蒸發波導環境測量與雷達探測性能分析

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(1.北海艦隊聯合海情中心,山東青島266000;2.中國電波傳播研究所,山東青島266107)

0 引言

艦載對海雷達工作在復雜的海洋環境中,用于探測和跟蹤海面目標,為武器系統提供目標相關數據。一方面,由于海面和氣象微粒反射使得雷達波形成不希望出現的雜波背景,降低雷達的信噪比,減小了雷達的探測距離[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,引起電磁波出現異常傳播現象,可實現對低空近海面目標的超視距目標探測[2-6]。艦載對海雷達主要通過大氣波導傳播效應實現對目標的超視距探測,同時大氣波導環境增強了雷達的海面雜波[7-9]。因此,實時獲取大氣波導環境參數進而分析雷達波以及海雜波傳播特性具有重要意義。

大氣波導作為海洋戰場環境的重要組成部分,早已被世界各國海軍作為“戰斗力的倍增器”。它是發生在對流層大氣中的一種異常折射結構,能夠改變電磁波的正常傳播特性,使得水面艦艇雷達、通信、電子對抗等裝備能夠克服地球曲率的影響實現超遠距離探測與截收。國內外在大氣波導研究領域存在較大差距[2-5]。國外,如美國等國家,在大氣波導研究領域的工作開展較早,經過大量的研究、試驗和海洋調查等,目前已經形成了能夠業務化運行的大氣波導監測、預報和評估的綜合系統。與國外相比,國內雖然從20世紀60年代就開始了大氣波導的相關研究,但其中由于認識以及需求方面的原因,并沒有持續開展該方面的研究。隨著微波超視距雷達的廣泛使用以及大氣波導現象的經常發生,大氣波導的應用價值重新被重視,自2000年來開展了大量的研究,并取得了一系列研究成果[10-11]。文獻[12]還分析了蒸發波導環境對通信距離的影響。需要指出的是:整體來看,國內在大氣波導調查、統計特征研究以及與實際雷達的探測對比等工作開展得并不充分。因此,大氣波導的模型研究、監測分析以及傳播效應研究需要逐步完善、逐步改進。

大氣波導一般分為蒸發波導、表面波導、懸空波導。海上蒸發波導發生概率極高,據文獻統計其存在概率可達80%以上;海上低空大氣波導(包括表面波導和懸空波導)則是偶爾存在,據相關文獻統計其出現概率介于15%～40%[13]。受試驗條件所限,相關文獻側重于海陸交界大氣波導觀測以及岸基雷達的探測對比分析,尚未見到開闊海域大氣波導環境監測與雷達的實際探測分析的報道。因此,2015年冬季試驗期間,在南海遠海海域開展了大氣波導環境測量以及雷達的探測對比試驗。試驗期間監測設備顯示無低空大氣波導發生,因此本文重點關注蒸發波導環境對海上運作的微波超視距雷達探測影響分析。基于此背景,文中給出了蒸發波導環境的測量方法,并利用修正的雷達方程對雷達的探測性能進行分析,最后結合實際雷達探測結果進行對比驗證。

1 蒸發波導環境測量

由于海洋近地層大氣具有明顯的湍流特征,各個氣象要素瞬時值難以測量,因此通常不采用構建大氣折射率廓線的方法來確定蒸發波導結構,而是根據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來計算蒸發波導及其特征量。文獻[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比較,建議在蒸發波導的預測上應優先選用PJ和NPS模型。本文中蒸發波導環境測量主要采用PJ模型。

PJ模型使用海面以上一定高度上的空氣溫度、相對濕度、風速、壓強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,z為高度,為層結穩定度參數,k為Karman常數。位折射率和大氣折射率之間滿足

在?Np/?z＜-0.125時出現蒸發波導,當位折射率垂直梯度等于波導形成的臨界值-0.125時,所對應的高度就是蒸發波導高度。確定出蒸發波導高度后,依據穩定條件與否,給出蒸發波導修正折射率剖面。

對于中性條件(氣海溫差等于0):

