岸海交界處微波雷達(dá)超視距探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究

劉愛(ài)國(guó) 察 豪 周 沫

(海軍工程大學(xué)海洋電磁環(huán)境研究所,湖北 武漢 430033)

引 言

海上蒸發(fā)波導(dǎo)是由于海面水汽蒸發(fā)，致使海面大氣相對(duì)濕度隨高度銳減而形成的一種大氣波導(dǎo)現(xiàn)象.蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)的概率高，分布地域廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)[1-4].受其影響，工作于海面上的微波雷達(dá)系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)超視距探測(cè)現(xiàn)象.目前，利用蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)成為微波雷達(dá)探測(cè)效能的倍增器，大大增強(qiáng)了其探測(cè)威力，而如何主動(dòng)利用海上蒸發(fā)波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)微波雷達(dá)的超視距探測(cè)也成為現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)一個(gè)新的研究方向.

對(duì)海岸基警戒監(jiān)視雷達(dá)是海岸警戒監(jiān)視系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分.由于受地球曲率的限制，常規(guī)雷達(dá)為了增大對(duì)海面目標(biāo)的探測(cè)距離，往往選擇離海平面比較高的高山或海島進(jìn)行架設(shè)，因此其架設(shè)地點(diǎn)受海岸地形的限制.利用蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)雷達(dá)電磁波傳播的影響，微波雷達(dá)不需要很高的架設(shè)高度，就能實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)，在蒸發(fā)波導(dǎo)較高的條件下，其對(duì)海面和低空目標(biāo)的探測(cè)距離往往可達(dá)數(shù)百公里.因此，研究利用蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)岸基微波雷達(dá)的超視距探測(cè)，具有較強(qiáng)的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(jìn)行了岸海交界處微波雷達(dá)超視距探測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了岸基微波雷達(dá)超視距探測(cè)的可行性和有效性.

1 實(shí)驗(yàn)原理

微波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)，主要利用海上出現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)時(shí)電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的超視距陷獲傳播現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn).當(dāng)海面上出現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)時(shí)，電磁波會(huì)出現(xiàn)陷獲傳播，此時(shí)電磁波在海面附近對(duì)流層大氣中的傳播類似于其在金屬波導(dǎo)管內(nèi)的傳播，其傳播損耗會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其在自由空間內(nèi)傳播時(shí)的傳播損耗，結(jié)果使雷達(dá)出現(xiàn)超視距探測(cè)現(xiàn)象.因此對(duì)海上蒸發(fā)波導(dǎo)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以判斷雷達(dá)能否出現(xiàn)超視距探測(cè)現(xiàn)象，而超視距探測(cè)條件下雷達(dá)探測(cè)威力則取決于電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的傳播損耗，可以用基于電磁波傳播模型的雷達(dá)最大探測(cè)距離預(yù)報(bào)模型進(jìn)行預(yù)報(bào).

1.1 蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報(bào)的P-J模型

對(duì)海上蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)報(bào)，可以用Paulus-Jeske模型(P-J模型)來(lái)進(jìn)行.P-J模型的主要原理是通過(guò)測(cè)量某一參考高度上的大氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速以及海水表面溫度等氣象參數(shù)，通過(guò)Monin-Obukhov相似理論，進(jìn)行迭代計(jì)算得到蒸發(fā)波導(dǎo)高度d，再利用式(1)計(jì)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(zhǎng)度；Φ(z)為普適函數(shù)，根據(jù)大氣層結(jié)情況取值.

對(duì)穩(wěn)定層結(jié),

(2)

對(duì)不穩(wěn)定層結(jié),

(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(dòng)方程的拋物型近似，在直角坐標(biāo)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(chǎng)或磁場(chǎng)的幅度函數(shù)；k為自由空間波數(shù)；n(x,z)為大氣折射率指數(shù)；ae為有效地球半徑.

求解PE時(shí)，將天線處的輻射場(chǎng)作為初始場(chǎng)，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(shù).利用Miller-Brown模型，粗糙表面反射系數(shù)為[7]

R=R0exp(-ζ)I0(iζ)，

(10)

(11)

式中：R0為光滑表面反射系數(shù)； I0為零階Bessel函數(shù)；λ為電磁波波長(zhǎng)；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(jì)算區(qū)域的場(chǎng)值計(jì)算.

大氣環(huán)境對(duì)電磁波傳播的影響，數(shù)值上一般用傳播因子來(lái)表示.利用拋物方程計(jì)算傳播因子F可利用式(14)進(jìn)行計(jì)算[8]為

(14)

式中：x為距雷達(dá)的距離m；u(x)為拋物方程(7)的解.

