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(1.北海艦隊(duì)聯(lián)合海情中心,山東青島266000;2.中國(guó)電波傳播研究所,山東青島266107)

0 引言

艦載對(duì)海雷達(dá)工作在復(fù)雜的海洋環(huán)境中,用于探測(cè)和跟蹤海面目標(biāo),為武器系統(tǒng)提供目標(biāo)相關(guān)數(shù)據(jù)。一方面,由于海面和氣象微粒反射使得雷達(dá)波形成不希望出現(xiàn)的雜波背景,降低雷達(dá)的信噪比,減小了雷達(dá)的探測(cè)距離[1];另一方面,由于海面大氣逆溫和濕度劇減形成的折射率梯度層結(jié),引起電磁波出現(xiàn)異常傳播現(xiàn)象,可實(shí)現(xiàn)對(duì)低空近海面目標(biāo)的超視距目標(biāo)探測(cè)[2-6]。艦載對(duì)海雷達(dá)主要通過(guò)大氣波導(dǎo)傳播效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的超視距探測(cè),同時(shí)大氣波導(dǎo)環(huán)境增強(qiáng)了雷達(dá)的海面雜波[7-9]。因此,實(shí)時(shí)獲取大氣波導(dǎo)環(huán)境參數(shù)進(jìn)而分析雷達(dá)波以及海雜波傳播特性具有重要意義。

大氣波導(dǎo)作為海洋戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的重要組成部分,早已被世界各國(guó)海軍作為“戰(zhàn)斗力的倍增器”。它是發(fā)生在對(duì)流層大氣中的一種異常折射結(jié)構(gòu),能夠改變電磁波的正常傳播特性,使得水面艦艇雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等裝備能夠克服地球曲率的影響實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離探測(cè)與截收。國(guó)內(nèi)外在大氣波導(dǎo)研究領(lǐng)域存在較大差距[2-5]。國(guó)外,如美國(guó)等國(guó)家,在大氣波導(dǎo)研究領(lǐng)域的工作開(kāi)展較早,經(jīng)過(guò)大量的研究、試驗(yàn)和海洋調(diào)查等,目前已經(jīng)形成了能夠業(yè)務(wù)化運(yùn)行的大氣波導(dǎo)監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和評(píng)估的綜合系統(tǒng)。與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)雖然從20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了大氣波導(dǎo)的相關(guān)研究,但其中由于認(rèn)識(shí)以及需求方面的原因,并沒(méi)有持續(xù)開(kāi)展該方面的研究。隨著微波超視距雷達(dá)的廣泛使用以及大氣波導(dǎo)現(xiàn)象的經(jīng)常發(fā)生,大氣波導(dǎo)的應(yīng)用價(jià)值重新被重視,自2000年來(lái)開(kāi)展了大量的研究,并取得了一系列研究成果[10-11]。文獻(xiàn)[12]還分析了蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境對(duì)通信距離的影響。需要指出的是:整體來(lái)看,國(guó)內(nèi)在大氣波導(dǎo)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)特征研究以及與實(shí)際雷達(dá)的探測(cè)對(duì)比等工作開(kāi)展得并不充分。因此,大氣波導(dǎo)的模型研究、監(jiān)測(cè)分析以及傳播效應(yīng)研究需要逐步完善、逐步改進(jìn)。

大氣波導(dǎo)一般分為蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)、懸空波導(dǎo)。海上蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生概率極高,據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)其存在概率可達(dá)80%以上;海上低空大氣波導(dǎo)(包括表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo))則是偶爾存在,據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)其出現(xiàn)概率介于15%～40%[13]。受試驗(yàn)條件所限,相關(guān)文獻(xiàn)側(cè)重于海陸交界大氣波導(dǎo)觀測(cè)以及岸基雷達(dá)的探測(cè)對(duì)比分析,尚未見(jiàn)到開(kāi)闊海域大氣波導(dǎo)環(huán)境監(jiān)測(cè)與雷達(dá)的實(shí)際探測(cè)分析的報(bào)道。因此,2015年冬季試驗(yàn)期間,在南海遠(yuǎn)海海域開(kāi)展了大氣波導(dǎo)環(huán)境測(cè)量以及雷達(dá)的探測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)期間監(jiān)測(cè)設(shè)備顯示無(wú)低空大氣波導(dǎo)發(fā)生,因此本文重點(diǎn)關(guān)注蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境對(duì)海上運(yùn)作的微波超視距雷達(dá)探測(cè)影響分析?；诖吮尘?文中給出了蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境的測(cè)量方法,并利用修正的雷達(dá)方程對(duì)雷達(dá)的探測(cè)性能進(jìn)行分析,最后結(jié)合實(shí)際雷達(dá)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境測(cè)量

