蒸發波導條件下C 頻段艦載雷達天線架高研究

周 沫,曾 浩

(1.海軍工程大學 電子工程學院, 武漢430033;2.海軍裝備研究院 系統所,北京100046)

1 引 言

蒸發波導是海面上出現概率非常高的一種大氣波導形式,是由于水汽隨高度增加而銳減造成的。艦載雷達在蒸發波導條件下可能會出現超視距探測現象[1]。雷達超視距探測研究的核心是大氣環境和電波傳播,各國的研究主要集中在海面蒸發波導的時空分布統計、電磁波在蒸發波導條件下的傳播模型和算法、雷達等電子裝備的效能等。由于蒸發波導在每個海區、每個季節和每個時段存在著一定的分布規律[2-3],受其影響,各型艦載雷達的最大探測距離也同樣存在著與海區、季節、時段相關的分布規律,這些規律對于雷達的部署、配置和使用等決策具有重要參考價值。國外在相關領域最具代表性的成果是美海軍的AREPS(Advanced Refractive Effects Prediction System)系統[4-5],該系統已裝備美海軍艦艇、飛機等主要作戰平臺, 可統計和查詢全球范圍內大氣波導的時空分布規律,并預測各種海洋大氣環境下電磁波傳播特性及通信、雷達、電子偵察等裝備效能。

雷達電磁波在大氣中的傳播衰減越小,對目標的探測距離越遠。在海上蒸發波導條件下,艦載雷達的目標探測能力不僅與輻射功率、頻率、脈沖寬度、重復周期、工作方式等雷達主要參數相關,還與雷達天線架設高度(簡稱天線架高)存在密切關系。雷達天線架設高度與雷達最大探測距離不成正比關系,可通過仿真的方法研究不同蒸發波導條件下雷達天線架高與雷達最大探測距離之間的關系。根據仿真計算結果,分析不同波導條件下最佳天線高度選擇。

2 電磁波傳播衰減計算方法

當前對于海上電波傳播的研究模型主要有射線追蹤法、波導模理論、拋物方程法和混合模型法[6-7]。比較以上模型方法的優缺點,可以得出對于遠距離海上電波傳播,拋物方程法的適應性和穩定性最好,因此本文主要采用拋物方程法進行電波傳播的仿真計算。

電磁波在空間的傳播衰減可由拋物方程(Parabolic Equation, PE)計算得出, PE 是電磁波Helmholtz 波動方程的拋物近似,其主要思想是首先將描述電磁波的波動方程近似為拋物方程,然后采用易于在計算機上實現的分步傅里葉算法求解出電磁波場強分布,最后計算得到電磁波傳播因子與電磁波傳播損耗。其最大優點在于能提供距離相關環境下波動方程的全波解,因而在大氣波導條件下電磁波傳播問題的研究上,常采用PE 法作為傳播模型[8-9] 。

標準拋物型方程(Standard Parabolic Equation,SPE)為式中,u(x ,z)是空間(x ,z)處的場強, n(x,z)為空間(x,z)處的折射率,k =2π/λ為自由空間的波數,λ為波長。

定義傅里葉變換對:

則PE 的分步傅里葉解如下式:

式中,m(x, z)為空間(x ,z)處的大氣修正折射指數;p=k sinθ, θ為傳播角度;算子F 和F-1為傅里葉變換和反變換。

通過天線方向圖計算初始距離處的場強,結合一定邊界條件,利用式(4)可完成關心區域的場強值計算。

空間(x ,z)處傳播損耗L(x,z)為

其中,折射率剖面和雷達參數為PE 的輸入量,折射率剖面可以由蒸發波導高度和理查森數經P-J 模型直接計算得出[10]。

3 雷達天線高度對電磁波傳播衰減影響仿真

仿真雷達參數為:頻率5 GHz,天線仰角0°,天線垂直波束寬度3°,水平極化方式,天線波束形狀為(sin x)/x。

先用拋物方程計算上述參數雷達在不同蒸發波導高度不同天線架高條件下的電磁波傳播衰減,然后對12 m 高度各距離處計算值進行比較,其中,蒸發波導高度取值范圍為10 ～30 m,以5 m 為步長,天線架設高度取值范圍為10 ～30 m,以5 m 為步長。

3.1 10 m 蒸發波導高度條件下的比較結果

由圖1 可以看出:天線架高越高,傳播衰減越小;在大多數距離處,10 m天線架高比30 m天線架高傳播衰減大5 ～13 dB;20 m、25 m 和30 m 天線架高對應傳播衰減值較為接近。

圖1 10 m 蒸發波導條件下的比較結果Fig.1 Comparison in condition of 10 m evaporation duct height

3.2 15 m 蒸發波導高度條件下的比較結果

由圖2 可以看出:各天線架高對應傳播衰減值很接近,其中,10 m天線架高對應值最大,在大多數距離處,10 m天線架高比30 m天線架高傳播衰減大2.5 dB左右。