對于穩定條件(氣海溫差大于0):

對于不穩定條件(氣海溫差小于0):

式中,M s為0 m高度處的修正折射率,d為蒸發波導高度,L為莫寧相似長度,ψ為普適函數,?為穩定度相關函數,該函數由如下關系式給出:

該參量可通過牛頓迭代法得到。利用測量的水文氣象參數,依照上述方法可以得到中性條件、穩定條件以及不穩定條件下的蒸發波導環境。表1給出了試驗航行中的幾組水文氣象參數以及蒸發波導高度。由表1可以看到,表中的數據包含了穩定、不穩定以及中性三種不同的條件。圖1給出了對應幾種條件的蒸發波導環境剖面。由圖可見,不穩定條件下的波導強度最大,中性條件和穩定條件較為接近,中性條件下的波導強度大于穩定條件。

表1 蒸發波導高度與穩定性條件

圖1 不同條件下的蒸發波導剖面

2 艦載雷達探測威力分析

根據雷達方程,傳播環境為自由空間時,天線接收到的目標回波信噪比為

式中,k為玻耳茲曼常數,T0為溫度,B n為信號帶寬,F0為接收機噪聲系數,D0為檢測因子,R為目標距離,σ為目標散射截面,λ為電磁波波長,Pt為發射功率,G為天線增益,Ls為系統損耗。

考慮到艦載雷達的實際工作環境,引入電波傳播因子F,天線接收到的回波信噪比為

根據式(9),艦載雷達的最大作用距離方程:

該表達式可用于考慮地海面反射的雷達威力覆蓋[16]計算中,而針對工作于海上復雜大氣環境中的艦載雷達,該最大作用距離方程并不方便使用。可推導出如下修正的雷達方程:

式中,Pt為發射功率(W),G為天線增益,σ為目標散射截面(m2),λ為電磁波波長(m),L b為雷達到目標的傳播路徑損耗,Ls為系統損耗。轉化為分貝,有如下表達式:

式中,Pt為分貝表示的發射功率(dBW),G為分貝表示的天線增益,σ與式(11)單位一致,f為信號頻率(MHz),Pr為分貝表示的接收功率(dBW)。當艦載雷達接收到的目標回波大于接收機靈敏度時,表示該處的目標能夠被雷達探測到。假定雷達和目標參數已知,雷達的探測威力計算歸結為傳播因子或傳播路徑損耗的計算。該參量可通過拋物方程方法[17-18]求得。設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)表示場強,k0表示電磁波波數。

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:電磁波場強空間分布可利用初始場沿x方向步進求解得到。初始場根據發射天線方向圖獲得,數值計算區域頂部一般采取設置吸收邊界條件進行處理。由場強也得到路徑傳播損耗的表達式:

式中,f為頻率(M Hz),r為距離(m)。

為定量分析海上蒸發波導環境對艦載雷達的威力影響,圖2給出了標準大氣和蒸發波導環境中的X波段雷達波傳播的損耗仿真。圖中色彩深淺代表該區域的傳播損耗分布大小,小于110 dB的傳播損耗用淺色表示,即淺色區域表示該點的場強較大;大于160 dB的傳播損耗用深色表示,即深色區域表示該點的場強較弱;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是向上彎曲,如圖2(a)所示;而X軸傳播到遠距離的電磁波看起來是直線傳播,如圖2(b)所示,這只是顯示方式造成的效果。實際上正常折射條件下電磁波是向下折射傳播,蒸發波導環境下電磁波也是向下折射傳播,且蒸發波導環境下電磁波經過向下折射、海面反射、波導層頂反射進而形成了電磁波的超視距傳播。假定雷達允許的最大單程傳播損耗為160 dB,由圖2可見,蒸發波導環境下的電磁波實現了遠遠超出標準大氣環境情形下的超視距傳播。艦載雷達的傳播必須考慮大氣環境的影響,正如文獻[19]提到,目標、環境和任務是促成雷達體制、頻段、理論和技術不斷發展演變的3個主要外部因素。其中,環境是指雷達的工作環境、生存環境、電磁環境,以及目標所處的周邊環境。因此,只有充分了解雷達的工作環境,例如大氣波導環境,才能衍生微波超視距雷達,大氣波導環境使得微波傳播突破了視距傳播的限制。