由于海洋近地層大氣具有明顯的湍流特征,各個(gè)氣象要素瞬時(shí)值難以測(cè)量,因此通常不采用構(gòu)建大氣折射率廓線的方法來(lái)確定蒸發(fā)波導(dǎo)結(jié)構(gòu),而是根據(jù)海洋大氣近地層相似理論,利用海面水文、氣象要素的宏觀觀測(cè)來(lái)計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)及其特征量。文獻(xiàn)[14]的研究表明:綜合不同模型[15]在不同大氣條件下的誤差敏感性分析和模型的試驗(yàn)比較,建議在蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)測(cè)上應(yīng)優(yōu)先選用PJ和NPS模型。本文中蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境測(cè)量主要采用PJ模型。

PJ模型使用海面以上一定高度上的空氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、壓強(qiáng)以及海表皮溫度作為輸入,引入位折射率Np為相似參量,且假定其滿足相似理論,即

式中,p,θ,ep為大氣壓、位溫、位水汽壓,Np?為位折射率特征尺度參數(shù),z為高度,為層結(jié)穩(wěn)定度參數(shù),k為Karman常數(shù)。位折射率和大氣折射率之間滿足

在?Np/?z＜-0.125時(shí)出現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo),當(dāng)位折射率垂直梯度等于波導(dǎo)形成的臨界值-0.125時(shí),所對(duì)應(yīng)的高度就是蒸發(fā)波導(dǎo)高度。確定出蒸發(fā)波導(dǎo)高度后,依據(jù)穩(wěn)定條件與否,給出蒸發(fā)波導(dǎo)修正折射率剖面。

對(duì)于中性條件(氣海溫差等于0):

對(duì)于穩(wěn)定條件(氣海溫差大于0):

對(duì)于不穩(wěn)定條件(氣海溫差小于0):

式中,M s為0 m高度處的修正折射率,d為蒸發(fā)波導(dǎo)高度,L為莫寧相似長(zhǎng)度,ψ為普適函數(shù),?為穩(wěn)定度相關(guān)函數(shù),該函數(shù)由如下關(guān)系式給出:

該參量可通過(guò)牛頓迭代法得到。利用測(cè)量的水文氣象參數(shù),依照上述方法可以得到中性條件、穩(wěn)定條件以及不穩(wěn)定條件下的蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境。表1給出了試驗(yàn)航行中的幾組水文氣象參數(shù)以及蒸發(fā)波導(dǎo)高度。由表1可以看到,表中的數(shù)據(jù)包含了穩(wěn)定、不穩(wěn)定以及中性三種不同的條件。圖1給出了對(duì)應(yīng)幾種條件的蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境剖面。由圖可見(jiàn),不穩(wěn)定條件下的波導(dǎo)強(qiáng)度最大,中性條件和穩(wěn)定條件較為接近,中性條件下的波導(dǎo)強(qiáng)度大于穩(wěn)定條件。

表1 蒸發(fā)波導(dǎo)高度與穩(wěn)定性條件

圖1 不同條件下的蒸發(fā)波導(dǎo)剖面

2 艦載雷達(dá)探測(cè)威力分析

根據(jù)雷達(dá)方程,傳播環(huán)境為自由空間時(shí),天線接收到的目標(biāo)回波信噪比為

式中,k為玻耳茲曼常數(shù),T0為溫度,B n為信號(hào)帶寬,F0為接收機(jī)噪聲系數(shù),D0為檢測(cè)因子,R為目標(biāo)距離,σ為目標(biāo)散射截面,λ為電磁波波長(zhǎng),Pt為發(fā)射功率,G為天線增益,Ls為系統(tǒng)損耗。

考慮到艦載雷達(dá)的實(shí)際工作環(huán)境,引入電波傳播因子F,天線接收到的回波信噪比為

根據(jù)式(9),艦載雷達(dá)的最大作用距離方程:

該表達(dá)式可用于考慮地海面反射的雷達(dá)威力覆蓋[16]計(jì)算中,而針對(duì)工作于海上復(fù)雜大氣環(huán)境中的艦載雷達(dá),該最大作用距離方程并不方便使用?？赏茖?dǎo)出如下修正的雷達(dá)方程:

式中,Pt為發(fā)射功率(W),G為天線增益,σ為目標(biāo)散射截面(m2),λ為電磁波波長(zhǎng)(m),L b為雷達(dá)到目標(biāo)的傳播路徑損耗,Ls為系統(tǒng)損耗。轉(zhuǎn)化為分貝,有如下表達(dá)式:

