岸海交界處微波雷達超視距探測實驗研究

劉愛國 察 豪 周 沫

(海軍工程大學海洋電磁環境研究所,湖北 武漢 430033)

引 言

海上蒸發波導是由于海面水汽蒸發，致使海面大氣相對濕度隨高度銳減而形成的一種大氣波導現象.蒸發波導出現的概率高，分布地域廣，持續時間長[1-4].受其影響，工作于海面上的微波雷達系統經常會出現超視距探測現象.目前，利用蒸發波導現象來實現超視距探測成為微波雷達探測效能的倍增器，大大增強了其探測威力，而如何主動利用海上蒸發波導來實現微波雷達的超視距探測也成為現代雷達技術一個新的研究方向.

對海岸基警戒監視雷達是海岸警戒監視系統的一個重要組成部分.由于受地球曲率的限制，常規雷達為了增大對海面目標的探測距離，往往選擇離海平面比較高的高山或海島進行架設，因此其架設地點受海岸地形的限制.利用蒸發波導對雷達電磁波傳播的影響，微波雷達不需要很高的架設高度，就能實現超視距探測，在蒸發波導較高的條件下，其對海面和低空目標的探測距離往往可達數百公里.因此，研究利用蒸發波導現象來實現岸基微波雷達的超視距探測，具有較強的理論意義和實際應用價值.基于上述背景，2011年9月至11月，在靠近江蘇北部的黃海海域，進行了岸海交界處微波雷達超視距探測實驗，實驗結果證實了岸基微波雷達超視距探測的可行性和有效性.

1 實驗原理

微波雷達實現超視距探測，主要利用海上出現蒸發波導時電磁波在波導內的超視距陷獲傳播現象來實現.當海面上出現蒸發波導時，電磁波會出現陷獲傳播，此時電磁波在海面附近對流層大氣中的傳播類似于其在金屬波導管內的傳播，其傳播損耗會遠遠小于其在自由空間內傳播時的傳播損耗，結果使雷達出現超視距探測現象.因此對海上蒸發波導的實時監測，可以判斷雷達能否出現超視距探測現象，而超視距探測條件下雷達探測威力則取決于電磁波在波導內的傳播損耗，可以用基于電磁波傳播模型的雷達最大探測距離預報模型進行預報.

1.1 蒸發波導預報的P-J模型

對海上蒸發波導的預報，可以用Paulus-Jeske模型(P-J模型)來進行.P-J模型的主要原理是通過測量某一參考高度上的大氣溫度、相對濕度、風速以及海水表面溫度等氣象參數，通過Monin-Obukhov相似理論，進行迭代計算得到蒸發波導高度d，再利用式(1)計算得到大氣折射率在高度上的垂直分布，即大氣折射率剖面[5]為

(1)

式中：z0為海面粗糙度高度，一般取0.000 15 m；z為海面以上的高度，m；L為Monin-Obukhov長度；Φ(z)為普適函數，根據大氣層結情況取值.

對穩定層結,

(2)

對不穩定層結,

(3)

(4)

(5)

(6)

1.2 電磁波傳播的拋物方程模型

拋物方程模型(Parabolic Equation，PE)由Leontovich和Fock提出，是亥姆霍茲波動方程的拋物型近似，在直角坐標系中拋物方程模型的形式為[6]

(7)

式中：x為傳播距離；z為高度；u(x,z)為電場或磁場的幅度函數；k為自由空間波數；n(x,z)為大氣折射率指數；ae為有效地球半徑.

求解PE時，將天線處的輻射場作為初始場，上邊界采用吸收邊界條件，下邊界用Leontovich阻抗邊界條件

(8)

若考慮到海面粗糙度，有

(9)

式中：θ為擦地角；R為粗糙表面等效反射系數.利用Miller-Brown模型，粗糙表面反射系數為[7]

R=R0exp(-ζ)I0(iζ)，

(10)

(11)

式中：R0為光滑表面反射系數； I0為零階Bessel函數；λ為電磁波波長；L為均方根浪高.

定義傅里葉變換

(12)

則PE的分步傅里葉解為

e-i(p2δx/2k)]，

(13)

利用此式，采用逐步遞推可完成全計算區域的場值計算.

大氣環境對電磁波傳播的影響，數值上一般用傳播因子來表示.利用拋物方程計算傳播因子F可利用式(14)進行計算[8]為

(14)

式中：x為距雷達的距離m；u(x)為拋物方程(7)的解.

