0 引言
舰载对海雷达工作在复杂的海洋环境中,用于探测和跟踪海面目标,为武器系统提供目标相关数据。一方面,由于海面和气象微粒反射使得雷达波形成不希望出现的杂波背景,降低雷达的信噪比,减小了雷达的探测距离[1];另一方面,由于海面大气逆温和湿度剧减形成的折射率梯度层结,引起电磁波出现异常传播现象,可实现对低空近海面目标的超视距目标探测[2-6]。舰载对海雷达主要通过大气波导传播效应实现对目标的超视距探测,同时大气波导环境增强了雷达的海面杂波[7-9]。因此,实时获取大气波导环境参数进而分析雷达波以及海杂波传播特性具有重要意义。
大气波导作为海洋战场环境的重要组成部分,早已被世界各国海军作为“战斗力的倍增器”。它是发生在对流层大气中的一种异常折射结构,能够改变电磁波的正常传播特性,使得水面舰艇雷达、通信、电子对抗等装备能够克服地球曲率的影响实现超远距离探测与截收。国内外在大气波导研究领域存在较大差距[2-5]。国外,如美国等国家,在大气波导研究领域的工作开展较早,经过大量的研究、试验和海洋调查等,目前已经形成了能够业务化运行的大气波导监测、预报和评估的综合系统。与国外相比,国内虽然从20世纪60年代就开始了大气波导的相关研究,但其中由于认识以及需求方面的原因,并没有持续开展该方面的研究。随着微波超视距雷达的广泛使用以及大气波导现象的经常发生,大气波导的应用价值重新被重视,自2000年来开展了大量的研究,并取得了一系列研究成果[10-11]。文献[12]还分析了蒸发波导环境对通信距离的影响。需要指出的是:整体来看,国内在大气波导调查、统计特征研究以及与实际雷达的探测对比等工作开展得并不充分。因此,大气波导的模型研究、监测分析以及传播效应研究需要逐步完善、逐步改进。
大气波导一般分为蒸发波导、表面波导、悬空波导。海上蒸发波导发生概率极高,据文献统计其存在概率可达80%以上;海上低空大气波导(包括表面波导和悬空波导)则是偶尔存在,据相关文献统计其出现概率介于15%～40%[13]。受试验条件所限,相关文献侧重于海陆交界大气波导观测以及岸基雷达的探测对比分析,尚未见到开阔海域大气波导环境监测与雷达的实际探测分析的报道。因此,2015年冬季试验期间,在南海远海海域开展了大气波导环境测量以及雷达的探测对比试验。试验期间监测设备显示无低空大气波导发生,因此本文重点关注蒸发波导环境对海上运作的微波超视距雷达探测影响分析。基于此背景,文中给出了蒸发波导环境的测量方法,并利用修正的雷达方程对雷达的探测性能进行分析,最后结合实际雷达探测结果进行对比验证。
1 蒸发波导环境测量
由于海洋近地层大气具有明显的湍流特征,各个气象要素瞬时值难以测量,因此通常不采用构建大气折射率廓线的方法来确定蒸发波导结构,而是根据海洋大气近地层相似理论,利用海面水文、气象要素的宏观观测来计算蒸发波导及其特征量。文献[14]的研究表明:综合不同模型[15]在不同大气条件下的误差敏感性分析和模型的试验比较,建议在蒸发波导的预测上应优先选用PJ和NPS模型。本文中蒸发波导环境测量主要采用PJ模型。
PJ模型使用海面以上一定高度上的空气温度、相对湿度、风速、压强以及海表皮温度作为输入,引入位折射率Np为相似参量,且假定其满足相似理论,即
式中,p,θ,ep为大气压、位温、位水汽压,Np∗为位折射率特征尺度参数,z为高度,
为层结稳定度参数,k为Karman常数。位折射率和大气折射率之间满足
在∂Np/∂z＜-0.125时出现蒸发波导,当位折射率垂直梯度等于波导形成的临界值-0.125时,所对应的高度就是蒸发波导高度。确定出蒸发波导高度后,依据稳定条件与否,给出蒸发波导修正折射率剖面。
对于中性条件(气海温差等于0):
对于稳定条件(气海温差大于0):