式中,Pt為分貝表示的發(fā)射功率(dBW),G為分貝表示的天線增益,σ與式(11)單位一致,f為信號(hào)頻率(MHz),Pr為分貝表示的接收功率(dBW)。當(dāng)艦載雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波大于接收機(jī)靈敏度時(shí),表示該處的目標(biāo)能夠被雷達(dá)探測(cè)到。假定雷達(dá)和目標(biāo)參數(shù)已知,雷達(dá)的探測(cè)威力計(jì)算歸結(jié)為傳播因子或傳播路徑損耗的計(jì)算。該參量可通過(guò)拋物方程方法[17-18]求得。設(shè)電磁波沿著平行于海表面的X軸正向傳播,采用寬角算子的拋物方程形式如下:

式中,u(x,z)表示場(chǎng)強(qiáng),k0表示電磁波波數(shù)。

采用Lenotovich邊界條件:拋物方程在此邊界條件下,混合傅里葉變換數(shù)值解為

式中,α表示表面阻抗特性,FS和FC分別表示正弦和余弦變換,其中

由式(15)可知:電磁波場(chǎng)強(qiáng)空間分布可利用初始場(chǎng)沿x方向步進(jìn)求解得到。初始場(chǎng)根據(jù)發(fā)射天線方向圖獲得,數(shù)值計(jì)算區(qū)域頂部一般采取設(shè)置吸收邊界條件進(jìn)行處理。由場(chǎng)強(qiáng)也得到路徑傳播損耗的表達(dá)式:

式中,f為頻率(M Hz),r為距離(m)。

為定量分析海上蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境對(duì)艦載雷達(dá)的威力影響,圖2給出了標(biāo)準(zhǔn)大氣和蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境中的X波段雷達(dá)波傳播的損耗仿真。圖中色彩深淺代表該區(qū)域的傳播損耗分布大小,小于110 dB的傳播損耗用淺色表示,即淺色區(qū)域表示該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)較大;大于160 dB的傳播損耗用深色表示,即深色區(qū)域表示該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)較弱;介于二者之間用其他色彩表示,不同的色彩代表傳播損耗所處的區(qū)間。圖中X軸表示地面距離,Y軸表示高度,為方便顯示,用直線表示地球表面,則正常折射傳播的電磁波看起來(lái)是向上彎曲,如圖2(a)所示;而X軸傳播到遠(yuǎn)距離的電磁波看起來(lái)是直線傳播,如圖2(b)所示,這只是顯示方式造成的效果。實(shí)際上正常折射條件下電磁波是向下折射傳播,蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下電磁波也是向下折射傳播,且蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下電磁波經(jīng)過(guò)向下折射、海面反射、波導(dǎo)層頂反射進(jìn)而形成了電磁波的超視距傳播。假定雷達(dá)允許的最大單程傳播損耗為160 dB,由圖2可見(jiàn),蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境下的電磁波實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境情形下的超視距傳播。艦載雷達(dá)的傳播必須考慮大氣環(huán)境的影響,正如文獻(xiàn)[19]提到,目標(biāo)、環(huán)境和任務(wù)是促成雷達(dá)體制、頻段、理論和技術(shù)不斷發(fā)展演變的3個(gè)主要外部因素。其中,環(huán)境是指雷達(dá)的工作環(huán)境、生存環(huán)境、電磁環(huán)境,以及目標(biāo)所處的周邊環(huán)境。因此,只有充分了解雷達(dá)的工作環(huán)境,例如大氣波導(dǎo)環(huán)境,才能衍生微波超視距雷達(dá),大氣波導(dǎo)環(huán)境使得微波傳播突破了視距傳播的限制。

圖2 不同大氣環(huán)境下的雷達(dá)傳播損耗分布圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

