专利名称：蒸发波导监测诊断评估方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实时自动诊断蒸发波导高度和大气修正折射指数垂直分布情况，评估不同型号雷达在所处大气环境下探测情况的系统，尤指蒸发波导监测诊断评估方法及装置，本装置主要用于大气波导的监测和雷达探测情况的评估，对于提高雷达等舰载电子装备的性能，指导雷达的使用具有重要意义，属于大气环境监测和无线电技术领域。
背景技术：
蒸发波导是海洋大气环境中的一种自然现象，它是由于海面水汽蒸发使得在海面上很小高度范围内的大气湿度随高度锐减而形成的，它的出现将对微波频段的雷达有显著影响，主要使雷达探测距离增大，出现超视距探测情况，在蒸发波导条件下，同一型号的雷达超视距探测能力由雷达天线高度、蒸发波导的高度和强度而决定。对蒸发波导监测诊断评估主要应用在军事领域，它对评估雷达在不同大气条件下的探测情况和特征、提高雷达等舰载电子装备的性能、指导雷达的使用以及在作战中利用蒸发波导现象具有重要意义。目前，普遍采用的蒸发波导监测诊断评估方法分为两个独立的、分别进行的过程，分别是蒸发波导监测诊断过程和雷达探测评估过程。蒸发波导监测诊断的过程是通过海表水温、大气温度、湿度和风场传感器测量海表水温、大气温度、湿度和风速等水文气象参数，海表水温的采集通常是将温度计布放到水中，直接测取水温(或在舰船航行时，打一桶表层海水，再用温度计测量出水桶内海水的温度，该温度即为海表水温)，然后将这些水文气象参数通过手动方式输入到计算机中的蒸发波导监测诊断程序中，计算出蒸发波导的高度、强度等特征值；雷达探测评估的过程是，不考虑大气环境对雷达探测的影响，采用经典的雷达方程，根据雷达参数和距离的关系，计算出雷达最大探测距离。这种技术方法，虽然能分别计算出蒸发波导高度和雷达的最大探测距离，但是存在如下不足之处在蒸发波导监测诊断方面
1)需要派专人记录大气温度、相对湿度、海表水温等水文气象参数，自动化程度低，而且为了提高诊断精度，这些水文气象参数的记录要求在时间上是同步的，这在实际操作使用中较难达到；2)记录的水文气象参数连续性、实时性较差；3)在舰船航行时难以测量海表面水温，给蒸发波导的诊断带来很大困难；在雷达探测威力评估方面1)雷达探测距离的评估都没有将蒸发波导等大气环境因素考虑进去，导致评估的雷达探测距离与实际情况具有较大的偏差；2)不能有效地预测雷达超视距探测。
发明内容
本发明主要目的和任务是要克服现有诊断蒸发波导和评估雷达探测性能存在1)需要派专人记录大气温度、相对湿度、海表水温等水文气象参数，自动化程度低，而且为了提高诊断精度，这些水文气象参数的记录要求在时间上同步，这在实际操作使用中较难达到；2)记录的水文气象参数连续性、实时性较差；3)在舰船航行时难以测量海表面水温，给蒸发波导的诊断带来很大困难；4)雷达探测距离的评估都没有将蒸发波导等大气环境因素考虑进去，导致评估雷达的探测距离与实际情况具有较大的偏差；5)不能有效地预测雷达超视距探测，蒸发波导监测诊断和雷达探测评估是由两个分别独立的过程完成，其程序复杂的不足，并提供一种可连续自动记录相关水文气象参数、可自动诊断蒸发波导高度及大气修正折射指数垂直分布、可根据实时诊断的大气环境评估雷达探测威力和有效地预测雷达超视距探测，特提出本发明的蒸发波导监测诊断评估方法及装置的技术解决方案。
为了实现上述目的，将温湿传感器、电磁式风向风速传感器、红外海水表面温度传感器、GPS接收机采集的模拟信号转换成数字信号，输入到计算机中，并保存水文气象数据，编写蒸发波导诊断和雷达探测评估软件，形成蒸发波导监测诊断评估系统。
本发明所提出的蒸发波导监测诊断评估方法，是将所获得的海表面水温、大气温度、湿度、风速水文气象参数输入到计算机中，通过蒸发波导诊断模型和雷达探测评估模型，计算出蒸发波导特征值和雷达探测情况，其特征在于a)将三个温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]、GPS接收机[32]通过支架[10]布设在海岸边或舰船外部，分别用来连续、实时采集大气温度和湿度、海表面水温、相对风向和风速参数；利用GPS接收机[32]获得舰艇的位置，根据真风和相对风的矢量关系，计算出绝对风向、风速；根据海气耦合和近地层相似理论，利用蒸发波导诊断评估方法诊断出蒸发波导高度和大气修正折射指数垂直分布数据；再结合雷达参数和目标参数，对雷达探测情况进行评估；b)蒸发波导监测诊断评估的步骤是第一步数据采集利用设在海岸边或舰船外部支架[10]上的温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]，连续自动测量气温、大气湿度、风速、海表水温和舰船位置，同时，将测量的模拟信号输入到数据采集器[35]，并将其模拟信号转换成数字信号，再通过通信接口[37]输入到计算显示单元[41]，并保存数据；第二步计算真风向风速利用第一步中获得的实时舰船位置数据，从中取出船速，从罗经变换器[34]中取得船向值，与实际测得的相对于舰船的风速风向值进行三角形矢量分解，通过安装在计算显示单元[41]的真