词条 | 大气折射 |
释义 | 包围地球的大气层从地面一直延伸到几千公里高度,从下到上可分为对流层、平流层、电离层和磁层四层。无线电波在大气层中传播时,由于在各层中的传播速度变化而产生的效应称为大气折射,它对雷达定位、多普勒测速、通信、导航都有影响。所测得的目标角度、距离、高度都存在大气折射误差。大气折射误差可根据大气结构计算求出,称为大气折射误差修正。 简介大气折射(atmospheric refraction) 射线理论是研究大气折射的基本理论。当无线电波在不均匀介质中传播且其内部反射可忽略时,可用几何光学近似方法对其进行研究。略去地磁场影响,电离层和对流层均为四维(三维空间与时间)不均匀各向同性介质,其中射线是由费马原理推导出的偏微分方程组描述的空间曲线。对四维不均匀大气的大量测量结果表明,通常大气随离地高度的变化比沿球面方向的变化大1~3个量级。因此,在大气折射误差修正中,可假设大气层是球面分层,这时射线服从球面斯涅耳定律。 历史早在公元前2世纪前后,希腊的波西东尼乌斯就发现了大气折射现象,认识到大气折射影响大测量结果的准确性。公元2世纪希腊大天文学家托勒密在他的著作《光学》第五卷中进一步论述了大气折射问题。托勒密通过对恒星位置的反复观测,发现大气折射的作用,使得接近地平的星象位置有所升高。托勒密用光学折射的道理从理论上阐述了这一现象。16世纪,丹麦的大天文学家第谷也对大气折射现象有所研究,他测定了大气折射值。法国的天文学家G.D.卡西尼则于17世纪首先根据正弦定律建立了大气折射理论。其他一些著名的天文学家如英国的牛顿、布拉得雷、法国的拉普拉斯等人都对大气折射有所研究。19世纪20年代德国的天文学家贝塞尔建立了计算大气折射的对数公式,编制了一份相当精确的大气折射表。1870年俄国普尔科沃天文台编制了一份大气折射表,至今仍被广泛应用。 影响因素地球上的大气除随高度增高密度递减外,还存在着局部的不匀称性和不对称性。因此在天顶距小于70度时,还可以得出与实际相符的结果,而在接近地平时,人们至今还不能精确计算大气折射值。目前编制大气折射表都考虑天顶距、气温、气压等因素。但即使如此,由于它们的随时变化仍会有误差存在。大气结构还受地区性局部因素影响,产生一定的不对称性造成误差。大气折射值还会因恒星光谱型的不同而产生误差。这些因素的影响,使得测得的折射值与实际差异,差异可达十分之一角秒的量级,大气折射出天顶距方向的外,还有水平方向的,称旁折射,它会给近地面的天文方位角测量带来误差。人造卫星或月球激光测距以及甚长基线干涉测量、人造卫星多普勒观测都受大气折射的影响。 计算由于大气折射指数分布不同,射线在空间弯曲的方向和程度也有所不同。按射线曲率半径 ρ(弯向地面为正,背向地面为负)与地球半径ɑ之比的大小,折射可分为正折射(ρ/ɑ>0)、负折射(ρ/ɑ<0)、标准折射(ρ/ɑ=4)和超折射(ρ/ɑ<1)。无线电波在对流层和下电离层(其电子密度小于电离层电子密度最大值)中传播时通常产生正折射;在上电离层中传播时产生负折射;当折射指数梯度dn/dh<-157×10负六次方km负一次方、射线仰角为0°时,产生超折射。在考虑大气折射效应时,采用等效地球半径的概念。根据球面斯涅耳定律,如果半径为ɑ的地球用半径ɑθ=Kɑ的等效地球代替,则无线电波射线可视为在真空中以直线传播,其中(图1)称为等效地球半径系数(或称K因子),而ɑθ称为等效地球半径。式中,dn/dh为近地低空折射指数梯度,通常可视为常数。当用等效地球代替真实地球后,除弯曲射线变为直射线外,目标的测得仰角、真实高度、测得距离与地面距离基本都不改变。在计算传播电路时常使用此法。在精度要求不高时,低空对流层折射修正也可采用此法。 直接根据球面斯涅耳定律与几何关系,可求得较精确的大气折射误差。大气折射使雷达定位的目标仰角测量误差为(图2)式中τ为射线弯曲角(在天文学中,墹θ=τ,亦称蒙气差),其表达式为式中n0为射线初始点的折射指数;r0为此点到地心的距离;θ0为测得仰角;rT为目标T到地心的距离;n、r分别表示射线上任意点的折射指数与此点到地心的距离;θT为目标当地仰角,它可由球面斯涅耳定律 nTrTcosθT=n0r0cosθ0 求得。式中nT为目标点的折射指数。 目标距离测量误差为(图4)式中R0为雷达测得的目标距离,它与rT的关系为(图5)式中rI为电离层底到地心的距离。用数值方法可从上式解得目标到地心的距离rT。大气折射误差随射线测得仰角的增加而迅速减小。在地面折射率为360N-单位、测得仰角为 1°时,仰角误差约为10毫弧,距离误差为72米;测得仰角为30°时,仰角误差约为0.6毫弧,距离误差约为 5.3米。无线电波在大气层中传播时测得的多普勒频移与目标真实速度v的关系为(图6)=-f0nT(vxl+vym+vzn)/c 式中f0为发射频率;vx、vy、vz为v的三个分量;l、m、n为目标处射线切线的方向余弦。在测速站中选择三个站的参数,即可由上述方程组成的线性方程组中解得v。 由于大气层是假定为球面分层、大气结构具有随机起伏且探测有误差等原因,大气折射误差修正具有不准确性,即大气折射误差修正存在残差。测得的对流层折射率【N=(n-1)×10的六次方】误差约为5N-单位,它所引起的残差为用较精确方法算得的对流层折射误差量的3%~5%;电离层结构误差引起的残差为电离层折射误差量的25%。大气随机起伏用湍流强度和湍流尺度表征,湍流强度为零点几到几个N-单位,平均湍流尺度为十几米到一千多米。它所引起的随机残差比大气折射误差小1~2量级。大气折射误差修正残差主要是系统误差,它可用模型表示:距离误差残差在高仰角时与测得仰角余割成正比,在低仰角时是测得仰角余割的三次代数式;仰角误差残差在高仰角时与测得仰角余切成正比,在低仰角时是测得仰角余切的三次代数式。 |
随便看 |
百科全书收录4421916条中文百科知识,基本涵盖了大多数领域的百科知识,是一部内容开放、自由的电子版百科全书。