視距內蒸發波導對海環境下雷達探測盲區影響分析

劉勇，張利軍，王紅光，馬強

（1.中國人民解放軍92941部隊，葫蘆島 125000；2.中國電波傳播研究所，青島 266107）

雷達對海洋環境下視距內低空飛行目標的探測跟蹤，經常發生跟蹤不穩定、探測距離近等問題。究其原因，除了多路徑、海雜波等因素外，蒸發波導也是一個重要因素。在海洋環境下，雷達探測跟蹤視距內目標時形成的盲區可分為頂空盲區、低空盲區、波瓣間盲區、視距外盲區以及障礙物遮蔽盲區等。針對雷達的特性，對頂空盲區、低空盲區、視距外盲區、障礙物遮蔽盲區等盲區的成因、機理分析等已有較多的文獻進行了報道，而蒸發波導對視距內的波瓣盲區影響分析則少見報道。因此本文重點研究在海洋環境下雷達探測跟蹤視距內目標時，蒸發波導對其產生盲區的影響，分析其機理。

1 雷達傳播損耗與盲區分布分析計算方法

為探討視距內蒸發波導對海環境下雷達探測波瓣盲區影響問題，先介紹雷達的傳播損耗與盲區的計算方法。

1.1 雷達傳播損耗計算方法

雷達天線至目標的傳播路徑損耗的計算可用廣泛使用的拋物方程方法計算。利用拋物方程近似的波動方程方法，可對任意大氣環境，尤其適合于大氣波導環境的電波傳播預測。參考文獻［1-2］中對于大氣波導環境的電波傳播預測具有較詳實的描述，其中在考慮地球曲率的條件下，標準的拋物方程步進解如下：

式中，u(x,z)為定義的x軸方向傳播的波函數，x為水平方向，z為垂直的高度方向；k0為自由空間波數；n為位置(x,z)處的折射率；ae為地球半徑；p為變換域變量；Δx為距離方向上的步進；?和?-1分別為傅立葉變換和逆變換。其中初始場u(0,z)可由天線方向圖得到。由于其能夠提供距離上相關的波動方程的全波解，且其解可采用分步傅立葉算法，易于在計算機上實現，因此拋物方程方法在計算電磁波傳播領域獲得廣泛應用。在獲得不同距離以及不同高度處的波函數u(x,z)后，傳播因子F可用下式計算：

進而得到傳播路徑損耗：

式中，d為雷達到目標的距離；λ為雷達電磁波的波長。

依據計算獲得的傳播損耗，在給定雷達系統參數以及目標參數情形下可以快速計算雷達探測不同距離、不同高度處目標的回波功率。

1.2 雷達盲區計算方法

依據雷達對目標的回波接收功率與雷達接收機靈敏度的關系用來評估雷達的盲區分布。如果雷達性能評估中僅僅考慮大氣環境變化對雷達探測的影響，可根據雷達的系統參數以及最小可檢測信號功率計算允許的最大傳播路徑損耗，即Lmax，其表達式：

利用分貝單位表示，有：

如果實際傳播環境下的傳播損耗小于允許的最大路徑損耗，則雷達可探測到目標；反之傳播損耗大于允許的最大路徑損耗，則形成雷達的探測盲區。

假定如下計算條件：標準大氣環境，頻率為6 GHz，高斯天線類型，垂直波束寬度為3°，0°仰角，雷達天線架設高度為100 m，海面環境。圖1所示給出了該計算條件下雷達探測的頂空盲區、低空盲區、視距盲區以及波瓣盲區等。其中，圖示深色區域則表示傳播損耗小于Lmax，位于該處的目標能夠被探測到；白色區域則表示傳播損耗大于Lmax，位于該處的目標不能被探測到，形成雷達的探測盲區。容易知道，頂空盲區由天線波瓣在仰角上的限制造成；低空盲區由雷達天線架設高度以及波束俯仰掃描角度的限制造成；視距盲區由地球曲率造。以往諸多文獻考慮大氣波導效應形成超視距傳播，進而導致視距盲區消失以及形成新的波導頂部盲區。而大氣波導對視距以內的波瓣盲區影響則少見報道。本文重點關注蒸發波導環境對雷達視距探測盲區的影響特征。