风计算模块[42]计算出真风速、真风向，并保存数据；第三步计算蒸发波导高度和大气折射指数垂直分布利用第一步中所获得的水文气象参数和第二步中所获得的真风向风速，根据海气耦合和近地层相似理论，通过安装在计算显示单元[41]的蒸发波导诊断模块[43]，计算出蒸发波导高度和大气折射指数垂直分布，并保存数据和显示计算结果，具体是首先，利用风速、气温和海水表面温度和大气湿度计算理查逊数和莫奥长度；其次，根据大气湿度、气温和海水表面温度分别计算出大气和海表面的大气折射指数和位势折射指数；再其次，计算蒸发波导高度和大气修正折射指数，计算中有两种情况，一种情况是若大气处于中性和稳定条件，则直接通过位势折射指数和莫奥长度计算出蒸发波导高度；另一种情况是若大气处于不稳定条件，则通过Lumley函数计算出蒸发波导高度，同时根据稳定和不稳定条件计算出大气修正折射指数垂直分布；最后，实时的输出和显示蒸发波导诊断结果；第四步雷达探测评估利用大气参数、雷达参数、目标参数，根据电磁波传播和雷达探测评估理论，通过雷达探测评估模块[44]对雷达探测情况进行评估，主要包括雷达在当时的大气环境下的截止频率和截止波长；雷达探测概率分布图和雷达的最大探测距离；雷达是否具有超视距探测能力，并保存雷达评估数据和雷达探测概率分布图，具体是首先，利用大气修正折射指数垂直分布数据，根据大气折射指数和雷达截止频率的关系，通过雷达探测评估模块[44]，计算出雷达在当时的大气环境下的截止频率和截止波长；其次，利用大气修正折射指数垂直分布数据、雷达数据、目标数据，结合雷达探测评估方法，通过雷达探测评估模块[44]，计算出雷达在不同大气环境下的探测情况，这一过程首先是利用抛物方程计算出电磁波在二维空间的传播损耗，然后利用雷达方程计算出空间上每一位置处雷达的探测概率，最后由计算机绘制和显示雷达探测概率图，并保存评估数据和雷达探测概率图，根据计算结果给出雷达的最大探测距离；再其次，根据雷达架设的高度，根据雷达视距的计算公式，计算出雷达的视距，比较雷达视距和雷达最大探测距离，判断雷达是否具有超视距能力，并在显示器上将结果显示出来。
本发明的进一步特征在于设在海岸边的支架[10]，呈“十字”形，在支架横向杆的两端位置分别安装的是红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]，而多个传感器安装的高度分别是低层温湿传感器[11]距平均海面高度为3～5米，中层温湿传感器[11]距平均海面高度为5～7米，红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]距平均海面高度为6～8米，高层温湿传感器[11]距平均海面高度为7～9米，电磁式风向风速传感器[21]距平均海面高度为4～9米，避雷天线[22]距平均海面高度为8～10米；安装在舰船上的传感器架装高度也应按照在海岸边上的安装要求进行，温湿传感器[11]的安装高度应严格按照上面所述的要求，GPS接收机[32]和电磁式风向风速传感器[21]安装在舰船首楼顶部，而且各水文气象传感器要符合气象传感器安装规范的要求，在舰船外部由低向高安装的传感器依次是低层温湿传感器[11]、中层温湿传感器[11]、红外海水表面温度传感器[31]、高层温湿传感器[11]、GPS接收机和电磁式风向风速传感器[21]。
使用本发明蒸发波导监测诊断评估方法的装置，包括室外设备[45]和室内设备[46]，其特征在于其室外设备包括温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]；室内设备包括气压传感器[33]、罗经变换器[34]、数据采集器[35]、LCD显示器[36]、通讯接口[37]、Flash存储器[38]、交流电源[39]、多路串行通信[40]和包括有真风计算模块[42]、蒸发波导诊断模块[43]、雷达探测评估模块[44]的计算显示单元[41]；装置中各部件之间的连接关系是温湿传感器[11]，包括低层、中层、高层三组温湿传感器，其输出端均与数据采集器[35]的输入端连接；电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]、GPS接收机[32]和气压传感器[33]的输出端也均与数据采集器[35]连接；罗经变换器[34]，其输入端与罗经信号线相连，输出端与数据采集器[35]连接；数据采集器[35]，其输出端与LCD显示器[36]、通讯接口[37]和Flash存储器[38]的输入端相连；LCD显示器[36]和通讯接口[37]和Flash存储器[38]，其输出端与多路串行通信[40]的输入端相连；Flash存储器[38]，其输入端与数据采集器[35]和交流电源[39]相连，其输出端与多路串行通信[40]的输入端相连；计算显示单元[41]，是一台装有蒸发波导诊断评估程序的计算机，其输入端与多路串行通信[40]的输出端相连；计算显示单元[41]中的真风计算模块[42]，其输入端与多路串行通信[40]的输出端相连，其输出端与蒸发波导诊断模块[43]相连；计算显示单元[41]中的蒸发波导诊断模块[43]，其输出端与雷达探测评估模块[44]相连。
