阿拉伯海典型大氣波導對艦載雷達探測影響研究?

于 躍 王義濤 王 華 孟大禹

（海軍大連艦艇學院 大連 116018）

1 引言

大氣波導對電磁波傳播具有陷獲作用，在波導環境下電磁波的傳播方式獨特，對雷達探測等系統有重要影響。大氣波導通常分為表面波導、抬升波導和蒸發波導三種類型，不同類型大氣波導受地形和氣候的影響其生成機理所有不同［1～2］。由于大氣波導可發生的海域廣闊，時間不定，因此雷達探測受大氣波導影響的研究亟待加強［3］。前人對此已經做過較多研究，姚展予等［4］分析不同大氣波導影響因子對電磁波陷獲傳播的影響。黃小毛等［5］利用電磁波傳播近似數學模型分析大氣波導對電磁波的陷獲作用，并用實驗數據驗證其有效性。王華等［6～7］進一步研究表面波導對雷達探測和艦機數據通信鏈的影響，發現了大氣波導強度與雷達探測的定性關系。劉靜［8］通過研究雷達探測設備為船載電子信息系統提供精準分析結果。但目前并沒有研究通過改變波導特征量分析波導對雷達探測影響。本文主要針對大氣波導環境下的雷達探測特征，利用電磁波傳播模式［9］構建雷達探測的評估方法，通過仿真的手段分析了表面波導和抬升波導對雷達探測的影響，并通過改變波導的高度和強度分析導航雷達和對海搜索雷達對艦艇的探測效果。

2 數據及方法

2.1 大氣波導計算

本研究使用的是阿拉伯海某年3 月某日15 時和19時的探空火箭數據。

表面/抬升波導可以利用大氣修正折射率梯度法計算得到。首先，需要利用探空火箭測量的溫度、濕度廓線計算大氣修正折射率，即

式中：P為氣壓；T為絕對溫度；e為水氣壓；z為地面以上高度。本研究采用大氣修正折射率梯度判別大氣波導，當＜0時，大氣出現陷獲折射，即表示出現大氣波導。大氣波導的強度用△M 表示，它表示陷獲電磁波的能力，△M＝M2-M1，其中M2、M1 分別為陷獲層頂層和陷獲層底層的大氣修正折射率。

2.2 電磁波傳播評估方法

電磁波傳播評估方法采用拋物數值方程模型，前人通過對電磁波傳播的海姆霍茲波動方程做拋物近似處理，得到了電磁波傳播的拋物近似數值方程［10～11］，并形成了相應的數值方程模式得到了廣泛應用［12］。本研究繼續沿用其模式，其基本方程為

式中：u(x，z)為電場強度；x，z分別為笛卡爾坐標中的距離和高度；n為大氣折射率；k為自由空間的波數。利用這一模式可以計算電磁波在大氣波導環境下的單程傳播損耗的空間分布從而得到具體探測概率空間分布特征，最后判斷雷達探測距離。

3 表面波導對雷達探測影響分析

15 時的探空火箭測量的溫度、濕度和大氣修正折射率廓線如圖1 所示，由大氣修正折射率廓線可知表面波導高為506m，大氣修正折射率為338M，陷獲層底高度為402m，大氣波導修正折射率為406M，表面波導強度為-68M，強度較高。利用該時刻大氣波導數據，使用某型導航雷達和對海搜索雷達參數，天線位于20m 高度，計算雷達對中型艦艇和小型艦艇的探測效果（見圖2）。

圖1 3月某日15時溫度、濕度、大氣修正折射率廓線

在標準大氣的情況下，對海搜索雷達對艦艇探測的距離一般約為60km。由圖2（a）可見，在該表面波導條件下，對海搜索雷達對小型艦艇的探測距離可以達到300km，僅有較小的跳躍盲區。而對海搜索雷達對中型艦艇的探測距離（圖2（b））可以覆蓋300km且沒有跳躍盲區。

