基于激光技術的海面蒸發波導探測

任席闖

（91469部隊，北京 100841）

大氣波導條件下電磁波出現異常傳播，電子偵察和通信設備有效區域呈現異常變化趨勢[1]。準確評估大氣環境對敵我雙方電子設備的影響，對于輔助戰術指揮員進行正確戰術部署和選擇恰當的作戰戰術，以獲取戰場電磁優勢、掌握戰場制電磁權具有極其重要的指導意義。傳統探測大氣波導通常借助于雷達、探空氣球或火箭等，利用波導模型進行預測，不易實現對大氣波導的實時探測[2]。激光和雷達波的傳輸具有一定的共性，若能用激光的手段探測大氣波導，則既具有保密性和安全性，又能實現實時探測。

1 大氣波導及影響

1.1 大氣波導現象

大氣波導是雷達波段超視距傳輸的一種現象，在海洋大氣環境中通常存在3類大氣波導：表面波導（又稱面基波導）、懸空波導（又稱抬升波導）和蒸發波導。除蒸發波導外，前2類大氣波導也可能會出現在陸地大氣環境中，但由于受大氣邊界層穩定度以及邊界層內水汽垂直分布的影響，陸地大氣環境中的大氣波導遠沒有海洋大氣環境中的大氣波導出現得頻繁、持久和顯著。

下邊界接地的波導稱為表面波導，表面波導的特點是陷獲層頂的大氣修正折射指數小于地面的大氣修正折射指數，表面波導的厚度是自陷獲層頂到地面的垂直線段的長度，一般在300 m以下。下邊界懸空的波導稱為懸空波導，通常出現在3 000 m高度以下。懸空波導的特點是陷獲層頂的大氣修正折射指數大于地面的大氣修正折射指數。

蒸發波導是因海面蒸發使濕度在很小的垂直高度范圍內發生銳減而形成的一類特殊的表面波導。緊貼海面的氣層，因海面蒸發可以達到飽和狀態，而在其以上高度的空氣通常達不到飽和狀態，濕度在很小的垂直高度范圍內發生銳減，使得大氣修正折射指數自海面向上迅速遞減，到一定高度后，大氣修正折射指數達到最小，該高度稱為蒸發波導高度（或厚度）。

1.2 大氣波導的影響

在一定的氣象條件下，貼近海面大氣層中傳輸的電磁波受大氣折射率的影響，會出現次折射、超折射和波導等異常折射現象。其中，超折射和波導現象可以使電磁波的傳輸距離延伸，特別是波導現象，可使雷達觀測到數倍于雷達正常探測距離處的目標，已有研究結果表明海上蒸發波導現象出現的概率較高，一般在0.5～0.7之間，因此熟悉大氣波導的實時存在與分布情況，對于雷達系統的超視距探測和武器系統的目標指示具有很強的指導意義。

2 大氣波導的傳統探測技術

國外從20世紀四五十年代開始研究大氣波導對雷達探測造成的影響。例如美國、法國、澳大利亞等除了對對流層波導傳播進行了眾多的實驗研究外，在理論上也取得了較好的研究成果，出現了波導模理論、幾何光學理論和拋物線方程方法等理論，并成功研制了不少預報系統。

幾何光學理論，是用幾何光學理論對電磁波進行射線追蹤，定量地描述電波在各種大氣條件下的軌跡；波導模理論對大氣介質作了一個水平均勻分層的假設，來求解麥克斯韋方程；拋物線方程方法是使用球坐標系來考察點源輻射的電磁波球形擴散行為以得到拋物線方程，現在通常用分步傅里葉方法求解。

自20世紀90年代以來，基于拋物線方程的海洋大氣邊界層電磁波傳播模型逐漸發展成熟，將大氣修正折射率廓線代入該模型可以獲得一定區域內的電磁波傳播損耗，進而可以研究電子探測裝置的覆蓋范圍。1998年，Krolik等學者對上述思路進行了反方向研究，首次提出利用雷達發射電波經海面后的回波即海雜波來預測大氣折射率或修正折射率剖面，稱為RFC（Refractivity From Clutter）技術，即海雜波反演折射率技術。該方法經過Krolik、Anderson、LT Rogers、Peter Gersoft等學者的不斷修正，其實用性大大提高。

在蒸發波導預測模型研究方面，思路大都是致力于以一種用氣象參量（海表溫度、水面的溫度、濕度等）為輸入[3]，根據大氣邊界層理論來計算蒸發波導高度。從20世紀80年代H.Jeske發表這一方法后，人們從諸多方面展開了氣海相互作用理論預測蒸發波導高度的研究。在美國IREPS系統中使用了H.Jeske提出的蒸發波導高度預測方法，1985年，R.A.Paulus對該方法提出了一個修正的使用模型，這就是PJ模式。1991年John Cook提出了先預測溫濕剖面，再計算蒸發波導剖面的方法，并比較了幾個預測結果的不準確度，分析了測量系統對測量結果帶來的誤差。1992年Musson-Genon、Gaut-hier、Bruth介紹了一種蒸發波導模式，因為其解析法結果最好而被用在歐洲的中尺度天氣預報中。1996年Babin提出了一種新模式，利用高速計算能力的計算機取代邊界層物理學的經驗關系，并且還使用了最新的研究成果，例如Buck方程、鹽度修正公式等，對低風速也有效，不僅如此，還對誤差進行了敏感性分析，使得蒸發波導高度的預測更為準確。