本发明方法和装置进一步特征在于装有蒸发波导诊断评估程序的计算机，其键盘是采用触摸式键盘，由液晶屏直接显示监测与评估结果。
本发明在实施中的具体过程是首先，打开电源开关，温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]，红外海水表面温度传感器[31]，GPS接收机[32]、气压传感器[33]分别自动采集气温、大气湿度、风向风速、海表面水温，这些数据在数据采集器[35]中由模拟信号转化成数字信号，并在LCD显示器[36]中显示；其次，这些环境和舰船信号通过通信接口[37]和多路串行通讯[40]进入到计算显示单元[41]中的真风计算模块[42]，根据GPS接收机[32]提供的实时舰船位置数据，计算出船速，再利用罗经变换器[34]提供的船向值，与实际测得的相对于舰船的风速风向值进行三角形矢量分解，由计算机自行计算出真风速、真风向，计算显示单元[41]每3秒保存一次真风向风速、气温、海表面水温和大气相对湿度，同时，将风向风速进行平均，分别有2分钟和10分钟两种平均数据，并分别保存这两种数据，以上过程都是由计算机自动计算的；再其次，由计算显示单元[41]中的蒸发波导诊断模块[43]进行蒸发波导诊断，此过程为自动过程，每2分钟重复一次，其计算步骤是蒸发波导诊断模块[43]利用2分钟平均真风速、气温、海表面水温和大气相对湿度计算理查逊数和莫奥长度；接着，根据大气湿度、气温和海水表面温度分别计算出大气和海表面的大气折射指数和位势折射指数；再接着，计算蒸发波导高度和大气修正折射指数垂直分布，并在显示器上显示计算结果，保存计算结果；最后，由计算显示单元[41]中的雷达探测评估模块[44]进行雷达探测评估，其具体过程是首先，大气修正折射指数垂直分布数据同雷达、目标初始数据一同输入到雷达探测评估模块[44]，通过蒸发波导诊断模块提供的蒸发波导高度、最大和最小修正折射指数计算出雷达截止频率和截止波长，这一过程为自动过程；其次，操作人员根据情况输入要评估的雷达型号、目标类型和显示范围后，雷达探测评估模块[44]通过电磁波传播损耗模式计算出雷达电磁波在二维空间的传播损耗，计算出雷达的探测概率分布图，同时给出雷达在空间不同高度处的最大探测距离，同时保存计算结果和图像；最后，进行雷达超视距判断，这一过程也为自动过程，根据雷达天线的高度，由计算机自行计算出雷达视距，用雷达视距与评估的雷达最大探测距离进行比较，若评估的雷达探测距离大于雷达视距则显示雷达具有超视距能力，若评估的雷达探测距离小于雷达视距则显示雷达不具有超视距能力，在这里，所使用的雷达视距公式是 h。为雷达天线高度，ht为目标高度，单位都是米，距离R的单位为海里。
为了保证蒸发波导诊断评估的准确性，本发明在操作使用中的注意事项是1)本发明各传感器的安装位置有严格要求，它们的安装位置应符合本发明和气象传感器安装规范的要求；2)舰船靠码头时，由于受地物的影响，风向风速和海表面水温的测量往往误差较大，此时，应避免使用本装置；3)当海面结冰时应避免使用本装置；4)当舰船转向时，将给真风向风速的计算带来较大误差，此时，本装置计算的蒸发波导特征值不可用；本发明的主要优点是1)由于本发明将蒸发波导监测诊断和雷达探测评估这两个独立的、分别进行的过程合并入一个可执行程序，因而蒸发波导监测诊断评估由一个程序就可以完成，简化了计算过程，大大提高了雷达探测评估的速度；2)由于采用各传感器连续、自动测量水温气象参数，并将测量数据输入到计算显示单元，同时保存这些水文气象参数，实现了蒸发波导诊断的连续、实时性，同时也使蒸发波导诊断的准确率提高到95％以上；3)由于使用了红外海水表面温度传感器[31]，因而克服了以往采用人工方式用温度计测量海水水温方法的不足，大大简化了测量海水表面温度的方法，提高了测量的精度；4)由于在评估雷达探测情况时，考虑了大气环境对雷达的影响，将蒸发波导数据输入到雷达探测评估模块[44]中，因而提高了雷达探测评估的准确性，同时能够评估雷达在相关大气波导条件下的截止频率；能够给出雷达探测概率图，并评估出雷达最大探测距离；能有效地预测雷达超视距探测，这些对于雷达的使用和蒸发波导在作战中的应用具有重要意义；5)由于设计的触摸式键盘清晰简洁，液晶屏直接显示监测与评估结果，设备操作简单，可视化程度高，因此具备产业上的应用价值。
本发明设计有四个附表，说明如下表1是本发明实施例1在10分钟内对蒸发波导监测诊断评估的各种参数通过显示器显示的数据记录表表中显示，本发明开始工作后，在第0秒，记录下了大气温度25.8℃、湿度55％、海表水温19.7℃、真风速4.4m/s；第3秒大气温度25.8℃、湿度55％、海表水温19.7℃、真风速4.9m/s，以此方式每3秒钟记录一次，因每次记录数据的格式相同，在此将中间记录的数据省略；第2分钟所记录的数据为大气温度25.8℃、湿度55％、海表水温19.7℃、真风速4.8m/s，2分钟平均的风速为4.5m/s，蒸发波导诊断模块[43]计算的结果为，蒸发波导高度18.2米，大气修正折射指数垂直分布已记录在表2中，雷达探测评估模块[44]计算的结果为，此时雷达截止频率为4.65GHz，雷达截止波长为6.44cm，雷达最大探测距离为61.1km，此时雷达视距为30km，评估的雷达最大探测距离大于雷达视距，雷达具有超视距探测能力，实际上雷达最大探测距离为59.4km，评估的误差为1.7km，本发明评估的准确率为97％；第10分钟记录和诊断的数据格式与第2分钟的基本相同，在此不做叙述。