圖1 雷達盲區分布

2 蒸發波導對雷達探測視距內盲區影響分析

2.1 不同蒸發波導高度下雷達探測視距內盲區分布分析

根據1.2節提供的雷達盲區計算方法，針對雷達探測掠海飛行的飛行器情形，對雷達盲區分布進行仿真。本文選取一種典型條件進行，可取目標RCS為0.5 m2，設雷達天線高度20 m，天線仰角0°，頻率為6 GHz，根據典型雷達發射功率、天線增益、系統損耗、噪聲系數、接收機靈敏度、目標特性等參數，根據式（5）計算雷達允許的最大路徑損耗。

利用給出的雷達盲區計算方法，計算不同蒸發波導高度情形下的雷達盲區分布，如圖2所示。由圖可見：由于蒸發波導的存在，導致雷達探測距離在近海面具有較大的延伸，即形成超視距傳播，尤其當波導高度為20 m、30 m的情形，同時在一些高度上也使得探測距離有所減少，波瓣盲區影響雷達探測距離也不同。

圖2 不同蒸發波導高度條件下的雷達盲區分布

2.2 不同蒸發波導高度下雷達探測視距內盲區影響分析

根據2.1給出的不同蒸發波導高度條件下雷達探測波瓣盲區分布情況，現以100 m高度目標的探測為例，給出100 m高度上的傳播損耗隨著距離的變化，如圖3所示。

圖3 不同蒸發波導高度條件下傳播損耗隨著距離的變化

由圖3中不同蒸發波導高度下的傳播損耗變化可以看到，由于多徑干涉的深衰落位置明顯不同（圖3（a）-（d）中位置①、②、③為多徑干涉下產生的深衰落位置），進而造成視距內截然不同的雷達探測盲區。以蒸發波導高度0 m情形下圖示標號的三個深衰落位置為參考，表1給出了不同情形下的深衰落位置變化。由表中數據可以看到：蒸發波導高度10 m、20 m、30 m相對于無蒸發波導來說，深衰落位置①相對后移1.8 km、4 km、7.4 km；深衰落位置②相對后移3.7 km、9.5 km、11.9 km；深衰落位置③相對后移8.9 km、41.6 km。其中蒸發波導高度30 m時，相對于其它蒸發波導高度深衰落位置③消失。

表1 深衰落的位置

表2 目標高度100 m時的雷達盲區位置變化

表2給出了該目標高度下不同蒸發波導高度時的雷達盲區變化。其中蒸發波導高度10 m以及無蒸發波導高度的盲區區域對應表1中的深衰落位置附近區域，而蒸發波導高度20 m以及30 m由于深衰落位置后移使得深衰落位置①以前的其它距離上出現新的盲區。由表中數據可以看到：雷達探測盲區Ⅰ主要分布在19～21 km之間，盲區區域Ⅱ主要分布在24～29 km之間，盲區區域Ⅲ主要分布在34～48 km之間。

綜上分析可知：隨著蒸發波導的不同，其具體的盲區區域有較大差別。隨著蒸發波導高度的增加，雷達盲區的跨越區域也有所增加，在不同的盲區位置其區域跨度的距離也隨之變化，據此可以分析不同蒸發波導高度條件下雷達探測波瓣盲區的分布情況，為雷達的探測應用提供支持。

3 對比驗證

利用蒸發波導監測設備監測的某一海域的蒸發波導分布情況和雷達實際工作情況可以對第2節的分析開展比對驗證。2016年7月某海域雷達工作后盲區實際分布為：（1）29.5～31.6 km；（2）27.5～29 km；（3）22.2～24 km；（4）16.3～17.3 km；（5）11.3～14.3 km。在該過程中監測到蒸發波導高度為8.6 m；利用實測的蒸發波導環境計算的盲區位置為：（1）32.8～40 km；（2）22.4～24 km；（3）16.7～17.2 km；（4）13.2～13.3 km。上述結果表明：雷達實測盲區與理論計算盲區在17 km、23 km附近基本一致。需要指出的是：盲區計算中飛行目標的RCS選取固定值，沒有考慮其姿態變化帶來的RCS變化，因此盲區計算結果也出現了一些不一致的情形。

4 結論

蒸發波導是海洋環境中經常存在的一種波導類型，對雷達探測掠海小目標具有較大影響。除了蒸發波導超視距傳播帶來的波導頂部盲區以外，蒸發波導還顯著改變了雷達視距內盲區的位置。本文詳細分析了不同蒸發波導高度對雷達探測掠海小目標的影響。相對無蒸發波導時，隨著波導高度的增加，雷達盲區的位置區域相對后移，且盲區跨越區域有所增加。在海上雷達跟蹤目標過程中出現的丟點現象以及丟點位置與上述分析密切相關，在事后分析數據時必須考慮雷達工作環境。