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电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究引言：电磁波的传播特性及应用研究一直是物理学、通信工程和电磁学等领域的研究热点。
在大气波导环境中，电磁波的传播受到大气层的影响，具有一些独特的特性，因此在雷达、无线通信、天气预报等方面的应用都具有重要意义。
本文将系统地介绍电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究。
一、电磁波在大气波导环境中的传播特性1. 大气介质特性对电磁波的传播影响大气介质对电磁波的传播起着重要作用。
大气中的水分子和氧分子对电磁波的吸收、散射和折射产生影响。
此外，大气介质的湿度、温度和密度对电磁波的传播特性也有影响。
2. 大气波导条件下的电磁波传播大气波导是指在大气中存在的具有传播特性的电磁波。
在大气波导条件下，电磁波的传播路径不仅限于直线传播，还涉及地球表面的反射和散射。
这种传播特性使得电磁波在雷达、通信系统等应用中有更优异的性能。
3. 引频雷达的工作原理引频雷达是一种利用大气波导进行远距离目标探测的工具。
它利用了由电离层和地球表面反射后的信号，实现对目标的探测和跟踪。
它的工作原理基于电磁波在大气波导环境中的传播特性。
二、电磁波在大气波导环境中的应用研究1. 引频雷达在大气科学中的应用引频雷达可以测量大气中的电离层、对流层和平流层等层结的高度、密度和变化情况。
通过对大气参数的研究，可以更好地理解天气现象和气候变化。
2. 电磁波在无线通信中的应用在大气波导环境中，电磁波的传播路径更加稳定，因此在无线通信中具有更远的传输距离和更好的可靠性。
这对于无线电视、移动通信和卫星通信等应用具有重要意义。
3. 电磁波在地球物理勘探中的应用通过电磁波在大气波导环境中的传播特性，可以实现地球内部结构的勘探，如矿产资源、油气田的探测。
利用电磁波在大气波导中的传播特性，地球物理勘探的效率和精度都得到了提高。
结论：电磁波在大气波导环境中的传播特性独特而重要。
大气介质的特性对电磁波的传播起到重要影响，而大气波导条件下的电磁波传播使得雷达、通信和地球物理勘探等领域的应用得到了进一步发展。
第 21 卷 第 12 期2023 年 12 月Vol.21，No.12Dec.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology一种复杂地物目标近垂直后向散射系数反演方法刘小红，经文*，江舸，唐高弟(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621999)摘要：复杂地物目标的近垂直后向散射特征是影响雷达高度表回波波形的重要因素之一。
对近垂直后向散射系数的获取主要采用基于参数模型的实测数据拟合方法，但一般只适用于地势平坦且介质相对单一的地海面目标。
本文基于机载雷达高度表，针对复杂地物目标的距离-多普勒图像仿真实验数据和实测数据，利用距离-多普勒域和地球空间域的映射关系，提出一种后向散射系数的反演算法，并对得到的后向散射系数进行定量分析。
实验验证了提出的反演算法具有一定的适用性和参考性。
关键词：后向散射系数；反演方法；距离多普勒图像；雷达高度表中图分类号：TN957.51 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2021375A near-vertical backscattering coefficient inversion method forcomplex ground object based on Range-Doppler imageLIU Xiaohong，JING Wen*，JIANG Ge，TANG Gaodi(Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621999，China)AbstractAbstract：：The near-vertical backscatter characteristics of complex ground objects are one of the important factors affecting the echo waveform of radar altimeter. The measured data fitting method isadopted based on the parameter model to acquire the near-vertical backscattering coefficient, but it isonly suitable for the