海上超視距傳播的探測

中國人民解放軍海軍潛艇學(xué)院 孫曉磊 李光明 謝杰榮

針對目前海上廣泛存在的超微波超視距傳播現(xiàn)象，利用民用信號接收設(shè)備對海上目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)視時信號接收距離以及范圍的異常變化，可以實(shí)時探測超視距傳播的形成。通過在沿海地區(qū)廣泛布設(shè)民用信號接收設(shè)備，組網(wǎng)構(gòu)建覆蓋周邊海域的超視距傳播探測系統(tǒng)，為海上超微波信號的超視距偵察監(jiān)視提供有力支撐，對于提升沿海超微波偵察監(jiān)視系統(tǒng)的效能具有重要意義。

海上超視距傳播主要是指超短波、微波等信號在大氣折射率變化時，通過大氣波導(dǎo)或者對流層散射進(jìn)行超視距傳播。對于超視距傳播的探測，早在20 世紀(jì)60 年代就開始了研究，并且通過布設(shè)各種傳感器，利用飛機(jī)、衛(wèi)星等對大氣折射率進(jìn)行監(jiān)測，建立了高級大氣折射率影響預(yù)測系統(tǒng)，可以根據(jù)氣象信息預(yù)測海上大氣波導(dǎo)的形成等，該系統(tǒng)涉及大量的傳感器，花費(fèi)巨大，目前各類通信、雷達(dá)系統(tǒng)的作用范圍仿真均基于該系統(tǒng)結(jié)合電子地圖而開展。國內(nèi)中國海洋大學(xué)、武漢大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等高校在20 世紀(jì)90 年代開展了超視距傳播探測的研究，主要是通過在海上或海岸施放傳感器，或者通過GPS 掩星反演海上大氣折射率，從而探測大氣折射率變化，預(yù)測大氣波導(dǎo)形成，這些方法探測的范圍較小，并且準(zhǔn)確率受到傳感器精度的影響。

通過海上民用信號的接收進(jìn)行超視距傳播的探測，由于民用信號大多集中在超微波頻段，并且這些信號廣泛存在于海面以及海面上空，其接收設(shè)備價格低廉，性能優(yōu)良，因此對于超視距傳播的探測具有代價低、實(shí)時性好、探測范圍大等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)就是在臺風(fēng)天氣下沒有信號，無法進(jìn)行有效探測。民用信號主要是指AIS、ADS-B、ACARS 等信號，民用信號接收設(shè)備具有對海空目標(biāo)運(yùn)行軌跡、航行狀態(tài)以及目標(biāo)屬性等的監(jiān)視能力。民用信號接收設(shè)備可以根據(jù)海空目標(biāo)接收距離以及范圍的異常變化，為超視距傳播探測提供實(shí)時探測能力，我們可以根據(jù)探測結(jié)果，調(diào)整定向天線的方位或俯仰，提升沿海超微波偵察監(jiān)視系統(tǒng)的效能。

1 超視距傳播機(jī)理

超視距傳播主要是指超微波經(jīng)由對流層不均勻結(jié)構(gòu)體的散射超視距傳播或者出現(xiàn)大氣波導(dǎo)時，超微波沿著大氣波導(dǎo)的超遠(yuǎn)距離傳播。對流層大氣對無線電波傳播的影響與大氣本身的介電特性有關(guān)，主要反映在其相對介電常數(shù)或折射指數(shù)的變化，通常定義大氣折射率來表征流層大氣對傳播效應(yīng)的影響。

對流層中不同的大氣折射，對應(yīng)著不同的大氣折射率或者修正折射率梯度，出現(xiàn)不同的電波傳播，折射率的梯度和條件如表1 所示[1]。

表1 大氣折射率梯度和條件Tab.1 Atmospheric refractive index gradient and conditions

1.1 對流層散射傳播機(jī)理

對流層是各種無線通信系統(tǒng)的主要作用空間，其中的大氣可對無線電波產(chǎn)生折射、發(fā)射和吸收效應(yīng)，大氣湍流還可引起無線電波的散射。對流層散射是大氣折射率的不均勻分布和局部隨機(jī)起伏引起的，但是至今該現(xiàn)象的物理機(jī)制仍然眾說紛紜，目前被廣泛認(rèn)可的主要有三種傳播機(jī)制，即湍流非相干散射、不規(guī)則層相干反射以及穩(wěn)定層相干反射[2]。1960 年，Yeh 給出了對流層散射傳播損耗公式[1]，如式（1）所示：

湍流非相干散射理論是由Booker 等人于1950 年提出的，該理論認(rèn)為大氣湍流中的各不均勻體對無線電波產(chǎn)生的二次輻射是超短波、微波超視距傳播的主要原因[1]。在場強(qiáng)為E0的電波照射下，以Q點(diǎn)為中心的體積元dV將被極化而變得類似于一個元偶極子，向周圍空間再輻射電波，按電磁理論，在距其r2遠(yuǎn)處的R點(diǎn)產(chǎn)生的相應(yīng)的場強(qiáng)如式（2）所示：

