中國人民解放軍63889部隊 任典元 羅軍 宋余愷 任飛龍

精密測量雷達(dá)跟蹤掠海飛行小目標(biāo)時，由復(fù)雜海情導(dǎo)致的大氣折射對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)有較大的影響。結(jié)合實際任務(wù)，分析了引起超折射和大氣波導(dǎo)現(xiàn)象的氣象條件和雷達(dá)條件，給出了雷達(dá)在不同大氣折射類型下的探測距離計算公式，揭示了某任務(wù)中雷達(dá)超視距檢測到目標(biāo)和干擾的機理。

精密測量雷達(dá)在海面環(huán)境工作時，受復(fù)雜海情的影響，其電波傳播環(huán)境與內(nèi)陸靶場有很大差異，通常的電波傳播修正模型不再適用。尤其是靠近海面的大氣層空間內(nèi)，海水與大氣的交互作用大氣結(jié)構(gòu)變化更加劇烈，電磁波的傳播會偏離原來的軌道向海面彎折，使得雷達(dá)能夠超視距探測目標(biāo)。當(dāng)彎折到一定程度，還會發(fā)生大氣波導(dǎo)傳播現(xiàn)象，引發(fā)雷達(dá)探測盲區(qū)的問題[1]。實際試驗任務(wù)中，雷達(dá)保障人員難以及時獲取試驗區(qū)域的海情預(yù)報和氣象條件，不能針對掠海飛行目標(biāo)做出準(zhǔn)確的跟蹤預(yù)案，當(dāng)出現(xiàn)超視距探測現(xiàn)象后，操作手做出誤判的概率很大，增大了任務(wù)保障難度。本文基于單脈沖測量跟蹤雷達(dá)的測角原理和電波傳播模型，研究超折射和大氣波導(dǎo)對雷達(dá)跟蹤掠海飛行目標(biāo)的影響。

文章共分4部分：第2節(jié)分析了超折射和大氣波導(dǎo)的形成條件及對雷達(dá)探測距離的影響；第3節(jié)結(jié)合實際任務(wù)分析了大氣折射對雷達(dá)跟蹤掠海飛行小目標(biāo)的影響；第4節(jié)對文章進行了總結(jié)歸納，并明確了下一步的研究方向。

1 大氣折射對雷達(dá)探測距離的影響

1.1 大氣折射

雷達(dá)發(fā)出的電磁波在對流層內(nèi)傳播時，受大氣環(huán)境中散射、吸收和折射的影響，傳播速度發(fā)生變化。對于100GHz以內(nèi)的電磁波，大氣折射是影響傳播的主要因素。由于大氣層在不同氣象條件下呈現(xiàn)不同的介電性質(zhì)，導(dǎo)致電磁波的傳播速度發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了折射現(xiàn)象。通常用大氣折射指數(shù)n表征電磁波的大氣折射效應(yīng)，由于大氣折射指數(shù)n接近1，其值的變化較為小，通常用大氣折射率N來表示更為方便計算，如式（1）所示：

其中T為大氣溫度（K），P為大氣壓強（hPa），e為水汽壓（hPa）。

在實際應(yīng)用中，飛行目標(biāo)往往距離雷達(dá)較遠(yuǎn)，處理大氣折射時就必須要考慮地球曲率的影響因素。因此，通常用大氣修正折射率M代替大氣折射率N，用公式（2）進行計算：

其中 Re= 6.371 × 106m 為地球平均半徑，h為海拔高度（m）。公式（2）對h求導(dǎo)，得大氣折射率梯度，可表示為如式（3）所示：

不同大氣折射條件下，大氣折射率梯度對電磁波傳播的影響是不同的，如表1和圖1所示。當(dāng)大氣折射率梯度大于0.157時，即電磁波的傳播軌跡向大氣層彎折，這種情況較為少見，在跟蹤海面目標(biāo)時不予考慮；當(dāng)大氣折射率梯度小于0.157時，電磁波的傳播彎向地面，當(dāng)折射率梯度在0～0.080時，發(fā)生電磁波超折射現(xiàn)象，雷達(dá)探測距離增大，甚至超出雷達(dá)直視距離。當(dāng)折射率梯度小于0時，電磁波彎曲曲率大于地球平均半徑，電磁波的傳播方向?qū)⒄巯虻孛?，發(fā)生陷獲折射，形成大氣波導(dǎo)傳播[2,3]。

表1 大氣折射類型與折射率梯度的關(guān)系Tab.1 The relationship between type of atmospheric refraction and refractive index gradient