ground and sea surface targets with flat terrain and relatively single medium. In thispaper, with the mapping between Range-Doppler domain and geospatial domain, aiming to the simulationexperiment data and the measured real data for airborne radar altimeter's Range-Doppler image ofcomplex ground objects, a backscatter coefficient inversion algorithm is proposed and the obtainedbackscatter coefficients are quantitatively analyzed. It is verified that the proposed inversion algorithmhas certain applicability and reference value.KeywordsKeywords：：backscattering coefficient；inversion method；Range-Doppler image；radar altimeter 雷达高度表是一种测量雷达对地相对高度的装置[1]，其中机载雷达高度表多用于民航客机和军用飞行器测高任务。
导体圆柱的散射原理本文将详细介绍导体圆柱的散射原理，涵盖雷达散射截面（RCS）、电磁波与导体圆柱的相互作用、散射特性分析、后向散射系数、前向散射系数、极化状态以及散射系数随频率的变化。
1.雷达散射截面（RCS）雷达散射截面（RCS）是衡量目标物体对雷达波散射能力的物理量。
它受到物体形状、尺寸、电磁参数以及入射波频率和极化状态等因素的影响。
在导体圆柱的散射问题中，RCS具有重要的作用。
2.电磁波与导体圆柱的相互作用当高频率的电磁波照射到导体圆柱上时，会产生散射现象。
电磁波与导体圆柱相互作用，导致电磁波的振幅和相位发生变化。
散射系数是描述这种相互作用的物理量，它与电磁参数、入射波的频率和极化状态等因素有关。
3.散射特性分析散射特性分析包括散射系数、极化状态和散射系数随频率的变化等方面。
散射系数描述了电磁波在导体圆柱表面的散射能力，极化状态则反映了电磁波的振动方向。
在不同的频率和极化状态下，电磁波的传播和散射特性会有所不同。
4.后向散射系数后向散射系数是指电磁波从正面照射到目标物体后，从物体的后方发射回前方的散射强度与入射强度的比值。
后向散射系数对于雷达探测和识别目标物体具有重要的意义。
通过计算和分析后向散射系数，可以了解目标物体的形状、尺寸以及电磁参数等信息。
5.前向散射系数前向散射系数是指电磁波从正面照射到目标物体后，从物体的前方发射到后方的散射强度与入射强度的比值。
前向散射系数在雷达探测和识别目标物体方面同样具有重要的作用。
通过计算和分析前向散射系数，可以了解目标物体的形状、尺寸以及电磁参数等信息。
6.极化状态电磁波的极化状态是指电场矢量的振动方向随时间变化的方式。
在导体圆柱的散射问题中，极化状态对散射系数有重要的影响。
不同的极化状态下，电磁波的传播和散射特性会有所不同。
因此，在研究导体圆柱的散射问题时，需要考虑极化状态的影响。
7.散射系数随频率的变化在电磁波与导体圆柱相互作用的过程中，散射系数会随入射波频率的变化而变化。
后向散射测试方法
后向散射测试方法（Backscattering testing method）是用于检测材料和物体内部缺陷的一种无损检测技术。
它基于射线在入射材料中散射回来的原理，通过测量回散射的射线强度和时间延迟，可以推断出材料内部的缺陷情况。
后向散射测试方法可应用于多种材料的缺陷检测和质量控制，比如金属、塑料、陶瓷、石头等。
具体的测试过程包括发射一束高能量的X射线或中子束入射到材料中，被射线击中的原子将产生散射，在散射过程中一部分射线会返回到探测器，通过分析回散射的强度和时间延迟，可以确定材料中的缺陷位置和大小。
相比于其它无损检测方法，后向散射测试方法有较高的检测精度和可靠性，可以用于检测非常小的缺陷，而且不会对材料造成损伤。
但是，该方法需要专业仪器和操作技术，并且较为耗时，成本也较高，所以在实际应用中需要根据具体情况进行评估。
雷达散射截面
雷达散射截面(Radar Cross section,缩写RCS)是雷达隐身技术中最关键的概念，它表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。
雷达散射截面又称后向散射截面，是雷达入射方向上目标散射雷达信号能力的度量,用入射场的功率密度归一化表示。
