海洋環(huán)境對艦載雷達(dá)的影響及對策

王 振

（海軍大連艦艇學(xué)院信息作戰(zhàn)系， 遼寧大連 116018）

0 引言

艦船雷達(dá)依賴于電磁波在大氣海洋環(huán)境中的傳播特性，而電磁波的傳播特性受大氣海洋環(huán)境的影響和制約，進而影響艦船航行及戰(zhàn)術(shù)動作的選擇，因此評估海洋環(huán)境對雷達(dá)的影響具有重要意義[1]。

1 影響因素分析

1.1 大氣波導(dǎo)

1.1.1 類型特征

對流層對電磁波的折射主要有正折射、無折射、負(fù)折射、臨界折射、陷獲折射（超折射）。當(dāng)大氣中出現(xiàn)陷獲折射時，電磁波彎向地面的曲率會超過地球表面的曲率，電磁波會被限制在一定厚度的大氣層內(nèi)，經(jīng)該層大氣上下邊界來回反射向前傳播，這種傳播現(xiàn)象稱為大氣波導(dǎo)傳播，形成波導(dǎo)傳播的大氣層稱為大氣波導(dǎo)，如圖1所示。

不同的氣象條件會形成不同類型的波導(dǎo)，在海洋大氣環(huán)境中通常存在三種類型的大氣波導(dǎo)：表面波導(dǎo)、抬升波導(dǎo)、蒸發(fā)波導(dǎo)。表面波導(dǎo)又分為兩種，一種是陷獲層接地的表面波導(dǎo)，另一種是基于表面的波導(dǎo)，多年的研究和實驗結(jié)果表明，蒸發(fā)波導(dǎo)是海上影響雷達(dá)探測性能的最重要的物理現(xiàn)象，蒸發(fā)波導(dǎo)是海洋大氣環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)的一種特殊的表面波導(dǎo)。海面蒸發(fā)波導(dǎo)的穩(wěn)定性較好，持續(xù)時間較長，而且在水平方向上延伸距離遠(yuǎn)，常達(dá)數(shù)百公里以上。大氣波導(dǎo)具有尺度特征、天氣特征、地理特征。

圖1 電磁波傳播路徑

天氣特征，在我國東南沿海下列天氣形式和部位有利于形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)：1）冷高壓后部偏南風(fēng)區(qū)。2）太平洋高壓西部脊區(qū)及脊線的南部地區(qū)。3）小高壓所控制的地區(qū)。4）低壓前部及南部地區(qū)。5）高壓北部、低壓南部或高低壓構(gòu)成南高北低的地區(qū)。此外，波導(dǎo)也與云、霧、露、霜和降水等局部天氣現(xiàn)象有關(guān)。

尺度特征，通常大氣波導(dǎo)的水平尺度為幾公里到幾百公里，垂直尺度為幾米到幾百米。在海洋大氣環(huán)境的水平均勻性較好，容易產(chǎn)生大氣波導(dǎo)形成的條件，因此，大氣波導(dǎo)經(jīng)常出現(xiàn)在海洋大氣環(huán)境中，特別是蒸發(fā)波導(dǎo)，它是海水蒸發(fā)形成的濕度梯度變化的結(jié)果，大氣波導(dǎo)的水平分布不均勻性將影響雷達(dá)的作用范圍和測量精度。

地理特征，從全球海域大氣波導(dǎo)發(fā)生頻率的氣候分布來看，大氣波導(dǎo)發(fā)生頻率最高區(qū)域位于大陸西岸、大洋東部南北緯30度范圍附近的海域；此外，波斯灣、阿拉伯海等海域也是波導(dǎo)多發(fā)區(qū)；我國海域及鄰海海域波導(dǎo)發(fā)生頻率在40%～50%以上。

1.1.2 形成波導(dǎo)傳播的基本條件

1）近地層某一高度處必須存在大氣波導(dǎo)；

2）電磁波的頻率必須高于最低陷獲頻率；

3）電磁波發(fā)射源必須位于大氣波導(dǎo)層內(nèi)，對于抬升波導(dǎo)，有時電磁波發(fā)射源位于波導(dǎo)底下方時，也可形成波導(dǎo)傳播，但發(fā)射源必須距波導(dǎo)底不遠(yuǎn)，并且波導(dǎo)強度必須很強；