对于不稳定条件(气海温差小于0):
式中,Ms为0 m高度处的修正折射率,d为蒸发波导高度,L为莫宁相似长度,ψ为普适函数,ϕ为稳定度相关函数,该函数由如下关系式给出:
该参量可通过牛顿迭代法得到。利用测量的水文气象参数,依照上述方法可以得到中性条件、稳定条件以及不稳定条件下的蒸发波导环境。表1给出了试验航行中的几组水文气象参数以及蒸发波导高度。由表1可以看到,表中的数据包含了稳定、不稳定以及中性三种不同的条件。图1给出了对应几种条件的蒸发波导环境剖面。由图可见,不稳定条件下的波导强度最大,中性条件和稳定条件较为接近,中性条件下的波导强度大于稳定条件。
表1 蒸发波导高度与稳定性条件
图1 不同条件下的蒸发波导剖面
2 舰载雷达探测威力分析
根据雷达方程,传播环境为自由空间时,天线接收到的目标回波信噪比为
式中,k为玻耳兹曼常数,T0为温度,Bn为信号带宽,F0为接收机噪声系数,D0为检测因子,R为目标距离,σ为目标散射截面,λ为电磁波波长,Pt为发射功率,G为天线增益,Ls为系统损耗。
考虑到舰载雷达的实际工作环境,引入电波传播因子F,天线接收到的回波信噪比为
式中,
为实际传播环境中相对于自由空间的衰减因子,E0为自由空间传播时距离R处的场强,E为实际传播环境中的距离R处的场强。
根据式(9),舰载雷达的最大作用距离方程:
该表达式可用于考虑地海面反射的雷达威力覆盖[16]计算中,而针对工作于海上复杂大气环境中的舰载雷达,该最大作用距离方程并不方便使用。可推导出如下修正的雷达方程:
式中,Pt为发射功率(W),G为天线增益,σ为目标散射截面(m2),λ为电磁波波长(m),Lb为雷达到目标的传播路径损耗,Ls为系统损耗。转化为分贝,有如下表达式:
式中,Pt为分贝表示的发射功率(dBW),G为分贝表示的天线增益,σ与式(11)单位一致,f为信号频率(MHz),Pr为分贝表示的接收功率(dBW)。当舰载雷达接收到的目标回波大于接收机灵敏度时,表示该处的目标能够被雷达探测到。假定雷达和目标参数已知,雷达的探测威力计算归结为传播因子或传播路径损耗的计算。该参量可通过抛物方程方法[17-18]求得。设电磁波沿着平行于海表面的X轴正向传播,采用宽角算子的抛物方程形式如下:
式中,u(x,z)表示场强,k0表示电磁波波数。
采用Lenotovich边界条件:抛物方程在此边界条件下,混合傅里叶变换数值解为
式中,α表示表面阻抗特性,FS和FC分别表示正弦和余弦变换,其中
由式(15)可知:电磁波场强空间分布可利用初始场沿x方向步进求解得到。初始场根据发射天线方向图获得,数值计算区域顶部一般采取设置吸收边界条件进行处理。由场强也得到路径传播损耗的表达式:
式中,f为频率(M Hz),r为距离(m)。
为定量分析海上蒸发波导环境对舰载雷达的威力影响,图2给出了标准大气和蒸发波导环境中的X波段雷达波传播的损耗仿真。图中色彩深浅代表该区域的传播损耗分布大小,小于110 dB的传播损耗用浅色表示,即浅色区域表示该点的场强较大;大于160 dB的传播损耗用深色表示,即深色区域表示该点的场强较弱;介于二者之间用其他色彩表示,不同的色彩代表传播损耗所处的区间。图中X轴表示地面距离,Y轴表示高度,为方便显示,用直线表示地球表面,则正常折射传播的电磁波看起来是向上弯曲,如图2(a)所示;而X轴传播到远距离的电磁波看起来是直线传播,如图2(b)所示,这只是显示方式造成的效果。实际上正常折射条件下电磁波是向下折射传播,蒸发波导环境下电磁波也是向下折射传播,且蒸发波导环境下电磁波经过向下折射、海面反射、波导层顶反射进而形成了电磁波的超视距传播。假定雷达允许的最大单程传播损耗为160 dB,由图2可见,蒸发波导环境下的电磁波实现了远远超出标准大气环境情形下的超视距传播。舰载雷达的传播必须考虑大气环境的影响,正如文献[19]提到,目标、环境和任务是促成雷达体制、频段、理论和技术不断发展演变的3个主要外部因素。其中,环境是指雷达的工作环境、生存环境、电磁环境,以及目标所处的周边环境。因此,只有充分了解雷达的工作环境,例如大气波导环境,才能衍生微波超视距雷达,大气波导环境使得微波传播突破了视距传播的限制。