RCS是指雷达入射方向上单位立体角内返回散射功率与目标截状的功率密度之比。
雷达散射截面是入射方向单位立体角内返回的散射功率与目标的入射功率密度之比。
表征地面的目标对于雷达波束的回波强度。
雷达散射截面既与目标的形状、尺寸、结构及材料有关，也与入射电磁波的频率、极化方式和入射角等有关。
后向散射系数是单位面积上的雷达散射截面。
后向散射系数越大，表示目标的回波越强。
第30卷第2期2011年6月海洋技术OCEAN TECHNOLOGYVol.30，No.2Jun，2011基于FTF/T-R法的水体后向散射系数测量方法研究杨安安1，周虹丽1，陈利博2，朱建华1（1.国家海洋技术中心，天津300112；2.大连海洋大学，辽宁大连116023）摘要：文章给出了一种利用FTF/T-R方法的操作原理并结合算法获得水体悬浮颗粒物后向散射系数的方法。
通过该方法对藻类样品和悬浮泥沙样品的后向散射系数进行测量，样品的转移效率超过92.2%，悬浮泥沙样品后向散射系数光谱曲线呈现幂指数曲线特征。
利用该方法对标准颗粒物进行测量，其实际测量值与理论计算值的对比结果显示：380～480nm波长范围内，两者的相对标准偏差为21%，480～565nm两者的相对标准偏差为9.7%，565~ 680nm实测值大于理论值，证明该方法对于测量水体后向散射系数是一种可行的方法。
关键词：后向散射系数；FTF/T-R法；悬浮颗粒物中图分类号：TP722.4文献标志码：A文章编号：1003-2029（2011）02-0022-06水体吸收系数和散射系数是水体固有光学特性中的重要参数。
其中后向散射部分的光线透过水面形成离水辐亮度，是遥感传感器获取水体信息的来源和物理基础，是生物光学模型的重要输入参数。
其大小与水体中各组分的浓度、悬浮颗粒物的形状、大小有关。
目前对水体吸收系数的研究较多，而专门针对水体后向散射光学特性的研究相对较少，且主要针对光学特性受浮游藻类主导的海洋一类水体进行。
因此有必要对该参数进行深入研究，以便更为准确地定量化表达水体光学特性，为更好地建立固有和表观量之间的桥梁奠定基础。
理论上水体中悬浮物后向散射系数是无法直接测量得到的，目前获取水体后向散射系数的方法主要有以下几种：）（1）试验现场直接测量法，即利用现有的水体光学测量仪器（Hydroscat，AC-9,BB9,HS-6等）对水体后向散射系数进行直接或间接测量得到，但该方法只能对特定角度、特定波段的后向散射进行测量，因此对后向散射光学特性的影响因子的分析有一定的局限性；（2）基于物理模型的方法，首先利用颗粒物的散射理论计算得到水体颗粒物的散射系数，在利用后向散射概率函数得到水体中颗粒物的后向散射系数，该法前提是认为颗粒物均匀，受颗粒物形状、折射系数、粒径分布影响较大。
雾的雷达后向散射特性研究
赵振维;林乐科;董庆生;吴振森
【期刊名称】《电波科学学报》
【年(卷),期】2001(016)004
【摘要】利用平流雾与辐射雾的能见度与含水量的经验公式导出的Gamma雾滴谱分布,得到了平流雾和辐射雾的雷达反射因子Z与雾的能见度、含水量的关系式.以94GHz雷达为例,研究了雾的雷达后向散射特性.最后利用毫米波衰减数据和能见度反演的几场湿海雾参数,研究了湿海雾的后向散射特性,研究结果表明:湿海雾的雷达反射因子可与中到大雨相当.
【总页数】5页(P498-502)
【作者】赵振维;林乐科;董庆生;吴振森
【作者单位】西安电子科技大学,陕西,西安,710071;中国电波传播研究所青岛分所,山东,青岛,266071;中国电波传播研究所青岛分所,山东,青岛,266071;中国电波传播研究所青岛分所,山东,青岛,266071;西安电子科技大学,陕西,西安,710071
【正文语种】中文
【中图分类】TN011
【相关文献】
1.尘暴对毫米波雷达的后向散射特性研究 [J], 君文言;肖景明
2.天波超视距雷达海面非后向散射特性建模分析 [J], 谢超;潘谊春;何缓
3.基于雷达后向散射特性进行湿地植被识别与分类的方法研究 [J], 王安琪;周德民;
宫辉力
4.基于合成孔径雷达的农作物后向散射特性及纹理信息分析——以吉林省农安县为例 [J], 王利花; 金辉虎; 王晨丞; 孙瑞悉
5.基于ACA-SVD的雷达后向散射特性快速计算方法 [J], 郭良帅;林云;梁子长;高鹏程