4）電磁波的發(fā)射仰角必須小于臨界仰角。

1.1.3 主要影響

1）雷達(dá)的探測距離大大提高，可探測到數(shù)百公里范圍內(nèi)的目標(biāo)，這就是雷達(dá)的超視距探測。

2）大氣波導(dǎo)可使雷達(dá)探測出現(xiàn)大面積盲區(qū)，由于大氣波導(dǎo)能將雷達(dá)發(fā)射的電磁波部分地捕獲到波導(dǎo)層內(nèi)傳播，這就使得在大氣波導(dǎo)層頂部上方一定的空間范圍內(nèi)出現(xiàn)雷達(dá)波的探測盲區(qū)如圖2所示。這在氣象雷達(dá)的觀測中是非常重要的，軍事應(yīng)用中，雷達(dá)探測盲區(qū)是其防御的薄弱區(qū)域，同時也是其隱蔽接敵實施突防的最佳路徑[2]。

3）影響雷達(dá)的探測精度，大氣波導(dǎo)引起雷達(dá)的測角、測距和測高的誤差，需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)修正。

4）增強雷達(dá)的雜波。

1.2 大氣衰減

1.2.1 主要因素

大氣衰減是大氣對電磁波的散射和吸收。大氣和懸浮在空氣中的微塵，一方面是電磁波向四面八方散射，另一方面吸收電磁波的一部分能量，因而電磁波在傳播過程中不斷的衰減。前一種稱散射衰減，后一種稱為吸收衰減。大氣衰減是這兩種衰減的總稱。頻率越高，大氣衰減越嚴(yán)重，當(dāng)工作頻率低于1 GHz，大氣衰減可以忽略。而當(dāng)工作頻率高于10 GHz后，衰減隨頻率增大而增大，所以，很少有遠(yuǎn)距離的雷達(dá)工作在高于35 GHz。大氣氣體對雷達(dá)電磁波的衰減，主要是由于吸收引起的，其中水汽是大氣氣體中吸收雷達(dá)電磁波的主要因素。在惡劣氣候條件下大氣中的雨霧對電磁波有衰減作用[2]。

圖2 大氣波導(dǎo)使雷達(dá)探測出現(xiàn)盲區(qū)

1.2.2 主要影響

對流層大氣對電磁波輻射的衰減隨波長的減小而增大，大氣中的各種氣體，微塵，都能引起電磁波的衰減，尤其是以氧氣、云、霧、水蒸氣等引起的衰減最為顯著，降水對電磁波的衰減在微波波段隨波長的減小而顯著增大，在毫米波段，隨波長的減小變化很慢，并緩慢達(dá)到衰減的最大值；進光波段后，衰減幾乎與波長無關(guān)，而且衰減值比毫米波略有減小，電磁波受到衰減以后，雷達(dá)的探測范圍就會減小，降低了雷達(dá)的能見距離。有時，霧雖然不濃，但密度較均勻時，會使雷達(dá)熒光屏上出現(xiàn)模糊的點狀信號，使觀測者對雷達(dá)熒光屏圖像的識別發(fā)生困難或者失去識別的可能性[3]。

1.3 海雜波

1.3.1 特征分析

雜波分為兩部分，一部分是環(huán)境噪聲，主要有雨、雪、風(fēng)暴等，一部分是海浪雜波和因此產(chǎn)生的靜電放電，海雜波是對雷達(dá)海預(yù)警探測系統(tǒng)的主要噪聲源，其影響超過熱噪聲，世界海洋40%~60%時間皆為3級浪以上，海雜波干擾是強烈的、多變的，它在對海觀測、低高度大范圍的海面雷達(dá)監(jiān)視、目標(biāo)跟蹤、海面航行系統(tǒng)的運行等方面影響較大。尤其是在低掠角條件下，海面散射雜波有十分顯著。海雜波具有與海情、頻率、極化和雷達(dá)的照射單元等因素相關(guān)的特性，根據(jù)這一特性可以采取某些措施來提高影響雷達(dá)信雜比。

1.3.2 主要影響

海雜波是指海浪在對雷達(dá)的顯示器上產(chǎn)生的回波，海雜波是雷達(dá)探測系統(tǒng)的主要噪聲源。為此，雷達(dá)都有減小海雜波的相應(yīng)電路，如傳統(tǒng)的對海搜索雷達(dá)海浪抑制電路，但該電路是以降低雷達(dá)接收機的增益為代價的，即在抑制海雜波的同時也把近距離上的小目標(biāo)回波抑制了，使得雷達(dá)難以發(fā)現(xiàn)掠海飛行的導(dǎo)彈等小目標(biāo)。

2 艦船雷達(dá)的使用對策

除海洋環(huán)境影響雷達(dá)的使用效能外，雷達(dá)還受本身技術(shù)參數(shù)的影響，如脈沖寬度、天線波束寬度、天線極化方式、天線增益等，因此，提出了以下技術(shù)和使用對策。

