艦載對海雷達大氣波導盲區評估及其補盲措施研究

韓 佳，焦 林

（1．中國人民解放軍31010部隊，北京 100061；2．海軍大連艦艇學院 軍事海洋系，遼寧 大連 116018）

在戰爭高度依賴于高技術武器的今天，環境因素仍然是海上作戰不可或缺的一部分。掌握海洋環境參數及其變化規律與掌握敵情態勢同等重要，是在作戰準備與對抗行動中取得主動權的前提條件[1]。在現代化海戰中，雷達參與的電子對抗發揮著越來越重要的作用，在艦艇防御攔截中，雷達探測覆蓋的范圍越全面，安全系數就越高；在茫茫海域之上進行艦艇間的對抗中，若是對海雷達能先敵發現，便可先發制人，占據主動權。

然而海洋戰場環境終究是復雜多變，雷達電磁波的“高速公路”總是在不斷修正中。尤其是在大氣波導環境下，它的出現改變了電磁波的正常傳播特性，影響著海上電磁波傳播方式，其中最明顯特征是使電磁波傳播能量分布發生改變、傳播距離大大提高，實現了遠距離傳播和超視距探測[2-3]。但同時，也在本應該探測到的區域內出現了或大或小的盲區。這一盲區明顯地對戰場指揮官實時決策產生了干擾，若是敵人利用這些盲區“潛行”到危險作戰半徑內，往往會猝不及防，疲于防守。

針對雷達在大氣波導環境下產生的盲區這一副作用，本文首先介紹了艦載對海雷達大氣波導盲區評估模型，解決大氣波導條件下雷達盲區怎么算的問題。然后基于此模型，對不同大氣折射環境下各型艦載對海雷達產生的盲區范圍和出現條件做出定性評估。最后基于評估結果的綜合分析，尋找合理有效的補盲措施。其最終目的在于幫助現實中的艦艇作戰將探測的盲區范圍減小到最小，縮短反應時間，有效應敵。

1 艦載對海雷達大氣波導盲區評估模型

傳統的雷達探測評估方程很難反映出大氣波導環境下的異常傳播特征，這不僅是因為雷達探測本身是個一定的探測概率和虛警概率的意義上統計量，更主要的是難以體現大氣波導等異常環境下的雷達探測特征。

傳統的雷達性能評估方法在波導等異常折射環境下應用還存在一定的限制，本文將給出另一種基于“探測概率分布特征”的雷達性能評估方法，該方法基于電磁波傳播的數值模擬技術，通過研究、設計不同探測概率條件下電磁波傳播損失的門限閾值，對雷達電磁波的單程傳播損失分布進行閾化處理，得到雷達對目標的“探測概率空間分布”特征，利用這一分布對雷達性能尤其是大氣波導環境下的雷達盲區進行評估。

考慮到大氣波導等異常折射環境對電磁波傳播的“陷獲”作用主要發生在極低仰角的低空空域，因而，這里主要針對艦載雷達在大氣波導等異常傳播環境下對目標的低空探測性能進行評估，具體的方法和步驟如下。

1.1 電磁波傳播模擬計算單程傳播損耗Lsingle

雷達輻射源參數已知，假設雷達工作的大氣折射環境已知，利用電磁波傳播損耗模型可以數值計算電磁波在空間傳播特征，獲得電磁波單程傳播損失的空間分布特征，即Lsingle(x,z)，x，z分別為電磁波傳播計算設定網格點的地球曲面距離和高度。

1.2 單程傳播損耗的門限的確定Tsingle

收發共置雷達，雷達接受距離為R，雷達截面積（RCS）為σ，目標的回波功率可寫成dB形式如下：

式中：Pt為發射功率，kW；σ為目標反射截面積，m2；f為頻率，MHz；G 為天線增益，dB；F為傳播因子，dB；Ls為系統綜合損耗，dB；R 為目標斜距，km。

雷達接收到目標的回波功率與傳播環境密切相關的量是傳播因子F，由于大氣中的傳播損耗、傳播因子及自由空間傳播損耗之間滿足關系：

式中：Lsingle為電磁波單程傳播損耗，dB；Lfs為電磁波在自由空間的單程傳播損耗，dB；將式（2）代入式（1）中，得到用電磁波單程傳播損耗Lsingle表示的接收功率：

雷達對目標的最小可檢測信號可寫成dB形式如下：

式中：Bn為接收機帶寬，MHz；F0為接收機噪聲系數，dB；D0為探測因子，dB。

式（4）中D0是發現概率Pd和虛警概率Pfa的函數，這里采用Blake的模型[4]來計算：

式中：x0，gfa，gd和 t都是過程變量，分別為 x0=(gfa+gd)2，gd=1．23t/ 1-t2，gfa=2．36 -lg(Pfa)-1．02 和t=0．9(2Pd-1)。Lf為目標波動損耗，對于無波動目標有：Lf=1，對于波動目標有：Lf=-(ln(Pd)(1+gd/gfa))-1。