1.3 雷達(dá)最大探測(cè)距離計(jì)算模型

計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)條件下，微波雷達(dá)對(duì)海上艦船目標(biāo)的最大探測(cè)距離時(shí)，采用下列形式的雷達(dá)距離方程[9]為

(15)

式中：Pt為發(fā)射機(jī)發(fā)射功率,W;Pr為接收機(jī)接收功率,W；G為雷達(dá)天線增益；λ為工作波長(zhǎng),m；σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積,m2；F為傳播因子；R為目標(biāo)距雷達(dá)距離,m；Ls為系統(tǒng)損耗；La為大氣吸收損耗；p(z)為目標(biāo)雷達(dá)散射截面積 (Radar Cross-Section,RCS)在垂直高度上的分布密度函數(shù).若設(shè)目標(biāo)最高點(diǎn)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(dá)接收到的目標(biāo)回波功率，則雷達(dá)方程變?yōu)?/p>

(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(shí)的單程損耗，單位為dB.

雷達(dá)接收機(jī)靈敏度Simin可由發(fā)現(xiàn)概率、虛警概率和雷達(dá)參數(shù)決定，當(dāng)Pr=Simin，有R=Rmax，定義單程損耗門限

(19)

則當(dāng)L(R)=LT，有R=Rmax，即得到雷達(dá)對(duì)海面目標(biāo)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離.

2 實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)根據(jù)電磁波在蒸發(fā)波導(dǎo)內(nèi)的傳播特性決定.存在蒸發(fā)波導(dǎo)時(shí)，電磁波能陷獲傳播的兩個(gè)必要條件是其工作頻率必須大于蒸發(fā)波導(dǎo)截止頻率，發(fā)射仰角要小于蒸發(fā)波導(dǎo)穿透角.而蒸發(fā)波導(dǎo)高度越低，其截止頻率越大.綜合考慮雷達(dá)常用工作頻率和蒸發(fā)波導(dǎo)截止頻率的限制，實(shí)驗(yàn)雷達(dá)工作頻段選為X波段，天線仰角設(shè)為0°.根據(jù)前期研究的結(jié)論[10]：存在蒸發(fā)波導(dǎo)時(shí)，X波段微波超視距雷達(dá)天線最優(yōu)架設(shè)高度為5～10 m，以及架設(shè)點(diǎn)的地理?xiàng)l件，實(shí)驗(yàn)雷達(dá)天線架高最終設(shè)為8 m.而蒸發(fā)波導(dǎo)P-J預(yù)報(bào)模型要求輸入海表溫度和海面6 m高處的氣溫、相對(duì)濕度以及風(fēng)速，因此海面環(huán)境數(shù)據(jù)采集器的架設(shè)高度設(shè)為6 m.

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方案，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由一部岸基X波段微波雷達(dá)、一套海面環(huán)境氣象水文數(shù)據(jù)采集器以及裝載有雷達(dá)探測(cè)威力預(yù)報(bào)軟件系統(tǒng)的一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)組成.X波段岸基微波雷達(dá)用于對(duì)海面目標(biāo)的搜索和觀測(cè)，海面氣象水文環(huán)境數(shù)據(jù)采集器架設(shè)在岸海交界處，用于采集海面6 m高處的大氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向以及海水表面溫度等氣象水文環(huán)境參數(shù)，以便用于蒸發(fā)波導(dǎo)的預(yù)報(bào).采集得到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳回位于雷達(dá)控制臺(tái)處的雷達(dá)威力預(yù)報(bào)系統(tǒng).威力預(yù)報(bào)系統(tǒng)根據(jù)接收到的環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)行當(dāng)前環(huán)境條件下蒸發(fā)波導(dǎo)高度和強(qiáng)度的預(yù)報(bào)，并進(jìn)一步根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)合雷達(dá)工作參數(shù)進(jìn)行雷達(dá)最大探測(cè)距離的計(jì)算.計(jì)算結(jié)果與雷達(dá)實(shí)際最大探測(cè)距離進(jìn)行比對(duì)，以確定雷達(dá)超視距探測(cè)的可行性和有效性.