2015年冬季,利用中國(guó)電波傳播研究所的大氣波導(dǎo)監(jiān)測(cè)設(shè)備,在我國(guó)南海海域開(kāi)展了艦載大氣波導(dǎo)環(huán)境測(cè)量,并記錄了雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)情況。大氣波導(dǎo)監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)接收中低軌道衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)以及監(jiān)測(cè)空氣溫度、濕度、壓強(qiáng)、風(fēng)速風(fēng)向、海面溫度等氣象參數(shù),診斷是否存在表面波導(dǎo)、懸空波導(dǎo)和蒸發(fā)波導(dǎo)。雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)則記錄了探測(cè)方位以及探測(cè)距離參數(shù)。其中,利用接收到的中低軌道衛(wèi)星信標(biāo)信號(hào)信噪比反演表面波導(dǎo)、懸空波導(dǎo);利用監(jiān)測(cè)的水文氣象參數(shù)基于PJ模型給出了蒸發(fā)波導(dǎo)高度。大氣波導(dǎo)監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,試驗(yàn)期間無(wú)表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo),蒸發(fā)波導(dǎo)則一直存在。圖3給出了試驗(yàn)期間兩天時(shí)間內(nèi)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度監(jiān)測(cè)結(jié)果,由圖3可見(jiàn),試驗(yàn)期間南海海域蒸發(fā)波導(dǎo)高度較高,最高可達(dá)40 m,平均高度在25 m左右。文獻(xiàn)[13]利用1982—1999年的海洋觀測(cè)資料,運(yùn)用相似理論對(duì)東經(jīng)100°～140°、北緯0°～40°海域的海上蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明海上蒸發(fā)波導(dǎo)高度一般在15 m左右。由此可見(jiàn),南海海域冬季的蒸發(fā)波導(dǎo)高度要高于上述大區(qū)域的統(tǒng)計(jì)結(jié)果15 m。

圖3 蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境測(cè)量

選取雷達(dá)探測(cè)的典型時(shí)刻以及對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度開(kāi)展了雷達(dá)的探測(cè)性能對(duì)比分析。首先,利用實(shí)測(cè)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度,獲得了蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境剖面;其次,將雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)以及蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境輸入拋物方程模型,獲得模型預(yù)測(cè)的雷達(dá)探測(cè)性能;最后,將模型預(yù)測(cè)的雷達(dá)作用距離與實(shí)際探測(cè)距離進(jìn)行對(duì)比。其中,海面大目標(biāo)高度為25 m,RCS為2 000 m2。表2給出了試驗(yàn)期間雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的最大距離以及利用蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境預(yù)測(cè)的雷達(dá)最大距離部分對(duì)比結(jié)果。

表2 模型預(yù)測(cè)與實(shí)際雷達(dá)性能對(duì)比結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可以看出,實(shí)際探測(cè)以及模型預(yù)測(cè)的雷達(dá)性能均為超視距探測(cè),說(shuō)明了基于蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境預(yù)測(cè)雷達(dá)超視距性能方法的有效性。另外序號(hào)1,2,4預(yù)測(cè)的雷達(dá)最大作用距離大于實(shí)際探測(cè)目標(biāo)的距離,而序號(hào)3預(yù)測(cè)的雷達(dá)最大作用距離稍小于實(shí)際探測(cè)目標(biāo)距離。這是由于雷達(dá)探測(cè)一般是在探測(cè)非合作目標(biāo)的情形下展開(kāi),非合作目標(biāo)的RCS值[20]不能準(zhǔn)確選取導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際探測(cè)結(jié)果存在差異。例如相同的蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境對(duì)艦艇以及不同的商船最大作用距離可能有較大差別。針對(duì)同一目標(biāo),雷達(dá)從前向、側(cè)向以及后向照射時(shí)的RCS值亦有一定差別,也可能對(duì)艦載雷達(dá)的預(yù)測(cè)結(jié)果有一定的影響。

準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)雷達(dá)的最大作用距離,最好選擇合作目標(biāo)即具有確定RCS值的目標(biāo),開(kāi)展雷達(dá)與目標(biāo)的拉距測(cè)試,目標(biāo)進(jìn)入雷達(dá)探測(cè)區(qū)域,然后遠(yuǎn)離雷達(dá),直至目標(biāo)從雷達(dá)屏幕消失為止,即可得到雷達(dá)的最大作用距離實(shí)測(cè)結(jié)果。然而實(shí)際作戰(zhàn)環(huán)境中,判斷當(dāng)前環(huán)境能否實(shí)現(xiàn)超視距也是至關(guān)重要的,因此上述評(píng)估結(jié)果的差別并不影響雷達(dá)在實(shí)際中的超視距探測(cè)應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了艦載蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境測(cè)量以及雷達(dá)探測(cè)性能的計(jì)算方法,經(jīng)過(guò)海上試驗(yàn)數(shù)據(jù)檢驗(yàn),計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果在超視距傳播上十分吻合,說(shuō)明了該方法的有效性,能夠滿足工程要求。實(shí)際作戰(zhàn)中,作戰(zhàn)指揮人員可以依托大氣波導(dǎo)監(jiān)測(cè)設(shè)備,實(shí)時(shí)評(píng)估戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和艦船電子信息系統(tǒng)性能,充分發(fā)揮雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗等裝備的最佳性能,達(dá)到先敵發(fā)現(xiàn)、先敵開(kāi)火、先敵摧毀的作戰(zhàn)效果。

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