圖2 15 m 蒸發波導條件下的比較結果Fig.2 Comparison in condition of 15 m evaporation duct height

3.3 20 m 蒸發波導高度條件下的比較結果

由圖3 可以看出:天線架高越高,傳播衰減越大;在大多數距離處,30 m 天線架高比10 m天線架高傳播衰減大5.5 dB左右。

圖3 20 m 蒸發波導條件下的比較結果Fig.3 Comparison in condition of 20 m evaporation duct height

3.4 25 m 蒸發波導高度條件下的比較結果

由圖4 可以看出:天線架高越高,傳播衰減越大;在大多數距離處,30 m 天線架高比10 m天線架高傳播衰減大15 ～18 dB。

圖4 25 m 蒸發波導條件下的比較結果Fig.4 Comparison in condition of 25 m evaporation duct height

4 結 論

綜合仿真研究的結果,對于C 頻段艦載雷達的天線架高選擇問題,可得出如下結論:

(1)在10 m 蒸發波導高度條件下,天線架高越高,傳播衰減越小,越有利于雷達對海上目標的探測,當天線高度的取值范圍在10 ～30 m 內時,最佳天線高度為30 m,但20 m、25 m和30 m天線架高對應傳播衰減值較為接近;

(2)在15 m 蒸發波導高度,各天線架高對應傳播衰減值很接近;

(3)在20 m 以上蒸發波導高度條件下,天線架高越高,傳播衰減值越大,當天線高度的取值范圍在10 ～30 m 內時,最佳天線高度為10 m。

可見,對于C 頻段雷達而言,沒有一個天線架高能在所有蒸發波導條件下的傳播衰減都為最小值,天線架高選擇應考慮雷達使用海區的蒸發波導高度分布規律,建議在蒸發波導高度普遍較高的南海,天線架高定在10 m 左右,在蒸發波導高度一般不超過15 m 的黃海海區,天線架高定在20 ～30 m之間。本文仿真研究所用電磁波傳播衰減算法經過海上試驗驗證[10],研究結果對于C 頻段艦載雷達的設計、建造和使用具有參考價值。

[1] 劉成國.我國對流層波導環境特性研究[ J] .西安電子科技大學學報,2002,29(1):119-122.

LIU Cheng -guo.Characteristics of the lower atmospheric duct in China[ J] .Journal of Xidian Univerisity,2002,29(1):119-122.(in Chinese)

[2] 藺發軍.海上大氣波導的統計分析[ J] .電波科學學報,2005, 20(1):64-68.

LIN Fa-jun.Statistical Analysis of Marine Atmospheric Duct[ J] .Chinese Journal of Radio Science,2005,20(1):64-68.(in Chinese)

[3] 唐海川.黃海部分海域大氣波導分布規律及成因[ J] .海洋技術,2008,27(1):115-117,128.

TANG Hai -chuan.Atmospheric Duct Distribution Feature and Origin in the Partial Sea Area of Yellow Sea[ J] .Ocean Technology,2008,27(1):115-117,128.(in Chinese)

[4] 察豪.蒸發波導條件下雷達探測距離的估計方法[ J] .現代雷達,2006,28(9):5-7.

CHA Hao.Calculation of Radar Detection Range in condition of Evaporation Duct[J] .Modern Radar, 2006, 28(9):5-7.(in Chinese)

[5] 黃小毛.蒸發波導環境下雷達超視距性能評估方法[ J] .電子科技大學學報,2007,36(1):36-39.

HUANG Xiao-mao.A Method of Evaluating Radar OTH Performance In Evaporation Duct Environments [ J] .Journal of University of Electronic Science and Technology of China,2007, 36(1):36-39.(in Chinese)

[6] Paulus RA.Practical application of an evaporation duct model[J] .Radio Science,1985,20(4):887-896.

[7] 王紅光.大氣波導傳播的拋物方程模型研究綜述[ J] .裝備環境工程,2008,5(1):11-15.

WANG Hong-guang.Overview on Parabolic Equation Model Research for Atmospheric Duct Propagation[J] .Equipment Environmental Engineering,2008,5(1):11-15.(in Chinese)

[8] Levy M.Parabolic Equation Method for Electromagnetic Wave Propagation[M] .London:IEE Press,2000:16-106.

[9] 左雷.海上蒸發波導PJ 模型在我國海區的適應性初步研究[ J] .電子學報,2009,37(5):1100-1103.

ZUO Lei.An Initial Study on the Applicability of Paulus-Jeske Model of Evaporation Duct in Chinese Sea Areas[J] .Acta Electronica Sinica,2009,37(5):1100-1103.(in Chinese)

[10] 劉愛國.海上蒸發波導條件下電磁波傳播損耗實驗研究[ J] .電波科學學報,2008,23(6):1199-1203.

LIU Ai-guo.Experiment study of electromagneticwave propagation loss in oceanic evaporation duct[ J] .Chinese Journal of Radio Science,2008,23(6):1199-1203.(in Chinese)