依據雷達的探測理論，當Pr≥Simin時，雷達能探測到目標，得到：

令式（6）不等式右邊等于閾值（門限值）Tsingle，則：

可以看出：Lsingle≤Tsingle與Pr-Simin≥0是等價的，都表示雷達能探測到目標必須滿足的條件，因此可以將Tsingle看作是電磁波單程傳播損失Lsingle的門限閾值。

1.3 閾化處理得到的“雷達探測概率空間分布”

現代雷達多采用恒虛警技術CFAR技術，即Pfa為固定要求的常數，則式（5）表示的探測因子只與發現概率有關，即 D0(Pd)，由式（5）、式（7）可以知道，對于確定的雷達參數，一個發現概率，對應一個探測因子，同時也可以計算一個門限值，即有Tsingle(D0(Pd))，對于不同的探測概率，對應了多個不同的門限值。

可見Tsingle是一個多閾值系列，它體現了探測概率Pd與傳播損失值Lsingle之間的對應關系，即雷達能夠以一定探測概率Pd探測到該目標所要求的傳播損耗最大單程損失值。因此，利用Tsingle對電磁波數值計算的單程傳播損耗分布Lsingle進行閾化處理，電磁波傳播數值計算所有網格點上的Lsingle都對應了一個探測概率，由此可以得到相同網格點上的“探測概率空間分布”圖Pd(x,z)。

式（7）所表示門限值Tsingle只與雷達參數、目標RCS有關，本身并不包含距離R的信息，然而，通過對單程傳播損失Lsingle(x,z)的閾化處理得到的探測概率分布Pd(x,z)的過程中，距離信息都包含在坐標x，z當中。

1.4 利用“探測概率分布”評估雷達探測盲區

利用“探測概率空間分布”可以對波導等異常折射環境下的雷達性能進行評估，這一分布特征包含了雷達性能相關的諸多信息，可以很方便地獲得波導環境下雷達的電磁覆蓋區域及異常探測性能特征。事實上“探測概率空間分布”實際上就是利用“探測概率”表示的雷達探測能力空間分布圖（威力圖），能夠顯示指定探測概率或任意探測概率條件下雷達對該目標的最大探測距離；能夠顯示而且能夠準確地獲取任意高度、任意距離上雷達的探測性能。當探測概率被指定時，式（7）的門限值是一個單值，得到“探測概率空間分布”只是存在“超過”和“等于及不超過”兩種情況，對應了雷達“能”和“不能”探測到該目標，臨界位置與傳統計算的最大距離是一致的，此時計算的“探測概率空間分布”特征與傳統的雷達波束空間分布（威力范圍）特征是一致的。任意探測概率條件時，式（7）的門限值是一個多閾值系列，得到的“探測概率空間分布”包含了所有探測概率要求下雷達波束空間分布（威力范圍），可以直接獲得任意高度上雷達的最大探測距離、范圍、盲區等特征等，此時的“探測概率空間分布”特征實際上是多個探測概率要求時的雷達威力范圍的一種綜合。

可見，“探測概率空間分布”直接反映了雷達波束的空間分布特征，并且包含了更多探測概率要求，應用在波導等異常折射環境下，能夠準確地反映雷達探測盲區異常探測特征。

2 不同波導環境下雷達電磁盲區的評估研究

選用 3G、6G、10G 3個頻段（S、C、X 波段）的雷達，分別在標準大氣環境、懸空波導環境、表面波導環境、蒸發波導環境下進行雷達電磁環境仿真，評估雷達電磁盲區的分布特征。

2.1 標準大氣環境下不同頻段雷達電磁波傳播的仿真評估

圖1 不同頻率雷達在標準大氣下的電磁波傳播仿真結果

圖1為X，C，S波段雷達在標準大氣環境中的傳播損失圖，在圖中雷達電磁波傳播損失值分布形似為冪函數曲線。如圖，在高空中電磁波的有效傳播距離比海平面處要稍近，且此環境下低頻雷達比高頻雷達能夠達到更好的觀測效果，但改善效果有限。其他雷達的電磁波傳播情況仿真結果也與上述相同。海上目標的視距大約在16～25 km，表明雷達在標準大氣環境中沒有發生超視距現象，視距之外都是盲區。

2.2 懸空波導環境下不同頻段雷達電磁波傳播的仿真評估

圖2 不同頻率雷達在懸空波導下的電磁波傳播仿真結果

圖2為X、C、S波段雷達在懸空波導環境中的傳播損失圖。通常，懸空波導的波導層在海平面300 m以上，而其在貼近海平面的大氣修正折射指數（M）隨高度呈線性增長，與標準大氣中的修正折射指數趨勢相同，形似于冪函數曲線。此環境下，雷達的電磁波傳播及損失趨勢與在標準大氣環境中相同，視距之外都是盲區。

