電磁盲區隨蒸發波導特征參數的變化特性

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(河南師范大學電子與電氣工程學院， 河南新鄉 453007)

0 引言

由于地球上空大氣的不均勻性分布，使得電波在大氣中傳播時產生折射效應，電波射線沿曲線傳播[1]。當某層大氣的折射率梯度大于某一閾值時，電波在這一層大氣中的傳播就類似于一個金屬波導管中的傳播，該層大氣稱為大氣波導，這種傳播方式稱為大氣波導傳播。蒸發波導是一種特殊的表面波導，一般發生在海洋大氣環境40 m高度以下的近海面低層大氣中，且出現概率最高，因此它也是最有實用價值、研究最多的大氣波導[2-3]。

艦船雷達的天線由于受到所處環境的限制不能安裝太高，加上受地球凸起的影響，因此艦船雷達可以探測高空目標，但是對于低空目標，尤其是探測海上目標時其探測范圍較小。為了擴大艦船雷達低角探測范圍，借助在海面上出現概率較大的蒸發波導特性可以實現雷達的超視距探測，這也是目前雷達領域研究的熱點課題之一[4-5]。

當雷達電磁波在蒸發波導中傳播時，可實現超視距探測。基于蒸發波導的超視距探測可以擴大艦船雷達的探測范圍，發現遠距離低空目標，但是也會形成新的雷達電磁盲區，且不同的蒸發波導參數形成的電磁盲區也不同，電磁盲區會影響雷達的探測性能。目前，國內外在基于蒸發波導的雷達超視距探測研究主要分為3類，一是研究蒸發波導的測量或預測[6-7]，二是研究電波在蒸發波導中的傳播特性[8]，三是研究基于蒸發波導的雷達超視距探測的目標定位方法[9-10]。這3類研究都有大量的研究成果，但是利用蒸發波導產生的電磁盲區方面的研究還不太多[11-12]，尤其是蒸發波導特征參數引起的雷達電磁盲區變化這一方面幾乎沒有成果發表。為了搞清蒸發波導特征參數對雷達電磁盲區的影響，本文利用射線描跡法對蒸發波導特征參數引起的雷達電磁盲區變化進行了計算和仿真，從而獲得電磁盲區隨蒸發波導特征參數的變化規律。

1 蒸發波導與計算電磁波傳播的射線描跡法

1.1 蒸發波導及其特征參數

根據電磁波傳播理論，當大氣修正折射率梯度滿足式(1)時形成蒸發波導：

(1)

式中，h為距離海平面的高度，M為h高度處的修正折射率。

蒸發波導的特征參量為波導高度h、波導厚度d(波導層的頂高h2與底高h1之差)和波導強度ΔM(波導層中修正折射率最大值與最小值之差)。由于蒸發波導的底高h1為0，則波導高度h、波導厚度d、波導層的頂高h2三者都相等，這里都用波導高度h表示。這樣，蒸發波導的特征參量僅為波導高度h和波導強度ΔM兩個參量，如圖1所示。

圖1 蒸發波導及其特征參量示意圖

1.2 射線描跡法

大氣的修正折射指數m=n(1+h/re)，其中n為折射指數，re為等效地球半徑。假設任意一層的大氣高度h1，h2對應的修正折射指數為m1，m2，對應的電波入射角為θ1，θ2，則由電磁波傳播理論可知，m1，m2與θ1,θ2滿足斯奈爾定律，即m1cosθ1=m2cosθ2。

由于基于蒸發波導的雷達仰角θ1，θ2大都在零度附近，且低層大氣修正折射指數接近于1，則有[12]

(2)

假設低層大氣的修正折射指數隨高度線性變化率為g，代入式(2)可以得到

(3)

將式(3)的差分形式寫成微分，則為

(4)

(5)

