阿拉伯海典型大氣波導(dǎo)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(xué)院 大連 116018）

1 引言

大氣波導(dǎo)對電磁波傳播具有陷獲作用，在波導(dǎo)環(huán)境下電磁波的傳播方式獨特，對雷達探測等系統(tǒng)有重要影響。大氣波導(dǎo)通常分為表面波導(dǎo)、抬升波導(dǎo)和蒸發(fā)波導(dǎo)三種類型，不同類型大氣波導(dǎo)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(dǎo)可發(fā)生的海域廣闊，時間不定，因此雷達探測受大氣波導(dǎo)影響的研究亟待加強［3］。前人對此已經(jīng)做過較多研究，姚展予等［4］分析不同大氣波導(dǎo)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(shù)學(xué)模型分析大氣波導(dǎo)對電磁波的陷獲作用，并用實驗數(shù)據(jù)驗證其有效性。王華等［6～7］進一步研究表面波導(dǎo)對雷達探測和艦機數(shù)據(jù)通信鏈的影響，發(fā)現(xiàn)了大氣波導(dǎo)強度與雷達探測的定性關(guān)系。劉靜［8］通過研究雷達探測設(shè)備為船載電子信息系統(tǒng)提供精準(zhǔn)分析結(jié)果。但目前并沒有研究通過改變波導(dǎo)特征量分析波導(dǎo)對雷達探測影響。本文主要針對大氣波導(dǎo)環(huán)境下的雷達探測特征，利用電磁波傳播模式［9］構(gòu)建雷達探測的評估方法，通過仿真的手段分析了表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)對雷達探測的影響，并通過改變波導(dǎo)的高度和強度分析導(dǎo)航雷達和對海搜索雷達對艦艇的探測效果。

2 數(shù)據(jù)及方法

2.1 大氣波導(dǎo)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(shù)據(jù)。

表面/抬升波導(dǎo)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(dǎo)，當(dāng)＜0時，大氣出現(xiàn)陷獲折射，即表示出現(xiàn)大氣波導(dǎo)。大氣波導(dǎo)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(shù)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(shù)值方程［10～11］，并形成了相應(yīng)的數(shù)值方程模式得到了廣泛應(yīng)用［12］。本研究繼續(xù)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(biāo)中的距離和高度；n為大氣折射率；k為自由空間的波數(shù)。利用這一模式可以計算電磁波在大氣波導(dǎo)環(huán)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(dǎo)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(dǎo)高為506m，大氣修正折射率為338M，陷獲層底高度為402m，大氣波導(dǎo)修正折射率為406M，表面波導(dǎo)強度為-68M，強度較高。利用該時刻大氣波導(dǎo)數(shù)據(jù)，使用某型導(dǎo)航雷達和對海搜索雷達參數(shù)，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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(qū)。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(qū)。

在該表面波導(dǎo)條件下，導(dǎo)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(chǎn)生了超視距探測，但雷達探測概率很低，不足以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。而導(dǎo)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(qū)域有一段跳躍盲區(qū)會對探測效果產(chǎn)生影響。

4 抬升波導(dǎo)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(dǎo)高為670m，大氣修正折射率為425M，陷獲層底高度為531m，大氣波導(dǎo)修正折射率為382M，該表面波導(dǎo)的強度為-43M，強度較高。利用該時刻大氣波導(dǎo)與雷達參數(shù)可計算雷達對中型艦艇和小型艦艇探測效果，由于波導(dǎo)強度和高度的原因，雷達對艦艇探測未發(fā)生超視距現(xiàn)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(dǎo)條件下雷達探測效果

在該抬升波導(dǎo)條件下，對海搜索雷達和導(dǎo)航雷達都未發(fā)生超視距探測現(xiàn)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(dǎo)特征量改變對雷達探測影響分析

通過改變波導(dǎo)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(chǎn)生超視距探測的波導(dǎo)強度和高度的臨界值。

5.1 改變波導(dǎo)強度特征量

通過改變15 時表面波導(dǎo)頂?shù)拇髿庑拚凵渎?，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(jié)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(dǎo)強度對海搜索雷達探測效果

圖6（b）波導(dǎo)頂大氣修正折射率為360M，此時該表面波導(dǎo)的強度為-46M?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)波導(dǎo)強度降低時雷達的跳躍盲區(qū)增大，同時超視距探測范圍縮小。將波導(dǎo)頂大氣修正折射率更改為372M，此時該表面波導(dǎo)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(dǎo)高度特征量

通過改變19 時抬升波導(dǎo)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(dǎo)下對海搜索雷達探測效果

圖7（b）波導(dǎo)頂高度為563m，在波導(dǎo)高度為670m 時無法產(chǎn)生超視距探測現(xiàn)象，而波導(dǎo)高度降低后，雷達的探測距離增加，在160km～240km 處出現(xiàn)了超視距探測現(xiàn)象。繼續(xù)將波導(dǎo)頂?shù)母叨雀闹?98m 后，如圖7（b）所示，此時超視距探測現(xiàn)象消失，達到了超視距探測的臨界高度。

6 結(jié)語

綜上可知，抬升波導(dǎo)和表面波導(dǎo)對雷達探測艦艇有顯著的影響，可以使雷達在基礎(chǔ)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(dǎo)的強度和高度有關(guān)。

當(dāng)改變波導(dǎo)的高度和強度時，探測效果有明顯變化。對于表面波導(dǎo)，在波導(dǎo)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(dǎo)，在波導(dǎo)強度為-43M 時，波導(dǎo)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(dǎo)數(shù)據(jù)為阿拉伯海的典型波導(dǎo)現(xiàn)象，其生成原因是由于阿拉伯海受東北季風(fēng)影響，陸地上的暖干空氣與海水冷濕下墊面相結(jié)合導(dǎo)致。因此在阿拉伯海東北季風(fēng)盛行季節(jié)，該類型大氣波導(dǎo)產(chǎn)生概率極高。因此當(dāng)艦艇在阿拉伯海相關(guān)區(qū)域活動時，遇到類似的波導(dǎo)現(xiàn)象可加以利用實現(xiàn)雷達對艦艇的超視距探測。本研究不足之處在于使用數(shù)據(jù)量有限，今后應(yīng)該使用更多數(shù)據(jù)研究其普遍性。