1.3 雷達最大探測距離計算模型

計算蒸發波導條件下，微波雷達對海上艦船目標的最大探測距離時，采用下列形式的雷達距離方程[9]為

(15)

式中：Pt為發射機發射功率,W;Pr為接收機接收功率,W；G為雷達天線增益；λ為工作波長,m；σ為目標的雷達截面積,m2；F為傳播因子；R為目標距雷達距離,m；Ls為系統損耗；La為大氣吸收損耗；p(z)為目標雷達散射截面積 (Radar Cross-Section,RCS)在垂直高度上的分布密度函數.若設目標最高點離海面的高度為h，p(z)則滿足

(16)

定義

F4(z,R)dz+La(R)，

(17)

以dBW表示雷達接收到的目標回波功率，則雷達方程變為

(18)

式中各變量的單位為：Pr、Pt為dBW，G、Ls為dB，λ為m，σ為m2，因此L(R)為電磁波傳播距離R時的單程損耗，單位為dB.

雷達接收機靈敏度Simin可由發現概率、虛警概率和雷達參數決定，當Pr=Simin，有R=Rmax，定義單程損耗門限

(19)

則當L(R)=LT，有R=Rmax，即得到雷達對海面目標的最遠探測距離.

2 實驗經過及結果

2.1 實驗系統組成

實驗方案的設計根據電磁波在蒸發波導內的傳播特性決定.存在蒸發波導時，電磁波能陷獲傳播的兩個必要條件是其工作頻率必須大于蒸發波導截止頻率，發射仰角要小于蒸發波導穿透角.而蒸發波導高度越低，其截止頻率越大.綜合考慮雷達常用工作頻率和蒸發波導截止頻率的限制，實驗雷達工作頻段選為X波段，天線仰角設為0°.根據前期研究的結論[10]：存在蒸發波導時，X波段微波超視距雷達天線最優架設高度為5～10 m，以及架設點的地理條件，實驗雷達天線架高最終設為8 m.而蒸發波導P-J預報模型要求輸入海表溫度和海面6 m高處的氣溫、相對濕度以及風速，因此海面環境數據采集器的架設高度設為6 m.

根據上述實驗方案，實驗系統主要由一部岸基X波段微波雷達、一套海面環境氣象水文數據采集器以及裝載有雷達探測威力預報軟件系統的一臺通用計算機組成.X波段岸基微波雷達用于對海面目標的搜索和觀測，海面氣象水文環境數據采集器架設在岸海交界處，用于采集海面6 m高處的大氣溫度、相對濕度、風速、風向以及海水表面溫度等氣象水文環境參數，以便用于蒸發波導的預報.采集得到的環境數據通過無線數據傳輸系統傳回位于雷達控制臺處的雷達威力預報系統.威力預報系統根據接收到的環境數據，進行當前環境條件下蒸發波導高度和強度的預報，并進一步根據預報結果，結合雷達工作參數進行雷達最大探測距離的計算.計算結果與雷達實際最大探測距離進行比對，以確定雷達超視距探測的可行性和有效性.

X波段微波雷達系統架設于岸邊，其主要工作參數為：工作波段為X波段，雷達天線架高8 m，天線方向圖為辛克型，水平極化，垂直波瓣寬度和水平波瓣寬度均為1°，天線仰角為0°，發射功率為12 kW，天線增益40 dB.環境氣象水文數據采集設備主要由紅外海表溫度傳感器、Met PakⅡ型自動氣象站和無線數據傳輸系統組成.紅外傳感器用來測量海水表面溫度，Met PakⅡ型自動氣象站則測量大氣溫度、相對濕度、風速、風向以及氣壓等大氣參數.無線數據傳輸設備則將采集得到的氣象水文參數傳回威力預報系統.各氣象測量儀器的測量范圍和精度如表1所示.

表1 氣象水文測量儀指標

2.2 實驗經過及結果分析

實驗系統架設于江蘇濱海海域的岸海交界處，架設點周圍地勢開闊，無明顯遮擋.岸基雷達架設于海堤上，面朝大海，離海面的水平距離不超過15 m.雷達天線架高設為8 m，海面氣象水文環境數據采集器架設在海邊，與雷達的直線距離小于1 000 m，架設高度為離海面6 m高.觀測的目標為來往于上海至青島航線上的大型商船，在計算時，均認為其RCS為10 000 m2.進行觀測時，雷達天線工作于環掃狀態，以天線環掃十圈為一個計數單位，在十圈掃描中若只有五圈有目標回波，則認為此時雷達對目標的檢測概率只有50%，此時雷達對目標的探測距離達到最遠.

圖1 雷達最大作用距離實際觀測值

整個實驗期間，觀測得到的雷達最大探測距離數據共有40組，如圖1所示.由圖1可見，整個實驗期間，雷達的最大探測距離觀測值隨實際氣象水文環境的變化而不同，實際觀測數據的分布區間為雷達視距內到雷達最大顯示量程，即300 km.以雷達天線架高8 m，海上大型商船的高度為20 m進行估計，則標準大氣條件下雷達視距約為30 km.從圖1可見，大部分實際觀測數據均超過了雷達視距.經統計，40組實際觀測數據中超過視距的數據有38組，整個實驗期間超視距探測現象的發生概率達到95%，而其中最大探測距離超過100 km的觀測數據有19組，占整個觀測數據的47.5%.實驗觀測表明：利用海上蒸發波導現象來實現岸基雷達的超視距探測是可行的，而發生超視距探測時雷達的最大探測距離取決于目標類型和海上蒸發波導的強弱.