X波段微波雷達(dá)系統(tǒng)架設(shè)于岸邊，其主要工作參數(shù)為：工作波段為X波段，雷達(dá)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(fā)射功率為12 kW，天線增益40 dB.環(huán)境氣象水文數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要由紅外海表溫度傳感器、Met PakⅡ型自動(dòng)氣象站和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成.紅外傳感器用來(lái)測(cè)量海水表面溫度，Met PakⅡ型自動(dòng)氣象站則測(cè)量大氣溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向以及氣壓等大氣參數(shù).無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備則將采集得到的氣象水文參數(shù)傳回威力預(yù)報(bào)系統(tǒng).各氣象測(cè)量?jī)x器的測(cè)量范圍和精度如表1所示.

表1 氣象水文測(cè)量?jī)x指標(biāo)

2.2 實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)架設(shè)于江蘇濱海海域的岸海交界處，架設(shè)點(diǎn)周圍地勢(shì)開闊，無(wú)明顯遮擋.岸基雷達(dá)架設(shè)于海堤上，面朝大海，離海面的水平距離不超過(guò)15 m.雷達(dá)天線架高設(shè)為8 m，海面氣象水文環(huán)境數(shù)據(jù)采集器架設(shè)在海邊，與雷達(dá)的直線距離小于1 000 m，架設(shè)高度為離海面6 m高.觀測(cè)的目標(biāo)為來(lái)往于上海至青島航線上的大型商船，在計(jì)算時(shí)，均認(rèn)為其RCS為10 000 m2.進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，雷達(dá)天線工作于環(huán)掃狀態(tài)，以天線環(huán)掃十圈為一個(gè)計(jì)數(shù)單位，在十圈掃描中若只有五圈有目標(biāo)回波，則認(rèn)為此時(shí)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)概率只有50%，此時(shí)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)距離達(dá)到最遠(yuǎn).

圖1 雷達(dá)最大作用距離實(shí)際觀測(cè)值

整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，觀測(cè)得到的雷達(dá)最大探測(cè)距離數(shù)據(jù)共有40組，如圖1所示.由圖1可見，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間，雷達(dá)的最大探測(cè)距離觀測(cè)值隨實(shí)際氣象水文環(huán)境的變化而不同，實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)的分布區(qū)間為雷達(dá)視距內(nèi)到雷達(dá)最大顯示量程，即300 km.以雷達(dá)天線架高8 m，海上大型商船的高度為20 m進(jìn)行估計(jì)，則標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下雷達(dá)視距約為30 km.從圖1可見，大部分實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)均超過(guò)了雷達(dá)視距.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，40組實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)中超過(guò)視距的數(shù)據(jù)有38組，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間超視距探測(cè)現(xiàn)象的發(fā)生概率達(dá)到95%，而其中最大探測(cè)距離超過(guò)100 km的觀測(cè)數(shù)據(jù)有19組，占整個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的47.5%.實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明：利用海上蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)岸基雷達(dá)的超視距探測(cè)是可行的，而發(fā)生超視距探測(cè)時(shí)雷達(dá)的最大探測(cè)距離取決于目標(biāo)類型和海上蒸發(fā)波導(dǎo)的強(qiáng)弱.

由于氣象水文環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架設(shè)于岸海交界處，因此認(rèn)為只有當(dāng)風(fēng)從海面上吹來(lái)時(shí)大氣中攜帶的信息才能表示真實(shí)的海上大氣環(huán)境信息，其采集得到的環(huán)境氣象水文數(shù)據(jù)才為有效，雷達(dá)威力預(yù)報(bào)系統(tǒng)才進(jìn)行最大探測(cè)距離預(yù)報(bào).據(jù)此判據(jù)，按照同一時(shí)刻既有雷達(dá)威力預(yù)報(bào)結(jié)果又有雷達(dá)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選，得到有效數(shù)據(jù)為25組，如圖2(a)所示，圖2(b)給出了理論預(yù)報(bào)值與實(shí)際觀測(cè)值之間的偏差，兩圖的橫坐標(biāo)均為對(duì)應(yīng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)到的蒸發(fā)波導(dǎo)高度.