表2是本发明实施例1在开机2分钟计算出的大气修正折射指数垂直分布高度和折射指数通过显示器显示的数据记录表表中显示出，在此刻，其蒸发波导的高度与大气修正折射指数记录结果，其中，大气修正折射指数的最小值316.5，所对应的高度18.167米，采用18.2米作为蒸发波导的高度。
表3是本发明实施例2在10分钟内对蒸发波导监测诊断评估的各种参数通过显示器显示的数据记录表表中显示，本发明开始工作后，在第0秒，记录下了大气温度15.1℃、湿度66％、海表水温15.7℃、真风速4.6m/s；第3秒大气温度15℃、湿度67％、海表水温15.6℃、真风速4.4m/s，以此方式每3秒钟记录一次，因每次记录数据的格式相同，在此将中间记录的数据省略；第2分钟所记录的数据为大气温度15℃、湿度66％、海表水温15.6℃、真风速3.8m/s，2分钟平均的风速为4m/s，蒸发波导诊断模块[43]计算的结果为，蒸发波导高度11.8米，大气修正折射指数垂直分布已记录在表4中，雷达探测评估模块[44]计算的结果为，此时雷达截止频率为8.9GHz，雷达截止波长为3.36cm，雷达最大探测距离为31.3km，此时雷达视距为35.8km，评估的雷达最大探测距离小于雷达视距，雷达无超视距探测能力，实际上雷达最大探测距离为32.5km，评估的误差为1.2km，本发明评估的准确率为96％；第10分钟记录和诊断的数据格式与第2分钟的基本相同，在此不做叙述。
表4是本发明实施例2开机2分钟计算出的大气修正折射指数垂直分布高度和折射指数通过显示器显示的数据记录表表中显示出，在此刻，其蒸发波导的高度与大气修正折射指数记录结果，其中，大气正折射指数的最小值319.09，所对应的高度11.767米，采用11.8米作为蒸发波导的高度。
本发明共设五幅附图，下面结合附图，对本发明作进一步说明图1为本发明将各传感器安装在海岸边支架上的结构示意图各传感器在支架[10]上布设的位置从下到上依次为低层温湿传感器[11]，中层温湿传感器[11]，红外镜头朝向海面的红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]，高层温湿传感器[11]，电磁式风向风速传感器[21]，避雷天线[22]在最高位置上，支架[10]呈“十字”形，支架的最下面的粗实横线表示地面。
图2为本发明的各传感器安装在舰船上的示意图各传感器在舰船
上布设的位置从下到上依次为低层温湿传感器[11]，中层温湿传感器[11]，红外海水表面温度传感器[31]，红外镜头指向开阔海面，高层温湿传感器[11]，GPS接收机[32]和电磁式风向风速传感器[21]安装在舰船首楼顶部，符号[10]为支架。
图3为本发明蒸发波导监测诊断评估装置的框图结构示意图本发明的蒸发波导监测诊断评估装置，包括室外设备[45]和室内设备[46]，其室外设备包括有低层、中层和高层温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]；室内设备包括有气压传感器[33]、罗经变换器[34]、数据采集器[35]、LCD显示器[36]、通讯接口[37]、Flash存储器[38]、交流电源[39]、多路串行通信[40]和包括有真风计算模块[42]、蒸发波导诊断模块[43]、雷达探测评估模块[44]的计算显示单元[41]，图中的箭头头部表示各部件的输入端，箭头的尾部表示各部件的输出端，虚线框表示是室外设备[45]，点划线框表示是室内设备[46]。
各设备之间其连接关系是温湿传感器[11]，包括低层、中层、高层三组温湿传感器，其输出端均与数据采集器[35]的输入端连接；电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]、GPS接收机[32]和气压传感器[33]的输出端也均与数据采集器[35]连接；罗经变换器[34]，其输入端与罗经信号线相连，输出端与数据采集器[35]连接；数据采集器[35]，其输出端与LCD显示器[36]、通讯接口[37]和Flash存储器[38]的输入端相连；LCD显示器[36]和通讯接口[37]和Flash存储器[38]，其输出端与多路串行通信[40]的输入端相连；Flash存储器[38]，其输入端与数据采集器[35]和交流电源[39]相连，其输出端与多路串行通信[40]的输入端相连；计算显示单元[41]，是一台装有诊断评估程序的计算机，其输入端与多路串行通信[40]的输出端相连；计算显示单元[41]中的真风计算模块[42]，其输入端与多路串行通信[40]的输出端相连，其输出端与蒸发波导诊断模块[43]相连；计算显示单元[41]中的蒸发波导诊断模块[43]，其输出端与雷达探测评估模块[44]相连。