由于氣象水文環境數據采集系統架設于岸海交界處，因此認為只有當風從海面上吹來時大氣中攜帶的信息才能表示真實的海上大氣環境信息，其采集得到的環境氣象水文數據才為有效，雷達威力預報系統才進行最大探測距離預報.據此判據，按照同一時刻既有雷達威力預報結果又有雷達實際觀測數據進行數據篩選，得到有效數據為25組，如圖2(a)所示，圖2(b)給出了理論預報值與實際觀測值之間的偏差，兩圖的橫坐標均為對應時刻監測到的蒸發波導高度.

(a) 預報結果與實際觀測值

(b) 預報結果與實際觀測值的差別圖2 最大探測距離的理論預報值和實際觀測值示意圖

由圖2中數據可見，雷達最大探測距離的理論預報值與實際觀測值存在偏差，但偏差部分大部分在40 km以內.經統計，在25組有效預報數據中，預報結果與雷達實際探測數據偏差小于20 km的有11組，偏差小于30 km的有16組，偏差小于40 km的有23組.

造成雷達最大探測距離理論預報值與實際觀測值存在偏差的原因主要有以下幾個：

1) 觀測目標RCS不能準確預估.由于觀測目標為海上商船，為非合作目標，其RCS的準確大小和在垂直高度上的分布均未知，而且目標的RCS還與其姿態角相關，這些因素造成目標RCS預估的困難，在理論計算時，預估得到的目標RCS與其實際RCS之間的偏差會給雷達最大探測距離的預報帶來較大偏差，尤其在蒸發波導較強的條件下，是影響理論預報精度的一個主要因素.

2) 電磁波傳播路徑上大氣折射率剖面建模還比較簡單.在理論計算時，假設折射率剖面在水平上是均勻分布的，在開闊大洋條件下，這一假設也許可以成立，但在岸海交界處，受陸地氣候的影響，對流層大氣的變化更為劇烈，因此蒸發波導折射率剖面水平分布不均勻性更為嚴重，此時大氣折射率剖面在水平上均勻分布的假設會帶來計算誤差.

3) 海面粗糙度對電磁波傳播的影響描述還不夠精確.海浪對電磁波傳播的影響是通過Miller-Brown模型，將下邊界作為粗糙海面，利用拋物方程模型來描述的，但這一模型沒有考慮海面遮蔽效應對電磁波傳播的影響[11]，這會給電磁波傳播損耗的計算帶來誤差，進而影響雷達最大探測距離的預報.

4) 電磁波傳播的拋物方程模型是波動方程的簡化，只考慮到了電磁波傳播的前向傳播分量，忽略了后向傳播分量，這也會給電磁波傳播損耗的計算帶來誤差，降低雷達最大探測距離預報的準確度.

上述因素所造成的誤差均會給理論模型預報值帶來偏差.雷達最大探測距離預測偏差的減小有待上述問題的進一步研究來解決.

雖然存在較多的因素會影響雷達最大探測距離的預報精度，但實驗觀測表明，雷達最大探測距離的理論預報值與實際觀測值雖然存在偏差，但偏差不大，利用架設在岸海交界處的氣象水文環境數據采集器來采集環境信息，對蒸發波導發生情況進行監測，進而預測雷達最大探測距離，是可行的.這可以為岸基雷達的超視距探測使用提供輔助決策依據.

3 結 論

岸基警戒監視雷達作為對海警戒監視的一種重要設備，在海岸警戒、海上緝私等領域發揮著重要作用.但常規岸基警戒監視雷達由于受地球曲率的限制，為了增大最大探測距離，其對架設地點海拔高度的要求較高，因此其架設經常受到沿海地形的限制.本次岸海交界處微波雷達超視距探測實驗研究表明，利用海上蒸發波導現象，岸基微波雷達可以突破地球曲率的限制，在較低的架設高度上也可實現對海上艦船目標和低空飛行目標的超視距探測，岸基微波雷達在瀕海地區進行超視距探測具有現實的可行性.具有超視距探測能力的岸基微波雷達其探測覆蓋范圍廣，最大探測距離遠，對架設地點的要求比較寬松，可以作為常規岸基警戒雷達的有益補充.如何更好的利用海上蒸發波導現象，以增強岸基微波雷達的超視距探測能力，值得進一步研究.

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