由于雷達電波初始仰角θ1、初始高度h1及其對應的大氣修正折射率初值m1、垂直梯度值g都已知，則可以利用式(2)、式(3)、式(5)描繪出電波射線的軌跡。電波射線能夠達到的區域為雷達的工作區，沒有電波射線的區域即為電磁盲區。

2 仿真與分析

蒸發波導的特征參數為波導高度h和波導強度ΔM，這兩個參量的變化會影響電磁波臨界角θc的變化，其中臨界角表達式為

(6)

式中，ht表示天線高度，同時波導高度與波導強度會隨海上大氣環境而變化，因此利用蒸發波導進行超視距探測時其雷達電磁盲區也會產生變化。

2.1 電磁盲區隨蒸發波導高度的變化

假設雷達天線在蒸發波導內，且高度為25 m。蒸發波導內外的修正折射率梯度分別為-0.143和0.117，波導高度分別為25，30，35和40 m。利用射線描跡法得到的雷達電磁盲區(圖中的陰影部分)如圖2所示。

(a) h=25 m

(b) h=30 m

(c) h=35 m

(d) h=40 m圖2 不同波導高度下雷達電磁盲區分布圖

從圖2可知，1)雷達電磁盲區的起始位置和范圍隨著蒸發波導高度變化而發生變化。2)當蒸發波導的高度逐漸變大時，所對應的電磁盲區的起始位置增高，但是所對應的總電磁盲區變大。這是因為隨著蒸發波導高度的增大，所對應的臨界仰角θc變大，使得原來能穿透蒸發波導的電磁波被陷獲在波導層中，穿出蒸發波導層的電磁波射線變少，陷獲在波導內傳播的電磁波射線數目增多的緣故。3)蒸發波導高度的不同會影響雷達的超視距探測能力。隨著蒸發波導高度的增加，更多的電磁波射線被陷獲在波導內傳播，則將更有利于實現雷達超視距傳播。

2.2 電磁盲區隨蒸發波導強度的變化

假設雷達天線在蒸發波導內，且高度為25 m。蒸發波導高度為40 m，波導內外的修正折射率梯度分別為-0.143和0.117，波導強度ΔM分別為-16.9，-34.8，-56.7和-77.4。利用射線描跡法得到的雷達電磁盲區(圖中的陰影部分)如圖3所示。

由圖3可以很清晰地看出，1)隨著波導強度的增大，雷達電磁盲區的起始位置和范圍隨著蒸發波導強度變化而發生變化。2)當蒸發波導的強度逐漸變大時，所對應的電磁盲區的起始位置減小，但是所對應的總電磁盲區變大。這是因為隨著蒸發波導強度的逐漸增大，所對應的臨界仰角θc變大，使得原來能穿透蒸發波導的電磁波被陷獲在波導層中，穿出蒸發波導層的電磁波射線變少，陷獲在波導內傳播的電磁波射線數目增多的緣故。3)蒸發波導強度的增大將影響波導內的電磁波探測情況，主要是因為隨著波導強度的不斷增大，使得更多的電磁波射線被陷獲在波導層內的原因。

圖3 不同波導強度下的雷達電磁盲區分布圖

3 結束語

基于蒸發波導的艦船雷達超視距探測可以擴大雷達探測范圍，為防御系統贏得較多的時間。但是由于蒸發波導是一種隨時間和位置變化的大氣層結，其特征參數也隨時間和空間變化，雷達的電磁盲區隨著蒸發波導高度或強度的增加而增大，從而影響雷達的探測性能。

電磁波在大氣波導中傳播不可避免地會產生雷達電磁盲區，雷達盲區既是巡航導彈突防的最佳路徑，又是防御的薄弱環節，最易遭敵飛機、導彈的突襲，因此如何充分地利用電磁盲區是非常重要的。在實際應用中，在攻擊時可以有效地利用對方的雷達電磁盲區進行突防，防御時采取適當的補盲措施，如可以用高空預警機進行補盲或者采用多天線技術減小電磁盲區等方法。