2.1 利用大氣波導(dǎo)的對策

1）利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立較為詳盡的海洋大氣波導(dǎo)分布圖，準(zhǔn)確掌握大氣波導(dǎo)的分布特征、發(fā)生頻率、大氣波導(dǎo)特征統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫；

2）發(fā)展適用于不同海域波導(dǎo)的診斷模型；發(fā)展新的大氣波導(dǎo)特征量的獲取手段，如衛(wèi)星遙感、雷達(dá)反演等方法，以達(dá)到大范圍實時診斷；

3）適當(dāng)提升雷達(dá)天線高度，以降低陷入波導(dǎo)的概率。

2.2 雷達(dá)抗雜波的使用對策

1）雷達(dá)抑制雜波的技術(shù)措施主要是圍繞提高雷達(dá)性能，如引入先進的信號處理技術(shù)、改進天線、提高海浪、雨雪等雜波干擾能力；對不同用途的雷達(dá)應(yīng)合理選擇雷達(dá)的頻率、極化和脈寬以提高雷達(dá)信噪比。

2）對海雜波等干擾源以及海面目標(biāo)或掠海目標(biāo)的特性，從時間域、空間域、頻率域和極化特性等，掌握這些干擾和目標(biāo)特性和規(guī)律；為了既消除海雜波的影響又能從海雜波中發(fā)現(xiàn)掠海飛行的反艦導(dǎo)彈，新一代對海搜索雷達(dá)運用了相關(guān)檢測技術(shù)，如動目標(biāo)顯示技術(shù)和動目標(biāo)檢測技術(shù)等。

2.3 雷達(dá)使用方法對策

1）為了減少波導(dǎo)對雷達(dá)盲區(qū)的影響，應(yīng)考慮采用補盲措施。由于波導(dǎo)頂盲區(qū)和海表跳躍盲區(qū)呈現(xiàn)不同特征，根據(jù)大氣波導(dǎo)類型和雷達(dá)種類的不同，可采用不同頻率雷達(dá)互配合使用的方法，達(dá)到補盲效果。當(dāng)蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)時，對海警戒雷達(dá)波導(dǎo)頂部盲區(qū)不明顯，在海表面附近無跳躍盲區(qū)。此時對艦艇的進攻和防御都比較有利；當(dāng)出現(xiàn)陷獲層接地的表面波導(dǎo)時，在波導(dǎo)頂部有盲區(qū)，在海表面附近無跳躍盲區(qū)，此時對艦艇的導(dǎo)彈攻擊有利，由于存在波導(dǎo)頂部盲區(qū)，對艦艇的對空防御不利。當(dāng)出現(xiàn)基于表面的波導(dǎo)時，雷達(dá)在波導(dǎo)頂部有盲區(qū)，在海表面附近有跳躍盲區(qū)；當(dāng)波導(dǎo)減弱時，雷達(dá)在波導(dǎo)頂部的盲區(qū)減小，在海表附近的跳躍盲區(qū)增大。

2）考慮大氣波導(dǎo)的水平不均勻性，要利用綜合評估模式分析主動和被動雷達(dá)的覆蓋范圍，大氣波導(dǎo)使被動雷達(dá)的截獲區(qū)域大大增加，有利于實施雷達(dá)偵察、早期預(yù)警、對電子干擾的引導(dǎo)和對艦船反輻射導(dǎo)彈的引導(dǎo)。

3）大氣波導(dǎo)尤其是蒸發(fā)波導(dǎo)使X波段雷達(dá)探測低高度、小目標(biāo)能力降低，而S波段的雷達(dá)探測略海飛行導(dǎo)彈的能力較標(biāo)準(zhǔn)大氣條件強，因此在大氣波導(dǎo)條件下對空防御的目標(biāo)指示應(yīng)使用S波段雷達(dá)[1,4]。

3 結(jié)束語

通過對三大海洋環(huán)境因素的研究，提出了艦船雷達(dá)的使用對策，充分利用大氣環(huán)境條件，趨利避害，對充分發(fā)揮艦船雷達(dá)和電子裝備的最大效能，對提高艦艇的作戰(zhàn)能力和生存能力，具有極為重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉冬利,付建國.艦船雷達(dá)及作戰(zhàn)使用[M].海軍大連艦艇學(xué)院,2009.

[2] 姚展予.大氣波導(dǎo)特征分析及其對電磁波傳播的影響[J].氣象學(xué)報，2000,58(5):62-66.

[3] 姜忠龍,韓向清,付林.電磁傳播中大氣衰減的一種工程計算方法[J].雷達(dá)與對抗,2009.

[4] M.I.Skonlnic.雷達(dá)手冊(第二版)[M].電子工業(yè)出版社,2000.