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波导环境下雷达后向散射系数研究 (中国海洋大学 信息科学与工程学院， 山东 青岛266100) 摘要：海上大气波导会显著改变雷达电磁波的传播性能，反应到雷达图像上表现为强烈的海杂波回波信息。为了探究大气波导的影响因素，采用改进的git模型仿真方法模拟出波导背景下不同风速对雷达后向散射系数的影响，并且利用谱估计技术计算出掠射角随距离的变化。通过仿真结果分析，风因子对雷达后向散射系数影响显著，仿真结果对进一步利用海杂波反演大气波导及提高舰载雷达探测性能具有重要指导意义。 关键词：大气波导； 海杂波； git模型； 谱估计技术； 风场 计划项目：大气波导实时探测技术研究（2008aa093001）在舰载雷达探测目标的过程中，经常出现电磁波异常传播现象。即部分电磁波获陷在一定厚度的大气层内，如同电磁波在金属波导管中传播一样，上下震荡向前传播，即为大气波导现象。根据大气修正折射率的剖面结构，可将大气波导分为表面波导、蒸发波导和抬升波导三类［1］ ，蒸发波导和表面波导是对近海雷达系统影响较深的两种波导形式，我国东南沿海地区是波导频繁发生地带，其中蒸发波导在近海面发现概率高达80%。 大气波导对雷达海杂波有增强的作用，主要是由于电磁波在波导层内传播时，能量衰减很小，电磁波可以紧贴海面传播产生超视距 效应，从而使雷达能探测到强烈的海杂波信息。海杂波的增强往往会增加雷达所要探测有用目标的难度，甚至导致雷达探测盲区的出现，从而造成雷达定位失效甚至目标丢失，尤其对一些低空飞行的雷达散射截面较小的目标［2］ 。根据国内外研究表明，海杂波回波与雷达波长、极化方式、入射角、海况、风等因素密切相关，因此研究波导背景下海杂波回波，对提升舰载雷达探测性能及进一步利用海杂波反演大气波导具有重要理论指导和应用价值。 1波导环境下的海杂波 海杂波是由雷达照射区内大量散射单元回波矢量叠加形成的，波浪与波纹的运动使每一分量的相对相位发生变化，引起总的合成杂波的随机变化［34］。目前存在的海杂波模型都是掠射角在1～10°的情况，并且与实际符合的比较好，但当掠射角小于1°时，这些模型便表现出了明显的差异。后经研究发现，大气波导环境下的雷达散射系数和标准大气下的雷达散射系数有明显差异。国内外研究机构经过对比分析一系列海杂波模型，发现有两个模型比较符合较小掠射角（低于1°）的情况，分别为git和tsc模型［56］。其中git模型是目前比较完善也是应用最多的计算海杂波σ0的模型。 本文即是利用git模型分析不同风速下的雷达散射系数的变化情况，从而为进一步研究提供理论基础。 1.1git模型 git模型是由佐治亚理工学院（the georgia institute of technology）针对单位面积的平均雷达散射截面提出的确定参数模型［5］。该模型是入射角、风场、平均波高、雷达波长、极化方式的函数。具体参数如下：λ是雷达波长（单位：m），φ是风向（单位:（°）），φ为掠射角（单位：rad）、vw为风速（单位：m/s），hav为平均波高（单位：m）。 散射因子：σφ=(14.4λ+5.5)φhav/λ，ai=σ4φ/(1+σ4φ)（1）逆／顺风向因子：au=exp(0.2cos φ(1－2.8φ)(λ+0.02)－0.4（2）风速因子：qw=1.1/(λ+0.02)0.4，hav=(vw/8.67)2.5， aw=［1.942 5vw/(1+vw/15)］qw（3）水平极化的后向散射系数：σ0hh=10log(3.9×10－6λφ0.4aiauaw) （4）式中：ai是波高的带有标准偏差符合高斯分布的多路径干扰经验求导因子；aw和au是经验求导因子，au描述了天线方向跟海浪间的视角的变化。由于本文所及雷达为工作在x波段的adwrx天气雷达，高斯型天线（天线高20 m、水平极化），工作频率为10 ghz，切向入射，因此利用式（1）～式（4）便可以模拟仿真不同风速因子、平均波高对波导背景下雷达后向散射因子σ0的影响作用，从而为进一步研究提供基础。 1.2掠射角φ的计算 需要说明的是，在研究波导环境下不同海况对雷达后向散射系数影响的问题时，掠射角φ是随距离变化的，确定每个距离步长的掠 射角成为关键。掠射角的计算一般采用两种方法：几何光学法和谱估计法［710］。由于几何光学适用于计算简单的大气折射率分布情况，而谱估计方法在二维非均匀的折射率情况下表现相对良好。因此采用现代谱估计理论中的burg算法来计算掠射角φ。下面为蒸发波导和表面波导环境下掠射角的变化情况。图1为蒸发波导分别为10 m及30 m高度时掠射角随距离的变化。由图可见，0～20 km时，随着距离的增加，掠射角随距离的增加迅速衰减；而距离大于20 km时，掠射角几乎不再变化，稳定在某个小于1°的值附近。相对于10 m高度的蒸发波导，由于波导强度的增强，掠射角数值也相对较大。两条掠射角曲线最后分别稳定在0.07°和0.17°左右，这表明由于波导厚度的增加，减少了电磁波的衰减，电磁波上下震荡更为强烈，从而使得掠射角也随之增加。图2为50 m高度的表面波导掠射角随距离的变化。相对于蒸发波导，表面波导环境下电磁波在波导管层内上下剧烈跳跃引起掠射角值的起伏变化，最后掠射角稳定在0.2°左右。