(a) 預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值

(b) 預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值的差別圖2 最大探測(cè)距離的理論預(yù)報(bào)值和實(shí)際觀測(cè)值示意圖

由圖2中數(shù)據(jù)可見，雷達(dá)最大探測(cè)距離的理論預(yù)報(bào)值與實(shí)際觀測(cè)值存在偏差，但偏差部分大部分在40 km以內(nèi).經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在25組有效預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)中，預(yù)報(bào)結(jié)果與雷達(dá)實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)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(dá)最大探測(cè)距離理論預(yù)報(bào)值與實(shí)際觀測(cè)值存在偏差的原因主要有以下幾個(gè)：

1) 觀測(cè)目標(biāo)RCS不能準(zhǔn)確預(yù)估.由于觀測(cè)目標(biāo)為海上商船，為非合作目標(biāo)，其RCS的準(zhǔn)確大小和在垂直高度上的分布均未知，而且目標(biāo)的RCS還與其姿態(tài)角相關(guān)，這些因素造成目標(biāo)RCS預(yù)估的困難，在理論計(jì)算時(shí)，預(yù)估得到的目標(biāo)RCS與其實(shí)際RCS之間的偏差會(huì)給雷達(dá)最大探測(cè)距離的預(yù)報(bào)帶來(lái)較大偏差，尤其在蒸發(fā)波導(dǎo)較強(qiáng)的條件下，是影響理論預(yù)報(bào)精度的一個(gè)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(jiǎn)單.在理論計(jì)算時(shí)，假設(shè)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(shè)也許可以成立，但在岸海交界處，受陸地氣候的影響，對(duì)流層大氣的變化更為劇烈，因此蒸發(fā)波導(dǎo)折射率剖面水平分布不均勻性更為嚴(yán)重，此時(shí)大氣折射率剖面在水平上均勻分布的假設(shè)會(huì)帶來(lái)計(jì)算誤差.

3) 海面粗糙度對(duì)電磁波傳播的影響描述還不夠精確.海浪對(duì)電磁波傳播的影響是通過(guò)Miller-Brown模型，將下邊界作為粗糙海面，利用拋物方程模型來(lái)描述的，但這一模型沒(méi)有考慮海面遮蔽效應(yīng)對(duì)電磁波傳播的影響[11]，這會(huì)給電磁波傳播損耗的計(jì)算帶來(lái)誤差，進(jìn)而影響雷達(dá)最大探測(cè)距離的預(yù)報(bào).

4) 電磁波傳播的拋物方程模型是波動(dòng)方程的簡(jiǎn)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(huì)給電磁波傳播損耗的計(jì)算帶來(lái)誤差，降低雷達(dá)最大探測(cè)距離預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度.

上述因素所造成的誤差均會(huì)給理論模型預(yù)報(bào)值帶來(lái)偏差.雷達(dá)最大探測(cè)距離預(yù)測(cè)偏差的減小有待上述問(wèn)題的進(jìn)一步研究來(lái)解決.

雖然存在較多的因素會(huì)影響雷達(dá)最大探測(cè)距離的預(yù)報(bào)精度，但實(shí)驗(yàn)觀測(cè)表明，雷達(dá)最大探測(cè)距離的理論預(yù)報(bào)值與實(shí)際觀測(cè)值雖然存在偏差，但偏差不大，利用架設(shè)在岸海交界處的氣象水文環(huán)境數(shù)據(jù)采集器來(lái)采集環(huán)境信息，對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)發(fā)生情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，進(jìn)而預(yù)測(cè)雷達(dá)最大探測(cè)距離，是可行的.這可以為岸基雷達(dá)的超視距探測(cè)使用提供輔助決策依據(jù).

3 結(jié) 論

岸基警戒監(jiān)視雷達(dá)作為對(duì)海警戒監(jiān)視的一種重要設(shè)備，在海岸警戒、海上緝私等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用.但常規(guī)岸基警戒監(jiān)視雷達(dá)由于受地球曲率的限制，為了增大最大探測(cè)距離，其對(duì)架設(shè)地點(diǎn)海拔高度的要求較高，因此其架設(shè)經(jīng)常受到沿海地形的限制.本次岸海交界處微波雷達(dá)超視距探測(cè)實(shí)驗(yàn)研究表明，利用海上蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象，岸基微波雷達(dá)可以突破地球曲率的限制，在較低的架設(shè)高度上也可實(shí)現(xiàn)對(duì)海上艦船目標(biāo)和低空飛行目標(biāo)的超視距探測(cè)，岸基微波雷達(dá)在瀕海地區(qū)進(jìn)行超視距探測(cè)具有現(xiàn)實(shí)的可行性.具有超視距探測(cè)能力的岸基微波雷達(dá)其探測(cè)覆蓋范圍廣，最大探測(cè)距離遠(yuǎn)，對(duì)架設(shè)地點(diǎn)的要求比較寬松，可以作為常規(guī)岸基警戒雷達(dá)的有益補(bǔ)充.如何更好的利用海上蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象，以增強(qiáng)岸基微波雷達(dá)的超視距探測(cè)能力，值得進(jìn)一步研究.

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