穩(wěn)定層相干理論認(rèn)為，對流層可以按照介電常數(shù)隨高度的變化分成一系列薄層，每層內(nèi)介電常數(shù)值近似為常數(shù)，而在層與層之間的邊界位置介電常數(shù)發(fā)生銳變，這些薄層會對無線電波進(jìn)行部分反射，并且各反射分量間的振幅與相位有關(guān)，彼此相干，它們在接收點(diǎn)的相干疊加即為接收場。

湍流非相干散射理論由于理論性較強(qiáng)并且大多數(shù)試驗論證與之相吻合，成為研究對流層散射傳播的主流理論。不規(guī)則層非相干反射理論沒有嚴(yán)格的理論依據(jù)，但是其計算結(jié)果與許多實(shí)驗結(jié)果相一致。穩(wěn)定層相干反射理論也缺乏嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)，但也有部分試驗結(jié)果與之相符。因此通常認(rèn)為，對流層散射是三種傳播共同作用的結(jié)果，只是某種傳播起著主導(dǎo)作用。

1.2 大氣波導(dǎo)傳播機(jī)理

大氣波導(dǎo)形成的機(jī)理主要是水分蒸發(fā)和逆溫過程形成陷獲折射的氣象條件，在適當(dāng)?shù)膫鞑ソ嵌认拢⒉ㄐ盘栂莴@其中，傳播損耗明顯減小，從而讓無線電波實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離超視距傳播。大氣波導(dǎo)可以分為蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)三種類型，而表面波導(dǎo)又有無基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)和含基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)兩種類型[3]。

蒸發(fā)波導(dǎo)是海上常見的大氣波導(dǎo)，當(dāng)海水蒸發(fā)的時候，大氣濕度隨著高度的升高而驟降，從而形成較大的濕度梯度變化，這時就形成了蒸發(fā)波導(dǎo)的條件，蒸發(fā)波導(dǎo)本質(zhì)上屬于特殊的無基礎(chǔ)層的表面波導(dǎo)類型。蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)的概率相當(dāng)高，對于海上無線電波的傳播意義重大，是大氣波導(dǎo)研究的重點(diǎn)。其傳播模型如式（3）所示[4]：

表面波導(dǎo)的形成通常與大氣逆溫現(xiàn)象密切相關(guān)，當(dāng)干暖氣團(tuán)從陸地流動到濕冷的海面上空時，近海面就會形成大氣溫度上冷下熱，濕度下濕上干的環(huán)境，這種逆溫環(huán)境使大氣折射率出現(xiàn)較大負(fù)梯度，從而陷獲一定頻率的無線電波，實(shí)現(xiàn)超視距傳播，其傳播模型是由懸空的陷獲層形成的符合實(shí)際數(shù)據(jù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停鋫鞑p耗如式（4）所示[4]：

抬升波導(dǎo)是一種陷獲層的下邊界在空中的懸空波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它與表面波導(dǎo)形成的氣象條件相似，它們之間在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化，由于波導(dǎo)層較高，對高空無線電波的傳播影響較大。抬升波導(dǎo)的情況比較復(fù)雜，目前還沒有建立相應(yīng)的傳播模型。

2 超視距傳播的探測

2.1 民用信號的接收概況

利用部署在某地的民用信號接收設(shè)備，在正常氣象條件下，利用拋物面天線，對海上艦船目標(biāo)的最大探測距離約為200km，對空中目標(biāo)的最大探測距離達(dá)到550km。民用信號接收設(shè)備對空目標(biāo)的監(jiān)視范圍是天線中心大約60°的范圍，其空中目標(biāo)的態(tài)勢分布非常明顯，副瓣的偵察監(jiān)視距離大約300km，但是非常奇怪的是，位于該天線主瓣方向附近的民航飛機(jī)，卻基本難以監(jiān)測，這從側(cè)面說明，該天線在主瓣方向上的俯仰角非常小，并未對準(zhǔn)該空域高度的飛機(jī)航線，從而導(dǎo)致了偵察監(jiān)視盲區(qū)。該系統(tǒng)對海上目標(biāo)的偵察監(jiān)視范圍明顯比空中目標(biāo)的大，基本上可以達(dá)到180°，其主瓣方向為正東方向。對海偵察天線的方向圖不是特別明顯，尤其是主瓣與副瓣的分界線比較模糊，從民用信號接收設(shè)備的監(jiān)視范圍，也可以大致評估探測天線的基本性能。

2.2 基于對流層散射的超視距傳播探測

在民用信號接收設(shè)備的偵察監(jiān)視中，經(jīng)過長期監(jiān)視的積累，發(fā)現(xiàn)在監(jiān)視區(qū)域下方1000 多公里的位置，根據(jù)飛機(jī)的飛行高度、設(shè)備位置的高度以及民用信號接收設(shè)備的監(jiān)視范圍，我們基本可以確定，是對流層散射形成的超視距傳播現(xiàn)象。尤其是部分連續(xù)飛行軌跡，完全超出ADS-B 信號的接收范圍，傳播距離接近1000km，根據(jù)民航ADS-B 信號的大致功率可知其散射的傳輸損耗非常小，根據(jù)對流層散射的機(jī)理，可以確定其是穩(wěn)定層相干反射為主的對流層散射傳播。

