第1章 引 言
对流层大气波导是自然界中存在的一种奇特大气现象，观察和研究它的意义不仅在于欣赏它可能给人们带来的不期而遇的幻觉和神秘景象，拓展人类丰富的想象空间，还在于它可以让人类视觉和听觉能力延伸的手段——雷达和通信系统的无线电探测或信息传输能力得到进一步的提升。本章简要介绍大气波导现象和影响，并给出国内外大气波导研究与应用的主要状况，从而对大气波导获得一个全貌的认识。
1.1 大气波导现象和影响
人们对大气波导现象也许并不陌生，如经常发生在海上的海市蜃楼现象便是大气超折射和大气波导呈现的神奇光学效应。图1.1所示为2006年10月12日上午8～9时出现在我国山东蓬莱北部、长山列岛西部海域的海市蜃楼奇观。据当时新华网对现场的生动描述：
12日早晨，山东蓬莱西苑北部海滨薄雾渐退，海平面上空出现乳白色带状云雾，蔚为壮观。8时许，原本空旷的海面上突然徐徐飘来“琼楼玉宇”，展开了一幅异常美丽的画面：画面右边片片楼群，连绵数十公里，影像异常清晰，楼群的白墙红瓦、门窗清晰可见，如同一幅别致、美丽的城市画卷，楼群的右方是两艘巨轮，其中一艘为黑灰色油轮，另一艘是银白色货轮，两艘轮船均披浪疾驶，船体四周泛着波浪。画面左边是一片港口，作业码头上的塔吊、船只正繁忙装卸。画面前面渔船行驶、海鸥飞翔，与海市相呼应，虚虚实实，实实虚虚，叫人分不清哪些是真实，哪些是虚幻。更
a 海市蜃楼 b 观测海域
图1.1 山东蓬莱海市蜃楼现象引自互联网
令人称奇的是，楼群中一座小楼多次变幻形状后，像长了脚似的自西向东快速飘移，与另一座楼房重叠后又继续向东踏浪而去，并与万吨巨轮“擦肩而过”，恰似天上琼楼，让人叹为观止。
据推测，山东蓬莱经常观察到的海市蜃楼现象发生海域位于黄渤海分界线附近，很可能反映的是海峡对岸大连市的局部影像，而两者相距超过100km，远大于在蓬莱岸边对海观测的光学视距。
在维基百科中，关于对流层大气波导有如下描述：
In telecommunication，an atmospheric duct is a horizontal layer in the lower atmosphere in which the vertical refractive index gradients are such that radio signals and light rays a are guided or ducted，b tend to follow the curvature of the Earth，and c experience less attenuation in the ducts than they would if the ducts were not present. The duct acts as an atmospheric dielectric waveguide and limits the spread of the wavefront to only the horizontal dimension.
Atmospheric ducting is a mode of propagation of electromagnetic radiation，usually in the lower layers of Earth’s atmosphere，where the waves are bent by atmospheric refraction. In over-the-horizon radar，ducting causes part of the radiated and target-reflection energy of a radar system to be guided over distances far greater than the normal radar range. It also causes long distance propagation of radio signals in bands that would normally be limited to line of sight.
也就是说，大气波导是位于对流层低层大气中的水平层结，该层中的垂直折射指数梯度可以使无线电信号包括光线通过超折射现象发生弯曲并以较小的衰减沿着地球表面传播，对于超视距雷达，大气波导可以使雷达发射和目标反射的部分能量传播到远大于正常雷达探测范围之外的距离。
在一般对流层大气条件下，超短波、微波通常为视距传播，基本传播方式有大气折射、地海面反射、障碍物或曲面绕射等，对流层大气不均匀性散射也可能产生超视距传播。无线电信息系统设计一般基于正常或标准大气传播条件，但实际环境经常会出现不同于正常或标准大气中的反常传播情况，如次折射、超折射、大气波导等，其中，大气波导是对流层尤其是大气边界层中存在的一种特殊超折射现象，对电波传播具有十分重要的影响，它可以在合适的无线电频段如蒸发波导主要影响频率1GHz以上的无线电波，表面波导能够影响100MHz以上的无线电波、天线高度和传播方向上以较小的能量衰减特性传播无线电信号，可实现超视距远距离传播，也会形成传播盲区。大气波导可分为陆地大气波导和海上大气波导，其中海上大气波导更易形成且影响更大。海洋大气边界层的海-气相互作用经常产生海上蒸发波导，其出现概率达85%以上在特定海域还可能永久存在，岸-海交界区域或海岸带的海陆风经常产生表面波导，有时低空大气波导包括表面波导和悬空波导出现概率可达40%以上。大气波导的产生和变化与地理位置、地形地貌、海域海情、季节与日变化等时空条件紧密相关，通过改变无线电波的传播路径和衰减特性而显著影响岸基、舰载或低空机载雷达、通信等无线电信息系统的性能。
1.2 国内外发展状况
1．国外发展状况