数据传递过程是打开电源开关，由温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]、GPS接收机[32]和气压传感器[33]，分别自动实时采集气温、大气湿度、风向风速、海表面水温，这些数据在数据采集器[35]中由模拟信号转化成数字信号，并在LCD显示器[36]中显示；同时，这些环境和舰船信号通过通信接口[37]和多路串行通讯[40]，进入到包括有真风计算模块[42]、蒸发波导诊断模块[43]、雷达探测评估模块[44]的计算显示单元[41]中，并在Flash存储器[38]中保存；计算显示单元[41]中的数据传递过程是水文气象数据进入到真风计算模块[42]中，计算出真风向风速后，真风速和输入的原始数据再进入到蒸发波导诊断模块[43]中，蒸发波导诊断模块[43]计算出蒸发波导特征值后，将计算结果输入到雷达探测评估模块[44]中，雷达探测评估模块[44]计算出雷达探测情况，通过显示器将计算结果显示出来，并保存评估数据和图像。
图4为本发明蒸发波导监测诊断评估程序的流程框图示意图蒸发波导监测诊断评估程序的工作流程的步骤是第一步，程序开始运行后，各传感器采集水文气象参数，并将采集的数据输入到真风计算部分；第二步，真风计算部分计算出真风向风速，将真风速、海表面温度、大气温度和湿度输入到蒸发波导诊断部分；第三步，蒸发波导诊断部分计算出蒸发波导高度和大气修正折射指数垂直分布，计算结果的输出分成三路，一路输入到电磁波传播损耗评估计算部分；一路输入到雷达截止频率计算部分，计算出雷达的截止频率和截至波长；一路输入到数据保存部分，将数据保存起来；另外图中还显示，自程序开始到程序分三路输出后的这一部分，还以每两分钟自动返运行一次，每次运行的过程都相同；第四步，将雷达参数和上一步计算的结果输入到电磁波传播损耗评估计算部分，计算出电磁波在二维空间的传播损耗；第五步，将目标参数、雷达参数和电磁波传播损耗输入到雷达探测距离评估部分，计算出二维空间的雷达最大探测距离，该计算结果的输出分成两路，一路输入到雷达超视距判断部分；一路输入到显示部分，显示部分将雷达探测概率图显示出来，并可以保存或打印雷达探测概率图；第六步，雷达最大探测距离被输入到雷达超视距判断部分后，计算出雷达视距，前者与后者进行比较，若雷达最大探测距离大于雷达视距，则输出雷达具有超视距能力；若雷达最大探测距离小于雷达视距，则输出雷达不具有超视距能力，程序结束。
图中的箭头方向为程序的流程方向。
图5为本发明的蒸发波导诊断模块工作流程框图示意图蒸发波导诊断模块是蒸发波导监测诊断评估程序的一个子程序，其工作流程是首先，输入风速、海表面温度、大气温度和湿度；其次，上述参数输入到理查逊数和莫奥长度计算部分，计算出理查逊数和莫奥长度；同时，根据大气湿度、气温和海水表面温度分别计算出大气和海表面的大气折射指数和位势折射指数，将理查逊数、莫奥长度、大气和海表面的大气折射指数和位势折射指数输入到蒸发波导高度和大气修正折射指数计算部分；再其次，将上一步计算结果输入到蒸发波导高度和大气修正折射指数计算部分后，进行大气稳定条件判断，若0＜Rib＜1，则为中性、稳定条件，利用中性、稳定条件下蒸发波导高度计算部分计算出蒸发波导高度，输入到中性、稳定条件下大气修正折射指数计算部分，在这一部分计算出大气修正折射指数的垂直分布；若Rib＜0，则为不稳定条件，利用不稳定条件下蒸发波导高度计算部分计算出蒸发波导高度，输入到不稳定条件下大气修正折射指数计算部分，在这一部分计算出大气修正折射指数的垂直分布；最后，实时地输出和保存蒸发波导高度和大气修正折射指数的垂直分布，蒸发波导诊断模块还以每两分钟自动返运行一次，每一次运行过程均相同。
图中的箭头方向为程序的流程方向。
具体实施例方式
实施例1海军大连舰艇学院为了评估蒸发波导对雷达探测的影响，在大连760研究所南码头(λ121°39.8’E 38°51.8’N)边上对蒸发波导进行监测诊断，并评估1290雷达在蒸发波导条件下的最大探测距离，试验中采用了本发明的蒸发波导监测诊断评估方法及装置，其使用和操作程序如下在海岸边对蒸发波导进行监测诊断评估时，将支架安装在距海边2米的码头上，设在海岸边的支架[10]，呈“十字”形，在支架的横向杆的两端位置分别安装的是红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]，而多个传感器安装的高度分别是低层温湿传感器[11]距平均海面高度为3米，中层温湿传感器[11]距平均海面高度为5米，红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]距平均海面高度为6米，高层温湿传感器[11]距平均海面高度为7米，电磁式风向风速传感器[21]距平均海面高度为8.5米，避雷天线[22]距平均海面高度为9米。