根據(jù)分析以及實(shí)際的監(jiān)視結(jié)果可以看出，在設(shè)備位置和出現(xiàn)連續(xù)軌跡的兩點(diǎn)中間空域，存在可以反射信號的穩(wěn)定層，但是其高度無法進(jìn)行探測，但是也可以為超微波偵察系統(tǒng)的超視距偵察提供有力的技術(shù)支持。該穩(wěn)定層長期存在，可為我們的超微波偵察系統(tǒng)提供超視距探測的媒質(zhì)，尤其是以上兩個位置為我們對該區(qū)域的空中目標(biāo)偵察提供了有利的條件。

海面上空氣象條件非常復(fù)雜，除了我們常見的穩(wěn)定層外，還會出現(xiàn)由于海面上空的溫濕度變化、冷暖劇烈變化等造成的不規(guī)則層非相干散射傳播，該不規(guī)則層的出現(xiàn)沒有明顯規(guī)律，并且出現(xiàn)的時間不長，是海面上空對流層散射超視距傳播的主要方式。

2.3 基于大氣波導(dǎo)的超視距傳播探測

由于海面艦船目標(biāo)的位置低，民用信號接收設(shè)備對海面目標(biāo)的偵察距離嚴(yán)重受限，導(dǎo)致其探測的距離經(jīng)常會出現(xiàn)異常變化，最遠(yuǎn)可達(dá)上千公里。經(jīng)過觀察，可以發(fā)現(xiàn)每年的7 月～11 月，在天氣晴朗的夜晚，尤其是19:00 ～22:00 時間段，民用信號接收設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)探測距離的極大延伸或者范圍極大擴(kuò)展，由于監(jiān)視范圍的擴(kuò)大或者距離延長，AIS 信號捕獲的目標(biāo)成倍增加，這個時候，關(guān)聯(lián)的偵察系統(tǒng)，也會出現(xiàn)偵察距離或者偵察信號的增強(qiáng)，由于海面的艦船目標(biāo)繁多，這就為海面大氣波導(dǎo)的形成范圍探測提供了非常有利的條件。

當(dāng)民用信號接收設(shè)備出現(xiàn)海面目標(biāo)探測距離異常變化的時候，我們發(fā)現(xiàn)其他系統(tǒng)的偵察監(jiān)視能力也會相應(yīng)大幅提升，當(dāng)海上大氣波導(dǎo)形成時，某微波信號從平時的不到5dB，明顯增強(qiáng)到24dB 左右，其信號穩(wěn)定度還與大氣波導(dǎo)的強(qiáng)度有著重要的關(guān)聯(lián)。通過民用信號接收設(shè)備的大氣波導(dǎo)探測能力，可以提高對大氣波導(dǎo)覆蓋范圍海面目標(biāo)的偵察能力。由于AIS 信號頻段低，當(dāng)利用AIS 信號接收設(shè)備探測大氣波導(dǎo)形成時，實(shí)際上更高頻段的大氣波導(dǎo)強(qiáng)度更高，其信號傳播的損耗更小，接收的效果更好。因此，利用AIS 接收設(shè)備探測大氣波導(dǎo)傳播的形成，可以覆蓋160MHz 以上頻段信號的大氣波導(dǎo)傳播的探測。

3 結(jié)論

民用信號在海面以及海面上空的廣泛應(yīng)用，為周邊海域的超視距傳播探測提供了有力的技術(shù)手段，當(dāng)前我們國家還沒有建立高級大氣折射率影響預(yù)測系統(tǒng)，因此，在沿海廣泛布設(shè)民用信號接收設(shè)備，通過組網(wǎng)形成覆蓋周邊海域的超微波超視距傳播實(shí)時探測系統(tǒng)，是一種快捷、廉價、有效的方式，可以為第一島鏈延伸到第二島鏈的超微波偵察監(jiān)視提供實(shí)時、可靠的技術(shù)支持。當(dāng)然，如何利用海上超視距傳播探測，規(guī)避敵方對我方超微波通信系統(tǒng)的偵察干擾，是今后需要繼續(xù)研究的重要課題。

引用

[1] 李學(xué)森,余健,邱德厚.岸基雷達(dá)的大氣波導(dǎo)特性及其影響分析[J].電子信息對抗技術(shù),2012,27(1):73-77+82.

[2] 宋雪梅,朱旭東.對流層散射實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號超視距傳輸?shù)难芯縖J].現(xiàn)代雷達(dá),2011,33(7):9-11.

[3] 屈利平,張海勇,王華,等.基于散射/波導(dǎo)模式的艦船超視距通信分析與應(yīng)用研究[J].通信技術(shù),2021,54(1):9-18.

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