从国外研究文献发表的时间脉络和研究内容可以看出，国外半个多世纪以来一直十分重视无线电气象学及其特殊大气电波环境与传播特性的研究与应用。苏联、美国、法国、澳大利亚等国家为研究对流层大气波导传播特性开展了许多早期实验，其中，苏联的实验曾发现在某些情况下海上超视距雷达的作用距离可达1000km，同时在理论上也取得一些研究成果，出现预测大气波导传播特性的波导模理论、几何光学理论和抛物方程数值方法等。20世纪50年代以后研究重点转向影响电波传播的大气环境物理因素如湍流、海陆风、海-气相互作用等机制。目前以美国为代表的西方发达国家拥有先进的低空大气和海-气界面气象参数监测系统与雷达作用范围实时预测系统，具有代表性的有美国海军20世纪80年代投入使用的无线电物理光学Radio Physics Optical，RPO、高级传播模型Advanced Propagation Model，APM和集成折射效应预测系统Integrated Refractive Effects Prediction System，IREPS、工程师折射效应预测系统Engineer’s Refractive Effects Prediction System，EREPS、高级折射效应预测系统Advanced Refractive Effects Prediction System，AREPS等模型或系统，这使其岸基舰载或机载雷达、通信等系统可利用沿海和海上超折射、大气波导等特殊传播条件实现超视距性能。多年来，各国的研究内容主要集中在悬空波导、表面波导和蒸发波导的时空分布统计、大气波导产生的水文气象条件和物理模型、电磁波在各种环境条件下的传播模型和算法、大气波导传播特性测量等方面。当前计算机技术的进步使大气数值预报模式和复杂介质中的电波传播理论与算法相结合，实际大气波导环境对雷达、通信等无线电信息系统影响的预测预报和效能评估等技术成为研究前沿[1-70]。
无线电气象学把气象学和电磁学的理论、技术和方法结合起来并在相互的领域中渗透应用，成为对流层大气波导的研究基础[1-3, 5-6]。海上蒸发波导是对流层大气波导研究的重要方面，其研究方法一直是致力于发现一种基于气象参量海表温度、空气温度、湿度、压强、风速等和大气边界层理论的蒸发波导预测模型。从20世纪70年代Jeske[4]提出这一方法后，人们从诸多方面开展了利用海-气相互作用理论预测蒸发波导高度的研究，美国集成折射效应预测系统中便使用了Jeske提出的蒸发波导高度预测方法，1985年Paulus[9]在此基础上提出一个修正的实用模型即P-J模型。1988年通过全球各海区15年的历史气象资料对蒸发波导的时空分布进行统计。1990年以后，美国在特定海域进行在蒸发波导条件下不同频段雷达、通信装备的专题效能试验，同时布放60多个气象水文浮标，长期测量有关海域的气象水文资料，分析蒸发波导发生的规律，同时长期观测通信链路电波传播特性受环境影响的情况。1991年John提出通过预测大气温湿剖面确定蒸发波导剖面的方法并比较几个预测结果的不准确度，分析测量系统对预测结果带来的误差。1992年Musson-Genon等[23]介绍一种蒸发波导预测模型。1997年Babin等[33]提出的预测模型利用高速计算能力取代边界层物理的经验关系，并且使用当时最新的研究成果如Buck方程、盐度修正公式等，同时对误差进行敏感性分析。2001年8月—9月，在美国海军研究办公室的资助下，位于圣迭戈的空间和海军电子战系统中心在夏威夷瓦胡岛海域开展了一个月的海上REDRough Evaporation Duct实验[41]，其主要任务为：确定海洋表面粗糙度对海洋边界层大气折射率垂直分布的影响程度，评估和验证新的大气物理量参数化模型，分析海洋边界层对电波传播特性的影响。实验时在瓦胡岛外东北方向10km处架设了海上浮动仪器平台RP FLIP，平台上不同高度安装了水文气象要素传感器和不同频段无线电发射天线和发射机，岛上架设接收天线和信号接收机，在岛与平台之间用船只搭载水文气象传感器获取传播路径上的环境数据，另外还采用直升机沿传播路径获取不同位置的大气环境数据剖面数据。实验测量内容包括温度、湿度、压力、风速的平均值及其剖面，湍流变化、太阳辐射、大气粒子垂直分布，不同高度时多频段S、X、Ku电波传播特性，海面高度和波向等，在此基础上进一步通过数据分析确定大气边界层理论的适用范围，发展新的参数化模型。实验所选的区域、平台和设备配置如图1.2所示。
在海湾战争前，美国海军在波斯湾进行大气波导和电波传播测量实验，掌握当地海域的大气波导形成和变化规律，以及对武器装备效能的影响情况。通过研究，在获得环境模型和传播算法成果的基础上，美国海军先后建立四个用于评估气象环境对信息化电子装备效能影响的软件系统，最具代表性的是1987年建立并装备美国海军舰队的电波环境保障系统——集成折射效应预测系统Integrated Refractive Effects Predicition System，IREPS，该系统不仅可以利用气象信息实时获得雷达对各类目标的探测威力范围，也可以查询不同地理位置、不同季节、不同时段雷达探测能力和气象信息的历史统计数据。集成折射效应预测系统起初仅是为舰载雷达系统开发的，随着理论研究和测试工作的不断发展，在应用过程中其内嵌模型也在不断完善，数据不断丰富，预测准确率不断提高，功能和适用范围不断扩展，1998年发展成为高级折射效应预测系统，在频段上不仅扩展到0.1～57GHz，而且覆盖各型雷达、通信、电子侦察和对抗系统在实际环境中的效能评估问题，该系统作为美国国防信息基础设施公用操作环境的重要组成部分，2005年10月又升级为功能更加丰富的3.6版本[58]其简要介绍参见附录1。澳大利亚研制的对流层折射效应预测系统Troposphere Refractive Eff
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