使用中首先打开蒸发波导监测诊断评估装置的电源开关，系统开始工作，此时，温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]，红外海水表面温度传感器[31]，GPS接收机[32]、气压传感器[33]分别实时采集气温、大气湿度、风向风速、海表面水温，这些数据在数据采集器[35]中由模拟信号转化成数字信号，并在LCD显示器[36]中显示，显示指出，此刻的海面气温为25.8℃，大气相对湿度为55％，海水表面温度为19.7℃，风速为4.4m/s，这些环境和舰船信号通过通信接口[37]和多路串行通讯[40]进入到包含有真风计算模块[42]、蒸发波导诊断模块[43]和雷达探测评估模块[44]的计算显示单元[41]中。由于测量地点是固定的，此时测得的风向风速即为绝对风向风速，即真风速为4.4m/s，计算显示单元[41]每3秒保存一次真风向风速、气温、海表面水温和大气相对湿度，同时，将风向风速进行平均，分别有2分钟和10分钟两种平均数据，并分别保存两种数据，此时，2分钟和10分钟平均风速分别为4.5m/s、4.3m/s。
然后进行蒸发波导诊断，2分钟平均真风速4.5m/s、气温25.8℃、海表面水温19.7℃和大气相对湿度55％输入到蒸发波导诊断模块[43]，利用风速、气温和海水表面温度的关系计算理查逊数和莫奥长度；根据大气湿度、气温和海水表面温度分别计算出大气和海表面的大气折射指数和位势折射指数；接着计算蒸发波导高度，此时，大气处于中性和稳定条件，直接通过位势折射指数和莫奥长度计算出蒸发波导高度为18.2米，根据稳定条件计算出大气修正折射指数垂直分布，在显示器上显示计算结果，并保存计算结果。
以上过程为自动过程，程序每2分钟重复一次，每次计算的过程均相同。
最后进行雷达探测评估，这一部分的操作在计算显示单元[41]上进行，计算显示单元[41]的硬件是一部台式计算机，它的操作使用方法与普通计算机的使用相同，在此不做叙述。此步骤的计算过程是，大气修正折射指数垂直分布数据同雷达型号、目标类型的初始数据一同输入到雷达探测评估模块[44]，本次试验使用的是1290雷达，目标类型为中型舰船，反射截面积约为5000平方米，通过蒸发波导诊断模块提供的蒸发波导厚度18.2米，最大修正折射指数377.8和最小修正折射指数316.5计算出截止频率为4.65GHz，根据雷达截止频率给出雷达的截止波长为6.44厘米；然后通过电磁波传播损耗模式计算出雷达电磁波在二维空间的传播损耗，再利用部分雷达参数和目标参数计算出雷达的探测概率分布图，同时给出雷达在空间不同高度处的最大探测距离，此时求解出的雷达最大探测距离为61.1公里，同时保存计算结果和图像。接着进行雷达超视距判断，根据雷达天线的高度8米和目标高度20米，计算出雷达视距为30公里，用雷达视距与评估的雷达最大探测距离进行比较，评估的雷达探测距离大于雷达视距，系统显示雷达具有超视距探测能力，此时雷达探测到目标的距离为59.4公里，雷达确实具有超视距能力，同时评估的雷达距离与雷达实际探测距离相差1.7公里，评估的准确率为97％，这充分证明了蒸发波导监测诊断评估方法及装置的正确性和有效性。
实施例2XX部队为了验证本发明蒸发波导监测诊断评估方法及装置诊断评估的正确性，在XX舰上安装了蒸发波导监测诊断评估装置，其操作步骤如下根据舰船的结构和高度，各传感器分别安装于船舷边和首楼顶位置，具体位置是低层温湿传感器[11]位于低层船舷边，距海面高度为5米，中层温湿传感器[11]位于中层船舷边，距海面高度为7米，红外海水表面温度传感器[31]距海面高度为8米，红外镜头指向开阔海面，电磁式风向风速传感器[21]、高层温湿传感器[11]和GPS接收机[32]位于首楼顶上，GPS接收机[32]距海面高度为8米，高层温湿传感器[11]距海面高度为9米，电磁式风向风速传感器[21]距海面高度为9米；首先，打开电源开关，系统开始工作，水文气象数据采集和显示的过程与实施例1相同，此时，计算机上显示的海面气温为15℃，大气相对湿度为66％，海水表面温度为15.6℃，相对风速为4.3m/s，视风向为220°，这些环境和舰船信号通过通信接口[37]和多路串行通讯[40]进入到包含有真风计算模块[42]、蒸发波导诊断模块[43]和雷达探测评估模块[44]的计算显示单元[41]中。接着，真风计算模块[42]开始计算真风向风速，其计算过程是根据GPS提供的实时舰船位置数据，从中取出船速，船速为6m/s，从罗经变换器取得船向值，船的航向为270°，与实际测得的相对于舰船的风速风向值进行三角形矢量分解，计算出真风速为4.6m/s、真风向为135.5°，计算显示单元[41]每3秒保存一次真风向风速、气温、海表面水温和大气相对湿度，同时，将风向风速进行平均，分别有2分钟和10分钟两种平均数据，并分别保存两种数据，此时，2分钟和10分钟平均风速分别为4m/s、4.2m/s。
然后，进行蒸发波导诊断，2分钟平均真风速4米/秒、气温15℃、海表面水温15.6℃和大气相对湿度66％输入到蒸发波导诊断模块[43]，利用风速、气温和海水表面温度的关系计算理查逊数和莫奥长度；根据大气湿度、气温和海水表面温度分别计算出大气和海表面的大气折射指数和位势折射指数；接着计算蒸发波导高度，此时，大气处于不稳定条件，通过Lumley函数计算蒸发波导高度，同时根据不稳定条件计算出大气修正折射指数垂直分布，在显示器上显示计算结果，并保存计算结果，此时，蒸发波导的高度为11.8米。