在該表面波導條件下，導航雷達對小型艦艇的探測效果較差（圖2（a）），在20m 的高度僅能探測40km 左右，雖然產生了超視距探測，但雷達探測概率很低，不足以發現目標。而導航雷達對中型艦艇的探測距離（圖3（b））可達200km 左右，但60km～100km 的區域有一段跳躍盲區會對探測效果產生影響。

4 抬升波導對雷達探測影響分析

圖4為19時的探空火箭測量的溫度、濕度和大氣修正折射率廓線。抬升波導高為670m，大氣修正折射率為425M，陷獲層底高度為531m，大氣波導修正折射率為382M，該表面波導的強度為-43M，強度較高。利用該時刻大氣波導與雷達參數可計算雷達對中型艦艇和小型艦艇探測效果，由于波導強度和高度的原因，雷達對艦艇探測未發生超視距現象，因此只展示兩種雷達對中型艦艇探測效果（見圖5）。

圖4 3月某日19時溫度、濕度、大氣修正折射率廓線

圖5 抬升波導條件下雷達探測效果

在該抬升波導條件下，對海搜索雷達和導航雷達都未發生超視距探測現象，且探測距離大致相同（圖5），在20m高度雷達的探測距離大致為40km。

5 波導特征量改變對雷達探測影響分析

通過改變波導特征量分析對海搜索雷達對中型艦艇探測距離的變化，找到產生超視距探測的波導強度和高度的臨界值。

5.1 改變波導強度特征量

通過改變15 時表面波導頂的大氣修正折射率，高度保持不變，研究對海搜索雷達對中型艦艇探測效果變化，結果如圖6 所示。為直觀反映強度變化，將修護改后的大氣修正折射率廓線進行對比（圖6（a））。

圖6 不同波導強度對海搜索雷達探測效果

圖6（b）波導頂大氣修正折射率為360M，此時該表面波導的強度為-46M。可以發現當波導強度降低時雷達的跳躍盲區增大，同時超視距探測范圍縮小。將波導頂大氣修正折射率更改為372M，此時該表面波導的強度為-36M，如圖6（c）所示，此時達到超視距探測臨界值，超視距探測效果消失。

5.2 改變波導高度特征量

通過改變19 時抬升波導頂和陷獲層的高度，保持強度不變，研究對海搜索雷達對中型艦艇探測效果變化，大氣修正折射率廓線對比如圖7（a）所示。

圖7 不同高度波導下對海搜索雷達探測效果

圖7（b）波導頂高度為563m，在波導高度為670m 時無法產生超視距探測現象，而波導高度降低后，雷達的探測距離增加，在160km～240km 處出現了超視距探測現象。繼續將波導頂的高度更改至598m 后，如圖7（b）所示，此時超視距探測現象消失，達到了超視距探測的臨界高度。

6 結語

綜上可知，抬升波導和表面波導對雷達探測艦艇有顯著的影響，可以使雷達在基礎探測的距離上增加超視距探測距離，具體的效果變化與波導的強度和高度有關。

當改變波導的高度和強度時，探測效果有明顯變化。對于表面波導，在波導頂高度為506m時，強度減弱至-36M 達到雷達超視距探測的臨界值，雷達的超視距探測能力消失；對于抬升波導，在波導強度為-43M 時，波導高度高于600m 后達到雷達超視距探測的臨界值。本研究使用的兩次大氣波導數據為阿拉伯海的典型波導現象，其生成原因是由于阿拉伯海受東北季風影響，陸地上的暖干空氣與海水冷濕下墊面相結合導致。因此在阿拉伯海東北季風盛行季節，該類型大氣波導產生概率極高。因此當艦艇在阿拉伯海相關區域活動時，遇到類似的波導現象可加以利用實現雷達對艦艇的超視距探測。本研究不足之處在于使用數據量有限，今后應該使用更多數據研究其普遍性。