2.3 表面波導環境下不同頻段雷達電磁波傳播的仿真評估

（1）陷獲層懸空的表面波導

圖3為X，C，S波段雷達在陷獲層懸空的表面波導環境中傳播損失圖。從圖中可以看出，電磁波在遠距離有效傳播區域形似波狀圖，在陷獲層懸空的表面波導環境下，“波狀圖”未觸及的區域就是電磁波在傳播時的無效區（跳躍盲區）。

圖3 不同頻率雷達在陷獲層懸空表面波導下的電磁波傳播仿真結果

3部雷達的跳躍通道走勢相同，拐點位置相同，可見該通道的生成條件中，大氣環境占有更重要的位置。S波段雷達的頻率相比于其他兩部雷達較低，其跳躍盲區的區域較小，更適合電磁波的傳播。

（2）陷獲層接地的表面波導

圖4為X波段雷達在陷獲層接地的表面波導環境中的傳播因子圖，C，S波段雷達傳播情況與此相似。從圖中可見，此條件波導高度在100～300 m的空中，雷達電磁波被陷獲在海表面，因此雷達發射的電磁波可以在海表面處暢通傳播很遠距離。

圖4 X波段雷達在陷獲層接地表面波導下的電磁波傳播仿真結果

2.4 蒸發波導環境下不同頻段雷達電磁波傳播的仿真評估

（1）強蒸發波導條件仿真（波導層高30 m）

圖5為X，C，S波段雷達在強蒸發波導環境中傳播損失圖。其中3部雷達的天線高度均在30 m以下，都發生了電磁波的波導傳播，且超視距傳播的通道高度都在30 m。在海表面傳播時，S波段雷達的電磁波受到衰減影響較小。而X，C波段雷達有較明顯的盲區孔，且距離依次變遠。C波段雷達在距離海面4 m處有條帶狀盲區，X波段雷達在10 m，4 m處有條帶狀盲區，而且X波段雷達在4 m處呈現跳躍式盲區。

圖5 不同頻率雷達在強蒸發波導下的電磁波傳播仿真結果

（2）弱蒸發波導條件仿真（波導層高10 m）

圖6為X，C，S波段雷達在弱蒸發波導環境中傳播損失圖。在此環境中，雷達發射的電磁波一部分會陷獲在波導層中，進行波導傳播，因此與標準大氣環境相比，在海表面能夠傳播更遠的距離。

圖6 不同頻率雷達在弱蒸發波導下的電磁波傳播仿真結果

為便于比較各波段雷達在海表面的探測性能，提取各雷達在距離海平面5 m，10 m，15 m處的傳播損失值，并繪制成截面曲線圖（圖7）。

圖7 弱蒸發波導下不同頻率雷達在不同高度下的電磁波傳播損失值

從曲線走勢來看，X波段雷達在海表面的損失較慢，電磁波傳播較遠，C波段雷達次之，S波段雷達的電磁波傳播距離最短。

通過比較雷達之間的傳播損失，可以得出：在弱蒸發波導環境下，高頻雷達在海表面的電磁波更容易陷獲到波導層內，雖然無法形成真正意義上的波導傳播，但傳播距離比在標準大氣環境中的情況要遠。當雷達的天線高度高于波導層較多時，天線高度不再是影響電磁波傳播距離的因素。

3 艦載對海雷達的補盲措施

針對艦載對海雷達在大氣波導環境下出現的盲區孔、跳躍盲區和條帶狀盲區等現象，結合不同頻率雷達在不同波導環境下的電磁波傳播仿真結果，應采取下列補盲措施。

（1）當艦艇處在懸空波導環境下，使用低頻雷達可以探測到相對更遠的距離，但距離增加程度有限，可以不作為首要的作戰手段來選擇考慮。標準大氣的情況與懸空波導情況相同，但標準大氣環境只存在于理想狀態下，可用于作為其他波導環境的參考。

（2）當艦艇處在表面波導環境中，且陷獲層懸空時，會出現跳躍盲區。此時艦艇使用低頻雷達可以盡可能地縮短海表面盲區的水平間隔，變相提高了對海的有效探測面積。

（3）當艦艇處在蒸發波導環境中，且雷達的天線高度在陷獲層以內時，可以利用該波導通道內實現超視距傳播。當處于強蒸發波導環境下，雷達會出現盲區孔和條帶盲區，可以使用高度較低的雷達或是低頻雷達來盡量減弱該盲區的影響。當蒸發波導陷獲層較低，無法覆蓋雷達天線時，高頻雷達能夠探測到更遠的目標。

[1] 張凌海.海洋技術為海軍“添翼”[J].當代海軍，2002(9)：41-42.

[2]戴福山,李群.大氣波導及其軍事應用[M].北京:解放軍出版社，2002.

[3]姚展予,等.大氣波導特征分析及其對電磁波傳播的影響[J].氣象學報,2000,58(5):605-616.

[4]Blake L V.Prediction of radar range[M]//Skolnik M I Eds.Radar Handbook(Second.Edition),New York:McGraw-Hill Book Co.Inc.,1991.