以上过程亦为自动过程，程序每2分钟重复一次，每次计算的过程均相同。
最后，进行雷达探测评估，大气修正折射指数垂直分布数据同雷达型号、目标类型的初始数据一同输入到雷达探测评估模块[44]，本次试验使用的也是1290雷达，目标类型为中型舰船，反射截面积约为5000平方米，通过蒸发波导诊断模块提供的蒸发波导厚度11.8米、最大修正折射指数356.1和最小修正折射指数319.1计算出雷达截止频率为8.9GHz，根据雷达截止频率给出雷达的截止波长为3.36厘米；然后通过电磁波传播损耗模式计算出雷达电磁波在二维空间的传播损耗，再利用部分雷达参数和目标参数计算出雷达的探测概率分布图，同时给出雷达在空间不同高度处的最大探测距离，此时求解出的雷达最大探测距离为31.3公里，同时保存计算结果和图像。接着进行雷达超视距判断，根据雷达天线的高度18米和目标高度20米，计算出雷达视距为35.8公里，用雷达视距与评估的雷达最大探测距离进行比较，评估的雷达探测距离小于雷达视距，系统显示雷达不具有超视距探测能力，此时雷达探测到目标的最远距离为32.5公里，雷达确实不具有超视距能力，同时评估的雷达距离与雷达实际探测距离相差1.2公里，评估的准确率达到了96％，这些数据也充分证明了蒸发波导监测诊断评估方法及装置的正确性和有效性。
附表表1是本发明实施例1在10分钟内对蒸发波导监测诊断评估的各种参数通过显示器显示的数据记录表 注时间格式“分秒”，例如“0200”表示02分00秒；“1000”表示10分00秒。
“-”表示无数据显示；“…”表示表中的内容省略部分。
表2是本发明实施例1在开机2分钟计算出的大气修正折射指数垂直分布高度和折射指数通过显示器显示的数据记录表
注大气修正折射指数最小值对应的高度值为蒸发波导高度。
表3本发明实施例2在10分钟内对蒸发波导监测诊断评估的各种参数通过显示器显示的数据记录表 注时间格式“分秒”，例如“0200”表示02分00秒；“1000”表示10分00秒“-”表示无数据显示；“…”表示表中的内容省略部分。
表4是本发明实施例2开机2分钟计算出的大气修正折射指数垂直分布高度和折射指数通过显示器显示的数据记录表
注大气修正折射指数最小值对应的高度值为蒸发波导高度。
权利要求
1.蒸发波导监测诊断评估方法，是将所获得的海表面水温、大气温度、湿度、风速水文气象参数输入到计算机中，通过蒸发波导诊断模型计算出蒸发波导高度和大气修正折射指数，并将上述数据输入到雷达探测评估模型，计算出雷达最大探测距离，并判断出雷达是否具有超视距探测能力，其特征在于a)将三个温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]、GPS接收机[32]通过支架[10]布设在海岸边或舰船外部，分别用来连续、实时采集大气温度和湿度、海表面水温、相对风向和风速参数；利用GPS接收机[32]获得舰艇的位置，根据真风和相对风的关系，计算出绝对风向、风速；利用蒸发波导诊断方法诊断出蒸发波导高度和大气修正折射指数垂直分布数据；再结合雷达参数和目标参数，对雷达探测情况进行评估；b)蒸发波导监测诊断评估的步骤是第一步数据采集利用设在海岸边或舰船外部支架[10]上的温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]，连续自动测量气温、大气湿度、风速、海表水温和舰船位置，同时，将测量的模拟信号输入到数据采集器[35]，并将其模拟信号转换成数字信号，再通过通信接口[37]输入到计算显示单元[41]，并保存数据；第二步计算真风向风速利用第一步中获得的实时舰船位置数据，从中取出船速，从罗经变换器[34]中取得船向值，与实际测得的相对于舰船的风速风向值进行三角形矢量分解，再通过安装在计算显示单元[41]的真风计算模块[42]计算出真风速、真风向，并保存数据；第三步计算蒸发波导高度和大气折射指数垂直分布利用第一步中所获得的水文气象参数和第二步中所获得的真风向风速，根据海气耦合和近地层相似理论，通过安装在计算显示单元[41]的蒸发波导诊断模块[43]，计算出蒸发波导高度和大气折射指数垂直分布，并保存数据和显示计算结果，具体是首先，利用风速、气温和海水表面温度和大气湿度计算理查逊数和莫奥长度；其次，根据大气湿度、气温和海水表面温度分别计算出大气和海表面的大气折射指数和位势折射指数；再其次，计算蒸发波导高度和大气修正折射指数，计算中有两种情况，一种情况是若大气处于中性和稳定条件，则直接通过位势折射指数和莫奥长度计算出蒸发波导高度；另一种情况是若大气处于不稳定条件，则通过Lumley函数计算出蒸发波导高度，同时根据稳定和不稳定条件计算出大气修正折射指数垂直分布；最后，实时的输出和显示蒸发波导诊断结果；第四步雷达探测评估利用大气参数、雷达参数、目标参数，根据电磁波传播和雷达探测评估理论，通过雷达探测评估模块[44]对雷达探测情况进行评估，主要包括雷达在当时的大气环境下的截止频率和截止波长；雷达探测概率分布图和雷达的最大探测距离；雷达是否具有超视距探测能力，并保存雷达评估数据和雷达探测概率分布图，具体是首先，利用大气