图2 不同大气环境下的雷达传播损耗分布图
3 试验验证
2015年冬季,利用中国电波传播研究所的大气波导监测设备,在我国南海海域开展了舰载大气波导环境测量,并记录了雷达探测目标情况。大气波导监测设备通过接收中低轨道卫星信标信号以及监测空气温度、湿度、压强、风速风向、海面温度等气象参数,诊断是否存在表面波导、悬空波导和蒸发波导。雷达探测目标则记录了探测方位以及探测距离参数。其中,利用接收到的中低轨道卫星信标信号信噪比反演表面波导、悬空波导;利用监测的水文气象参数基于PJ模型给出了蒸发波导高度。大气波导监测结果显示,试验期间无表面波导和悬空波导,蒸发波导则一直存在。图3给出了试验期间两天时间内的蒸发波导高度监测结果,由图3可见,试验期间南海海域蒸发波导高度较高,最高可达40 m,平均高度在25 m左右。文献[13]利用1982—1999年的海洋观测资料,运用相似理论对东经100°～140°、北纬0°～40°海域的海上蒸发波导进行统计,结果表明海上蒸发波导高度一般在15 m左右。由此可见,南海海域冬季的蒸发波导高度要高于上述大区域的统计结果15 m。
图3 蒸发波导环境测量
选取雷达探测的典型时刻以及对应的蒸发波导高度开展了雷达的探测性能对比分析。首先,利用实测的蒸发波导高度,获得了蒸发波导环境剖面;其次,将雷达系统参数以及蒸发波导环境输入抛物方程模型,获得模型预测的雷达探测性能;最后,将模型预测的雷达作用距离与实际探测距离进行对比。其中,海面大目标高度为25 m,RCS为2 000 m2。表2给出了试验期间雷达探测目标的最大距离以及利用蒸发波导环境预测的雷达最大距离部分对比结果。
表2 模型预测与实际雷达性能对比结果
由表2数据可以看出,实际探测以及模型预测的雷达性能均为超视距探测,说明了基于蒸发波导环境预测雷达超视距性能方法的有效性。另外序号1,2,4预测的雷达最大作用距离大于实际探测目标的距离,而序号3预测的雷达最大作用距离稍小于实际探测目标距离。这是由于雷达探测一般是在探测非合作目标的情形下展开,非合作目标的RCS值[20]不能准确选取导致预测结果与实际探测结果存在差异。例如相同的蒸发波导环境对舰艇以及不同的商船最大作用距离可能有较大差别。针对同一目标,雷达从前向、侧向以及后向照射时的RCS值亦有一定差别,也可能对舰载雷达的预测结果有一定的影响。
准确地预测雷达的最大作用距离,最好选择合作目标即具有确定RCS值的目标,开展雷达与目标的拉距测试,目标进入雷达探测区域,然后远离雷达,直至目标从雷达屏幕消失为止,即可得到雷达的最大作用距离实测结果。然而实际作战环境中,判断当前环境能否实现超视距也是至关重要的,因此上述评估结果的差别并不影响雷达在实际中的超视距探测应用。
4 结束语
文中介绍了舰载蒸发波导环境测量以及雷达探测性能的计算方法,经过海上试验数据检验,计算结果与实际测量结果在超视距传播上十分吻合,说明了该方法的有效性,能够满足工程要求。实际作战中,作战指挥人员可以依托大气波导监测设备,实时评估战场环境和舰船电子信息系统性能,充分发挥雷达、通信、电子对抗等装备的最佳性能,达到先敌发现、先敌开火、先敌摧毁的作战效果。
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