蒸發(fā)波導條件下C 頻段艦載雷達天線架高研究

周 沫,曾 浩

(1.海軍工程大學 電子工程學院, 武漢430033;2.海軍裝備研究院 系統(tǒng)所,北京100046)

1 引 言

蒸發(fā)波導是海面上出現(xiàn)概率非常高的一種大氣波導形式,是由于水汽隨高度增加而銳減造成的。艦載雷達在蒸發(fā)波導條件下可能會出現(xiàn)超視距探測現(xiàn)象[1]。雷達超視距探測研究的核心是大氣環(huán)境和電波傳播,各國的研究主要集中在海面蒸發(fā)波導的時空分布統(tǒng)計、電磁波在蒸發(fā)波導條件下的傳播模型和算法、雷達等電子裝備的效能等。由于蒸發(fā)波導在每個海區(qū)、每個季節(jié)和每個時段存在著一定的分布規(guī)律[2-3],受其影響,各型艦載雷達的最大探測距離也同樣存在著與海區(qū)、季節(jié)、時段相關的分布規(guī)律,這些規(guī)律對于雷達的部署、配置和使用等決策具有重要參考價值。國外在相關領域最具代表性的成果是美海軍的AREPS(Advanced Refractive Effects Prediction System)系統(tǒng)[4-5],該系統(tǒng)已裝備美海軍艦艇、飛機等主要作戰(zhàn)平臺, 可統(tǒng)計和查詢全球范圍內大氣波導的時空分布規(guī)律,并預測各種海洋大氣環(huán)境下電磁波傳播特性及通信、雷達、電子偵察等裝備效能。

雷達電磁波在大氣中的傳播衰減越小,對目標的探測距離越遠。在海上蒸發(fā)波導條件下,艦載雷達的目標探測能力不僅與輻射功率、頻率、脈沖寬度、重復周期、工作方式等雷達主要參數(shù)相關,還與雷達天線架設高度(簡稱天線架高)存在密切關系。雷達天線架設高度與雷達最大探測距離不成正比關系,可通過仿真的方法研究不同蒸發(fā)波導條件下雷達天線架高與雷達最大探測距離之間的關系。根據(jù)仿真計算結果,分析不同波導條件下最佳天線高度選擇。

2 電磁波傳播衰減計算方法

當前對于海上電波傳播的研究模型主要有射線追蹤法、波導模理論、拋物方程法和混合模型法[6-7]。比較以上模型方法的優(yōu)缺點,可以得出對于遠距離海上電波傳播,拋物方程法的適應性和穩(wěn)定性最好,因此本文主要采用拋物方程法進行電波傳播的仿真計算。

電磁波在空間的傳播衰減可由拋物方程(Parabolic Equation, PE)計算得出, PE 是電磁波Helmholtz 波動方程的拋物近似,其主要思想是首先將描述電磁波的波動方程近似為拋物方程,然后采用易于在計算機上實現(xiàn)的分步傅里葉算法求解出電磁波場強分布,最后計算得到電磁波傳播因子與電磁波傳播損耗。其最大優(yōu)點在于能提供距離相關環(huán)境下波動方程的全波解,因而在大氣波導條件下電磁波傳播問題的研究上,常采用PE 法作為傳播模型[8-9] 。

標準拋物型方程(Standard Parabolic Equation,SPE)為式中,u(x ,z)是空間(x ,z)處的場強, n(x,z)為空間(x,z)處的折射率,k =2π/λ為自由空間的波數(shù),λ為波長。

定義傅里葉變換對:

則PE 的分步傅里葉解如下式:

式中,m(x, z)為空間(x ,z)處的大氣修正折射指數(shù);p=k sinθ, θ為傳播角度;算子F 和F-1為傅里葉變換和反變換。

通過天線方向圖計算初始距離處的場強,結合一定邊界條件,利用式(4)可完成關心區(qū)域的場強值計算。

空間(x ,z)處傳播損耗L(x,z)為

其中,折射率剖面和雷達參數(shù)為PE 的輸入量,折射率剖面可以由蒸發(fā)波導高度和理查森數(shù)經(jīng)P-J 模型直接計算得出[10]。

3 雷達天線高度對電磁波傳播衰減影響仿真

仿真雷達參數(shù)為:頻率5 GHz,天線仰角0°,天線垂直波束寬度3°,水平極化方式,天線波束形狀為(sin x)/x。

先用拋物方程計算上述參數(shù)雷達在不同蒸發(fā)波導高度不同天線架高條件下的電磁波傳播衰減,然后對12 m 高度各距離處計算值進行比較,其中,蒸發(fā)波導高度取值范圍為10 ～30 m,以5 m 為步長,天線架設高度取值范圍為10 ～30 m,以5 m 為步長。

3.1 10 m 蒸發(fā)波導高度條件下的比較結果

由圖1 可以看出:天線架高越高,傳播衰減越小;在大多數(shù)距離處,10 m天線架高比30 m天線架高傳播衰減大5 ～13 dB;20 m、25 m 和30 m 天線架高對應傳播衰減值較為接近。

圖1 10 m 蒸發(fā)波導條件下的比較結果Fig.1 Comparison in condition of 10 m evaporation duct height

3.2 15 m 蒸發(fā)波導高度條件下的比較結果

由圖2 可以看出:各天線架高對應傳播衰減值很接近,其中,10 m天線架高對應值最大,在大多數(shù)距離處,10 m天線架高比30 m天線架高傳播衰減大2.5 dB左右。

圖2 15 m 蒸發(fā)波導條件下的比較結果Fig.2 Comparison in condition of 15 m evaporation duct height

3.3 20 m 蒸發(fā)波導高度條件下的比較結果

由圖3 可以看出:天線架高越高,傳播衰減越大;在大多數(shù)距離處,30 m 天線架高比10 m天線架高傳播衰減大5.5 dB左右。

圖3 20 m 蒸發(fā)波導條件下的比較結果Fig.3 Comparison in condition of 20 m evaporation duct height

3.4 25 m 蒸發(fā)波導高度條件下的比較結果

由圖4 可以看出:天線架高越高,傳播衰減越大;在大多數(shù)距離處,30 m 天線架高比10 m天線架高傳播衰減大15 ～18 dB。

圖4 25 m 蒸發(fā)波導條件下的比較結果Fig.4 Comparison in condition of 25 m evaporation duct height

4 結 論

綜合仿真研究的結果,對于C 頻段艦載雷達的天線架高選擇問題,可得出如下結論:

(1)在10 m 蒸發(fā)波導高度條件下,天線架高越高,傳播衰減越小,越有利于雷達對海上目標的探測,當天線高度的取值范圍在10 ～30 m 內時,最佳天線高度為30 m,但20 m、25 m和30 m天線架高對應傳播衰減值較為接近;

(2)在15 m 蒸發(fā)波導高度,各天線架高對應傳播衰減值很接近;

(3)在20 m 以上蒸發(fā)波導高度條件下,天線架高越高,傳播衰減值越大,當天線高度的取值范圍在10 ～30 m 內時,最佳天線高度為10 m。

可見,對于C 頻段雷達而言,沒有一個天線架高能在所有蒸發(fā)波導條件下的傳播衰減都為最小值,天線架高選擇應考慮雷達使用海區(qū)的蒸發(fā)波導高度分布規(guī)律,建議在蒸發(fā)波導高度普遍較高的南海,天線架高定在10 m 左右,在蒸發(fā)波導高度一般不超過15 m 的黃海海區(qū),天線架高定在20 ～30 m之間。本文仿真研究所用電磁波傳播衰減算法經(jīng)過海上試驗驗證[10],研究結果對于C 頻段艦載雷達的設計、建造和使用具有參考價值。

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