圖2 不同大氣環境下的雷達傳播損耗分布圖

3 試驗驗證

2015年冬季,利用中國電波傳播研究所的大氣波導監測設備,在我國南海海域開展了艦載大氣波導環境測量,并記錄了雷達探測目標情況。大氣波導監測設備通過接收中低軌道衛星信標信號以及監測空氣溫度、濕度、壓強、風速風向、海面溫度等氣象參數,診斷是否存在表面波導、懸空波導和蒸發波導。雷達探測目標則記錄了探測方位以及探測距離參數。其中,利用接收到的中低軌道衛星信標信號信噪比反演表面波導、懸空波導;利用監測的水文氣象參數基于PJ模型給出了蒸發波導高度。大氣波導監測結果顯示,試驗期間無表面波導和懸空波導,蒸發波導則一直存在。圖3給出了試驗期間兩天時間內的蒸發波導高度監測結果,由圖3可見,試驗期間南海海域蒸發波導高度較高,最高可達40 m,平均高度在25 m左右。文獻[13]利用1982—1999年的海洋觀測資料,運用相似理論對東經100°～140°、北緯0°～40°海域的海上蒸發波導進行統計,結果表明海上蒸發波導高度一般在15 m左右。由此可見,南海海域冬季的蒸發波導高度要高于上述大區域的統計結果15 m。

圖3 蒸發波導環境測量

選取雷達探測的典型時刻以及對應的蒸發波導高度開展了雷達的探測性能對比分析。首先,利用實測的蒸發波導高度,獲得了蒸發波導環境剖面;其次,將雷達系統參數以及蒸發波導環境輸入拋物方程模型,獲得模型預測的雷達探測性能;最后,將模型預測的雷達作用距離與實際探測距離進行對比。其中,海面大目標高度為25 m,RCS為2 000 m2。表2給出了試驗期間雷達探測目標的最大距離以及利用蒸發波導環境預測的雷達最大距離部分對比結果。

表2 模型預測與實際雷達性能對比結果

由表2數據可以看出,實際探測以及模型預測的雷達性能均為超視距探測,說明了基于蒸發波導環境預測雷達超視距性能方法的有效性。另外序號1,2,4預測的雷達最大作用距離大于實際探測目標的距離,而序號3預測的雷達最大作用距離稍小于實際探測目標距離。這是由于雷達探測一般是在探測非合作目標的情形下展開,非合作目標的RCS值[20]不能準確選取導致預測結果與實際探測結果存在差異。例如相同的蒸發波導環境對艦艇以及不同的商船最大作用距離可能有較大差別。針對同一目標,雷達從前向、側向以及后向照射時的RCS值亦有一定差別,也可能對艦載雷達的預測結果有一定的影響。

準確地預測雷達的最大作用距離,最好選擇合作目標即具有確定RCS值的目標,開展雷達與目標的拉距測試,目標進入雷達探測區域,然后遠離雷達,直至目標從雷達屏幕消失為止,即可得到雷達的最大作用距離實測結果。然而實際作戰環境中,判斷當前環境能否實現超視距也是至關重要的,因此上述評估結果的差別并不影響雷達在實際中的超視距探測應用。

4 結束語

文中介紹了艦載蒸發波導環境測量以及雷達探測性能的計算方法,經過海上試驗數據檢驗,計算結果與實際測量結果在超視距傳播上十分吻合,說明了該方法的有效性,能夠滿足工程要求。實際作戰中,作戰指揮人員可以依托大氣波導監測設備,實時評估戰場環境和艦船電子信息系統性能,充分發揮雷達、通信、電子對抗等裝備的最佳性能,達到先敵發現、先敵開火、先敵摧毀的作戰效果。

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