动态响应能力如下：

温度测量时间常数为1.0～1.4 s，响应时间为2.2～2.8 s。

湿度测量时间常数为0.8～1.4 s，响应时间为1.2～4.9 s。

其中，降湿至低湿(20 %RH)时响应时间为4.9 s，其他情况的测量响应时间在2 s以内，按照下投式探空仪下降速度为10 m/s(海平面)计算，能够满足大气波导监测需求。

2.3 基于下投探空信息大气波导识别诊断模型

下投探空获取的高度/温/湿/压信息序列记为{h,Tem,Hum,Pre}对应的单位分别为m、℃、%RH及hPa，分别换算为海拔高度h(m)、热力学温度T(K)、水汽压e(hPa)及大气压P(hPa)，利用大气折射率计算公式得到不同高度层的折射率指数值，进一步按照下式得到折射率指数梯度

(8)

逐层判断修正折射率指数梯度值ΔM=ΔN+0.159，提取出梯度值ΔM<0的高度层，判断为该层为大气波导层[8]。并按表3计算波导层相关参数。

表3 大气波导参数化提取识别

3.1 试验方案

采用下投探空系统获取空中温/湿/压廓线信息，验证下投探空监测大气波导的能力。采用系留气球低空气象探测系统与通用型下投探空系统开展大气波导监测试验[9]。主要验证下投探空系统与低空气象探测系统在大气波导监测的能力对比与诊断方法。2种测量手段的性能对比如表4所示。

表4 试验设备性能对比

3.2 试验数据分析

2020年6月28日早07︰16开始，在陕西蒲城内府机场(本场海拔341 m)，先后由无人机挂载吊舱式下投探空系统，到07︰32完成投放5枚探空仪，获取有效探空数据95组。

按照同高度层同时间与系留气球低空气象探测系统的温/湿/压信息比对，对系留气球低空气象探测系统的温度测量系统误差补偿后，计算出的均方根误差分别为-0.72 ℃，5.8 %RH，2.2 hPa。

采用大气折射率计算模型式(4)，分别利用下投探空气象信息与系留气球获取的气象信息[10]，绘出当时陕西蒲城内府机场空域的低空大气折射率分布如图2所示，实线为系留气球气象信息计算值，点划线为下投探空气象信息计算值，可见二者呈现的大气折射率空间分布基本一致，相同高度的差值约5 N单位。

图2 陕西蒲城机场低空大气折射率分布的计算

进一步，按照大气折射率梯度计算模型如式(6)完成大气波导识别诊断，如图3所示，经下投探空系统气象信息计算的大气折射率梯度(黑色虚线)分布诊断，海拔625～648 m出现电磁波限获折射，诊断该区域为大气波导层；
而系留气球气象信息计算的大气折射率梯度(灰色虚线)分布诊断，海拔608～627 m出现电磁波限获折射，诊断该区域为大气波导层。二者识别诊断的大气波导层非常接近，可见下投探空系统对大气波导监测能力准确可信。在其他高度层的大气折射率梯度分布方面，二者基本一致。而且下投探空系统具备更高的垂直分辨率，能够提供更加精细的大气折射率空间分布信息，利于对大气折射情况的准确描述。

图3 陕西蒲城机场低空大气折射率梯度分布与大气波导识别诊断

基于大气折射率经验模型开展了大气温、湿、压三要素的敏感性分析，得出不同要素与大气折射率相关性特点与分布规律。在此基础上，开展通用化下投探空系统设计，并通过与地面施放的低空气象探测系统对比完成了大气波导监测比对，设计的通用化下投探空系统具备大气波导监测能力，测量灵敏度、准确度满足大气波导监测要求，具有通用化快速适配飞机平台能力，具备较好的推广应用前景。