圖1 大氣折射類型Fig.1 The type of atmospheric refraction

1.2 大氣波導(dǎo)形成條件

在海面大氣環(huán)境中，大氣波導(dǎo)主要有3種類型：表面波導(dǎo)、蒸發(fā)波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)。表面波導(dǎo)的下界與海面相連，一般發(fā)生在300m高度以下的大氣層中。通常發(fā)生在晴朗的天氣條件里，此時，低層大氣存在穩(wěn)定的逆溫層，濕度隨高度降低，波導(dǎo)頂層的大氣折射率小于地面的大氣折射率，易于形成表面波導(dǎo)，發(fā)生概率大約為25%。蒸發(fā)波導(dǎo)實際是一種較特殊的表面波導(dǎo)，一般發(fā)生在40m高度以下的海面大氣中，并且隨著海域維度的升高而遞減，據(jù)統(tǒng)計全球海域近海面蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生概率高達(dá)80%。懸空波導(dǎo)發(fā)生的概率很小，對電磁波傳播的影響較小，通常僅研究蒸發(fā)波導(dǎo)和表面波導(dǎo)。如表2所示為海洋環(huán)境下，形成大氣波導(dǎo)的氣象條件[1]。

表2 海洋環(huán)境下形成大氣波導(dǎo)的氣象條件Tab.2 Meteorological conditions for the formation of atmospheric waveguides in the marine environment

海面存在大氣波導(dǎo)并不能一定發(fā)生電磁波的大氣波導(dǎo)傳播，大氣波導(dǎo)能否將電磁波陷獲在波導(dǎo)層內(nèi)傳播還取決于電磁波的波長、雷達(dá)與大氣波導(dǎo)的相對位置以及天線的仰角。

根據(jù)對流層折射的模理論，在大氣波導(dǎo)中傳播的電磁波波長與大氣波導(dǎo)厚度及大氣折射率梯度三者滿足一定的關(guān)系。波導(dǎo)中陷獲傳播的電磁波截止波長可以如式（4）得出：

其中，hλ為波導(dǎo)超視距傳播的水平極化波的截止波長，vλ為垂直極化波的截止波長。dM/dh為大氣波導(dǎo)層的大氣折射率梯度，表征了波導(dǎo)強度，d為波導(dǎo)厚度。可以看出，波導(dǎo)強度越大，波導(dǎo)厚度越厚，大氣波導(dǎo)的截止波長就越大，即越容易使雷達(dá)發(fā)出的電磁波陷獲于大氣波導(dǎo)內(nèi)。

陷獲角是指在特定的大氣參數(shù)條件下，電磁波能被大氣波導(dǎo)陷獲的最大發(fā)射仰角，只有雷達(dá)天線仰角小于陷獲角的電磁波才可能實現(xiàn)大氣波導(dǎo)傳播，相關(guān)表達(dá)式如公式（5）所示。陷獲角與波導(dǎo)強度呈正比變化，但通常不超過1°，波導(dǎo)強度越強，電磁波實現(xiàn)波導(dǎo)傳播的發(fā)射仰角范圍也就越廣[1]。

由以上分析可知，要形成電磁波的大氣波導(dǎo)傳播需要具備以下4個條件[1]：

（1）近海面要形成大氣波導(dǎo)；

（2）電磁波的波長要小于大氣波導(dǎo)截至波長；

（3）雷達(dá)所在的位置位于波導(dǎo)層內(nèi)；

（4）雷達(dá)天線仰角要小于陷獲角。

1.3 超折射和大氣波導(dǎo)對雷達(dá)探測距離的影響

在大氣折射條件下，雷達(dá)對目標(biāo)的探測直視距離用公式（6）計算：

其中，Re為等效地球半徑，R為實際地球曲率半徑，H1和H2分別為雷達(dá)架設(shè)高度和目標(biāo)飛行高度，系數(shù)k為大氣折射率梯度dn/dh的函數(shù)，如式（7）所示。

通常計算雷達(dá)視距時，大氣折射率梯度dn/dh采用標(biāo)準(zhǔn)大氣折射梯度值-0.039N/m，系數(shù)k值為4/3。當(dāng)發(fā)生超折射現(xiàn)象后，大氣折射率梯度dn/dh在-0.157～-0.077范圍內(nèi)，由公式（6）可知，雷達(dá)的視距要比標(biāo)準(zhǔn)大氣折射條件時大。因此應(yīng)根據(jù)探空儀測量的氣象數(shù)據(jù)和公式（1）得出準(zhǔn)確的數(shù)值，再對等效地球半徑Re進行修正。

當(dāng)雷達(dá)發(fā)出的電磁波陷獲在大氣波導(dǎo)層內(nèi)時，對于雷達(dá)探測目標(biāo)會產(chǎn)生兩者影響：（1）當(dāng)目標(biāo)飛行高度大于大氣波導(dǎo)高度，不在大氣波導(dǎo)層時，由于雷達(dá)發(fā)出的電磁波陷獲于波導(dǎo)內(nèi)傳播，形成了雷達(dá)探測盲區(qū)，無法及時探測到目標(biāo)，增大了防低空突防的難度；（2）當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)都在大氣波導(dǎo)層內(nèi)時，雷達(dá)探測距離增大，如果能夠根據(jù)氣象數(shù)據(jù)計算出雷達(dá)最大探測距離，就可以準(zhǔn)確掌握雷達(dá)加高壓探測目標(biāo)的時間，先敵捕獲目標(biāo)，又不至于過早暴露自己[4]。