修正折射指数垂直分布数据，根据大气折射指数和雷达截止频率的关系，通过雷达探测评估模块[44]，计算出雷达在当时的大气环境下的截止频率和截止波长；其次，利用大气修正折射指数垂直分布数据、雷达数据、目标数据，结合雷达探测评估方法，通过雷达探测评估模块[44]计算出雷达在不同大气环境下的探测情况，这一过程首先是利用抛物方程计算出电磁波在二维空间的传播损耗，然后利用雷达方程计算出空间上每一位置处的雷达探测概率，最后由计算机绘制和显示雷达探测概率图，并保存评估数据和雷达探测概率图，根据计算结果给出雷达的最大探测距离；再其次，根据雷达架设的高度，根据雷达视距的计算公式，计算出雷达的视距，比较雷达视距和雷达最大探测距离，判断雷达是否具有超视距能力，并在显示器上将结果显示出来。
2.根据权利要求1所述的蒸发波导监测诊断评估方法，其特征在于设在海岸边的支架[10]，呈“十字”形，在支架的横向杆的两端位置分别安装的是红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]，而多个传感器安装的高度分别是低层温湿传感器[11]距平均海面高度为3～5米，中层温湿传感器[11]距平均海面高度为5～7米，红外海水表面温度传感器[31]和GPS接收机[32]距平均海面高度为6～8米，高层温湿传感器[11]距平均海面高度为7～9米，电磁式风向风速传感器[21]距平均海面高度为4～9米，避雷天线[22]距平均海面高度为8～10米；安装在舰船上的传感器架装高度也应按照在海岸边上的安装要求进行，温湿传感器[11]的安装高度应严格按照上面所述的要求，GPS接收机[32]和电磁式风向风速传感器[21]安装在舰船首楼顶部，在舰船外部由低向高安装的传感器依次是低层温湿传感器[11]、中层温湿传感器[11]、红外海水表面温度传感器[31]、高层温湿传感器[11]、GPS接收机和电磁式风向风速传感器[21]。
3.使用如权利要求1所述的蒸发波导监测诊断评估方法的装置，包括室外设备[45]和室内设备[46]，其特征在于，室外设备主要包括有温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]、GPS接收机[32]，室内设备包括有气压传感器[33]、罗经变换器[34]、数据采集器[35]、LCD显示器[36]、通讯接口[37]、Flash存储器[38]、交流电源[39]、多路串行通信[40]和包括有真风计算模块[42]、蒸发波导诊断模块[43]、雷达探测评估模块[44]的计算显示单元[41]；它们之间的连接关系是温湿传感器[11]，包括低层、中层、高层三组温湿传感器，其输出端均与数据采集器[35]的输入端连接；电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]、GPS接收机[32]和气压传感器[33]的输出端也均与数据采集器[35]连接；罗经变换器[34]，其输入端与罗经信号线相连，输出端与数据采集器[35]连接；数据采集器[35]，其输出端与LCD显示器[36]、通讯接口[37]和Flash存储器[38]的输入端相连；LCD显示器[36]和通讯接口[37]和Flash存储器[38]，其输出端与多路串行通信[40]的输入端相连；Flash存储器[38]，其输入端与数据采集器[35]和交流电源[39]相连，其输出端与多路串行通信[40]的输入端相连；计算显示单元[41]，是一台装有诊断评估程序的计算机，其输入端与多路串行通信[40]的输出端相连；计算显示单元[41]中的真风计算模块[42]，其输入端与多路串行通信[40]的输出端相连，其输出端与蒸发波导诊断模块[43]相连；计算显示单元[41]中的蒸发波导诊断模块[43]，其输出端与雷达探测评估模块[44]相连。
4.根据权力要求3所述的蒸发波导监测诊断评估方法的装置，其特征在于装有蒸发波导诊断评估程序的计算机，其键盘是采用触摸式键盘，由液晶屏直接显示监测与评估结果。
全文摘要
大气环境监测和无线电技术领域中的蒸发波导监测诊断评估方法及装置，特征，装置由温湿传感器[11]、电磁式风向风速传感器[21]、红外海水表面温度传感器[31]、GPS接收机[32]、气压传感器[33]、罗经变换器[34]、数据采集器[35]、LCD显示器[36]、通讯接口[37]、Flash存储器[38]、交流电源[39]、多路串行通信[40]和计算显示单元[41]构成。方法步骤实时测量水文气象参数，诊断出蒸发波导高度和大气修正折射指数垂直分布；计算出雷达的截止频率和截止波长，结合输入的雷达参数、目标参数，计算出雷达电磁波的传播损耗和最大探测距离，绘制出雷达的探测概率分布图；评估其是否具有超视距能力。优点是简化测量方法；连续实时测量水文气象参数；蒸发波导特征值诊断和雷达探测评估的准确率高达95％以上。
文档编号G01S13/00GK1725031SQ20051004664
公开日2006年1月25日 申请日期2005年6月8日 优先权日2005年6月8日
发明者张永刚, 唐海川, 黄小毛, 王 华, 焦林 申请人:中国人民解放军海军大连舰艇学院