最近，由美海軍研究實驗室（NRL）開發研制的海洋大氣耦合中尺度預報系統（COAMPS）已經投入業務使用，其功能之一就是預報蒸發波導高度和大氣折射指數，評估大氣環境對電磁波傳播的影響。美海軍艦隊數值海洋氣象中心20世紀80年代業務使用全球表面接觸界面（GSCLI）蒸發波導預報模式，該模式是一種整體邊界層相似模式，是一種診斷模式，需要以美海軍業務全球預報系統（NOGAPS）輸出的預報量作為模式的輸入進行診斷分析。

我國在20世紀60年代開始對波導的出現情況進行了觀測研究，后來一度終止，從90年代又重新開始，迄今為止，我國的研究人員已在大氣波導的形成機理、電磁波傳播模型研究、大氣波導和蒸發波導對電磁波傳播影響等方面進行了

較為深入的分析，具體包括蒸發波導條件下電磁場分布情況、雷達探測性能分析、雷達探測距離的影響及超視距的評估、大氣波導條件下雷達測距和測高影響及盲區分布等。

總體來講，國內波導領域的研究人員對拋物線方程等電磁波傳播模型及大氣波導，尤其是海上蒸發波導對雷達探測性能的影響等方面研究較深，但是大氣波導環境研究還不充分，尤其是蒸發波導空間分布的不均勻性等方面。要得到海洋大氣近地層中蒸發波導修正折射率廓線，仍顯不足，例如折射率經驗模型、利用氣象學研究的天氣預測模式進行修正折射率預報以及使用空基、地基GPS觀測資料反演大氣折射率剖面都無法實時提供在垂直方向上高分辨率的修正折射率廓線，而海雜波反演還要在傳播模型、環境模型、海雜波模型以及反演算法等方面進行深入研究以解決其普適性較弱的問題[4-5]，同時由于要獲取實時的大氣環境信息，因此雷達需要頻繁開機，這樣不利于軍事上的保密。因此在我國，仍需對低空大氣波導環境，特別是大氣折射率三維空間變化，開展進一步的研究，更好地為軍事和民用通信等服務。

3 大氣波導的光學探測手段

激光在大氣中傳播同樣受到大氣折射率的影響，激光在空氣中的折射率n通常與激光波長λ、大氣壓強P、溫度T和空氣濕度e有關，可以表示成：

由于激光消光系數的變化率和折射率的變化率都與溫度、濕度、壓強和波長相關，通過分析空間消光系數的變化率可以了解空間折射率的變化率，而折射率的變化正是波導產生的原因，因此可以用激光探測消光系數的方法為波導現象的出現提供判據。圖1為激光探測大氣波導的理論框架。

圖1 激光探測大氣波導的理論框架

不同于傳統大氣波導的探測，利用激光探測大氣波導，通過對激光回波信號進行實時分析即可完成大氣波導的遙感探測，具有全方位、高實時性、高靈活性、高保密性、低成本等優點，更能適應復雜戰場環境波導探測的軍事需求。具體具有如下優點。

3.1 實現雷達靜默下對大氣波導的實時探測

利用激光探測大氣波導，可以實現雷達靜默條件下對大氣波導的實時探測。在戰場復雜的電磁環境下，微波雷達可能受到干擾和攻擊，用雷達波探測大氣波導容易暴露目標。由于激光傳輸具有單方向性和良好的保密性，用激光雷達探測大氣波導不容易被截獲，因此具有隱蔽性，在戰場上可以不用雷達開機，借助激光探測即可知道波導出現情況，為雷達的通信和探測提供依據。

圖2 近海面激光傳輸路徑效果圖

3.2 為大氣激光通信提供技術支持

激光探測大氣波導，可以為大氣激光通信提供技術支持。激光在大氣傳輸中，同樣會出現因為折射率的突變使傳輸路徑發生偏轉。在海上近海面大氣層（高度小于50 m），由于氣海溫差的存在導致垂直層面溫度分布的不同，從而使得各高度層面上空氣折射率不同。

圖2所示激光的傳輸會出現兩種不同的路徑偏轉現象，與雷達波的傳播類似，同樣可以實現超視距傳播。利用激光探測大氣波導，通過分析激光束的回波信號特征即可知道激光在大氣中的傳播特性，為激光通信的對準、誤碼性能的分析等提供可靠的技術支持。

3.3 用作對戰場氣象條件的分析和預測

激光探測大氣波導可以用作對戰場氣象條件的分析和預測。激光探測大氣波導通過對回波信號分析可以得出氣溶膠的消光系數。氣溶膠中水汽和沙塵的比例不同會使得氣溶膠具有不同的消光系數，反過來也可以通過消光系數分析出氣溶膠的不同組成。根據氣溶膠中水汽和沙塵的不同比例即可以對戰場氣象條件進行分析和預測，用來為各種飛機和導彈的發射提供氣象指標，為作戰指揮提供參考。

4 總結

蒸發波導現象是電磁波海面傳播的一種特殊現象，其主要形成原因是海面上水汽蒸發，使得上幾十米高度范圍內的大氣濕度隨高度銳減，進而使大氣折射率自海面向上迅速減小出現負梯度。蒸發波導情況下電磁波呈現超視距傳輸現象，當前探測蒸發波導多采用分析雷達回波的方法。在戰場復雜電磁環境下，微波雷達可能受到干擾和攻擊，用雷達波探測大氣波導容易暴露目標。由于激光傳輸具有單方向性，如果采用激光探測大氣波導則不容易被截獲，在戰場環境下可以實現雷達靜默下的波導探測。用激光手段探測大氣波導現象目前仍是一種新型的手段，正處于完善階段，隨著光電技術在軍事領域的應用越來越廣泛，該技術作為一種保密性好的探測手段也將會得到重視和發展。