2 實際任務(wù)分析

2.1 大氣折射引起的超視距檢測到干擾信號

本次試驗，某精密測量雷達(dá)第一次跟蹤掠海飛行小目標(biāo)，低仰角工作時海面大氣折射、多徑效應(yīng)和海雜波對雷達(dá)跟蹤搜索目標(biāo)有不同程度的影響。根據(jù)參試前分析，雷達(dá)在視距（108km）之外檢測不到干擾和目標(biāo)。但試驗中，雷達(dá)在目標(biāo)距離134km處受到干擾，在距離124km處檢測到了導(dǎo)彈目標(biāo)。根據(jù)參試前分析得出的結(jié)論，當(dāng)導(dǎo)彈飛行高度為500m時，雷達(dá)與其直視距離為108km，但01#號導(dǎo)彈第一圈進入對抗區(qū)后134km時，雷達(dá)就受到干擾，如圖2所示。

圖2 雷達(dá)超視距檢測干擾的A顯畫面Fig.2 The display of radar over-the-horizon detection interference in monitor A

按照標(biāo)準(zhǔn)折射臨界值-0.077計算，雷達(dá)與導(dǎo)彈直視距離為132km，小于試驗中雷達(dá)檢測到干擾信號的距離，精密測量雷達(dá)的電磁波傳播超出了標(biāo)準(zhǔn)折射的范圍；另外，雷達(dá)沒有超遠(yuǎn)距離檢測干擾和目標(biāo)，也沒有出現(xiàn)未檢測到任何干擾的情況，不具備陷獲折射的特征。因此，經(jīng)分析認(rèn)為精密測量雷達(dá)的電磁波傳播發(fā)生了超折射。當(dāng)折射率梯度在-0.157～-0.077之間時，電磁波發(fā)生超折射。由于不具備探空儀和微波折射率儀等儀器，沒有獲取試驗時大氣折射率數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗結(jié)果推算出系數(shù)k應(yīng)為2.05，代入公式（6）得到如式（8）所示：

當(dāng)電磁波發(fā)生超折射時，雷達(dá)不僅能夠超視距檢測到干擾信號，如果雷達(dá)威力足夠大，還有可能檢測到目標(biāo)。

2.2 電磁波陷獲折射導(dǎo)致艦載雷達(dá)未發(fā)現(xiàn)目標(biāo)

本次試驗任務(wù)中艦載雷達(dá)發(fā)射電磁波，但未受到01#導(dǎo)彈的干擾，也沒有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。如表3所示為試驗海區(qū)2017～2019年8月份大氣波導(dǎo)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，8月份是大氣波導(dǎo)產(chǎn)生的高頻月份。表面波導(dǎo)和蒸汽波導(dǎo)厚度通常為幾十米，抬升波導(dǎo)的下層也在幾十米海拔以上，而精密測量雷達(dá)天線高度為16.3m，導(dǎo)彈的飛行高度為500m，兩者不會處于同一大氣波導(dǎo)，因此精密測量雷達(dá)沒有發(fā)生電磁波陷獲折射。艦載雷達(dá)遇到的現(xiàn)象可能因為艦載雷達(dá)的電磁波陷獲在大氣波導(dǎo)中，而導(dǎo)彈沒有在大氣波導(dǎo)中飛行。

表3 試驗海區(qū)2017～2019年8月份大氣波導(dǎo)產(chǎn)生天數(shù)統(tǒng)計Tab.3 Statistics of the number of days of atmospheric waveguide generation in the experimental sea area from 2017 to August 2019

3 結(jié)語

本文結(jié)合實際任務(wù)分析了大氣折射對雷達(dá)跟蹤掠海飛行小目標(biāo)的影響。大氣波導(dǎo)的形成有利于雷達(dá)對目標(biāo)進行超視距探測，及早的采取應(yīng)對措施，但也可能使雷達(dá)探測出現(xiàn)大面積盲區(qū)，對操作手判斷捕獲目標(biāo)帶來一定的挑戰(zhàn)。然而，產(chǎn)生大氣波導(dǎo)的影響因素很多，往往難以精確的修正因大氣折射導(dǎo)致的斜距、角度和速度的誤差。當(dāng)目標(biāo)掠海飛行時，多徑效應(yīng)和海雜波對雷達(dá)跟蹤目標(biāo)的影響也很大。深入研究復(fù)雜海情下對掠海飛行小目標(biāo)的跟蹤是岸基和艦載雷達(dá)操作手的一個研究趨勢。

引用

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[3]趙小龍.電磁波在大氣波導(dǎo)環(huán)境中的傳播特性及其應(yīng)用研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.

[4]姚洪濱,王桂軍.大氣波導(dǎo)對艦載雷達(dá)探測距離的影響[J].雷達(dá)與對抗,2005(1):5-7+16.