2数值模拟与分析 掠射角问题解决后，就可以利用式（1）～式（4）分析研究不同海况对雷达散射系数的影响。下面分析了高度为10 m和30 m时蒸发波导，高度为50 m时表面波导环境下不同风速对雷达后向散射系数(rcs)的影响。 图1不同高度蒸发波导背景下掠射角φ随距离的变化图250 m高表面波导环境下掠射角φ随距离的变化图3、图4分析了风速2.5 m/s，5 m/s，7.5 m/s及10 m/s时，雷达后向散射系数σ0随距离的变化情况，蒸发波导高度分别为10 m和30 m。 图310 m高度蒸发波导背景下不同 风速下rcs随距离的变化图430 m高度蒸发波导背景下不同风速下rcs随距离的变化从图中可以看出，同一风速下rcs随距离的延伸而渐渐变小，并且可以看出在相同距离处rcs随着风速的增加增强。主要原因为风掠过海面产生小范围的粗糙度。这种粗糙度引起rcs的变化，风速越大rcs值就越大，海面反射电磁波的能力也就越强。并且由于波导强度的增加，电磁波衰减减少，因此同一风速下rcs也有所增加。 由图5可以看出，风速2.5 m/s,5 m/s,7.5 m/s及10 m/s时，rcs随距离的变化情况，表面波导为50 m。从图中可以看出，由于受到图2中掠射角曲线起伏的影响，rcs曲线也不再保持平稳，同一风速下，rcs随距离起伏变化，同时发现风速的变化对rcs的取值影响仍然很大。风速越大，rcs值越大，海表面反射电磁波能力也就越强。同时还可以发现，较小风速对rcs值影响更为显著。 图550 m高度表面波导背景下不同 风速下rcs随距离的变化下面对不同掠射角下rcs随风速的变化情况进行计算分析。分别选取掠射角φ为0.1°,0.2°和0.3°， 雷达后向散射系数（rcs）随风速的变化情况进行分析，如图6所示。 图6不同掠射角背景下rcs随风速的变化情况从图6中可以看出，同一掠射角下，rcs随风速变化曲线拐点在10 m/s左右，风速小于10 m/s时，风速对rcs影响显著，风速大于10 m/s时，风速对rcs影响不再显著，此发现对雷达布控及提高舰载雷达探测性能有重大帮助。同时还发现，相同风速下rcs随着掠射角的增加也有所增加。 3结语 大气波导作用于雷达电磁波而改变其传播性能，电磁波衰减也大大减小，从而发生超视距现象，掠射角也会不同于标准大气条件下的情况。因此，雷达可以探测到更强烈的海杂波回波。海杂波的增强往往会增加雷达所要探测有用目标的难度，甚至出现雷达探测盲区，而不同的海况（浪、流及风等）对海杂波回波影响颇深，因此研究波导背景下rcs值对提升雷达探测性能有重要指导意义。本文利用改进git模型模拟仿真了波导背景下不同风速对雷达后向散射系数的影响，并且利用现代谱估计理论中的burg算法，分析出了掠射角随距离的变化情况，对提升雷达探测性能及利用海杂波回波反演大气波导具有重要的指导意义。此外由于本文只分析研究了不同风速下rcs的变化，而现实中海上情况复杂多变，对rcs的影响也不只限于风的作用，因此对其他影响因素有待进一步分析研究。 参考文献 ［1］刘成国,潘中伟,郭丽.中国低空大气波导的出现概率和波导特征量的统计分析［j］.电波科学学报,1996,11(2)：6066. ［2］成印河.海上低空大气波导的遥感反演及数值模拟研究［d］.青岛：中国科学院海洋研究所，2009. ［3］horst m m, dyer f b. radar sea clutter model \[m\]. georgia, usa: georgia institute of technology, 1989: 611. ［4］方有培.海杂波特性研究［j］.上海航天，2002(5):3135. ［5］paulus r a. evaporation duct effects on sea clutter \[j\]. ieee trans. on antennas and propagation, 1990, 38 (11): 17651771. ［6］nathanson f e. radar design principles \[m\]. new york: mcgrawhill, 1969. ［7］hitney h v. hybrid ray optics and parabolic equation methods for radar propagation modeling \[c\]// proceedings ofiee int. conf．radar．brighton: \[s.n.\], 1992: 5861. ［8］guillet n, fabbr0 v. low grazing angle propagation above rough surface by the parabolic wave equation \[c\]// proceedings of geosciences and remote sensing symposium. \[s.l.\]: grss, 2003, 7: 41864188.
