基于对流层散射的舰载超视距侦察技术分析

王 澍

（船舶重工集团公司723所，扬州225001）

0 引 言

早在20世纪50年代，利用对流层散射实现远距离信号传输就引起广泛的研究，由于通信距离远、抗核爆炸能力强、通信保密好、不易被干扰等优点，受到各国重视［1］。到20世纪末，为了探测到数百千米外的航母编队舰载、机载雷达信号，利用对流层散射实现超视距被动探测有了较快的发展，出现了一些新装备，如乌克兰的“铠甲”系统、捷克的SDD电磁信号监视系统以及俄罗斯的“米涅拉尔”舰载主／被动超视距雷达系统等。

乌克兰的“铠甲”信号情报监视系统的知名度较高，是一种车载微波超视距侦察设备，2000年完成研制并批量生产，出口到很多国家。系统由2～3个站组成，采用分频段天线，窄波束搜索，单脉冲比幅测向，系统灵敏度达－115dBm，频段覆盖130MHz～18GHz，对频段低端的特定雷达信号，侦察距离可达600km，采用三角定位原理完成对目标的定位，图1为“铠甲”系统的图片。

图1 “铠甲”信号情报监视系统图片

在舰载超视距探测方面，20世纪末俄罗斯研制了“米涅拉尔”主／被动超视距雷达，其主动雷达利用大气波导效应探测视距外目标，在良好的大气波导条件下，主动雷达探测距离可达200km左右。被动探测则利用对流层散射实现，对L波段特定的雷达信号，探测距离可达450km左右，还可多舰协同实现三角定位。图2为安装了“米涅拉尔”的俄军舰图片，天线位于军舰驾驶室上方的钟形天线罩内。

图2 安装了“米涅拉尔”的军舰图片

上述系统属于20世纪末或21世纪初的产品，多采用模拟接收体制，频域上瞬时带宽较窄，方位上采用机械旋转窄波束搜索，因此对信号的截获概率较低。近年来，随着数字接收技术的不断发展，一些新的处理技术，如数字波束形成（DBF）技术，相关积累处理技术，使得侦察灵敏度、频带宽度、截获概率都有显著提高，可望实现更远的被动探测能力。

1 对流层散射特征

受地球曲率的影响，在平坦的地表面或海面，雷达对海上目标的探测距离只能达到通视距离：

式中：D为电磁波的视距（km）；h1和h2分别为雷达天线架设的高度和被探测目标的高度（m）。

以舰载雷达为例，假定目标高度25m、雷达天线高度25m，由式（1）得到D＝41.2km。因此，一般舰载雷达对海探测距离在40km左右，而舰载侦察设备对敌方舰载雷达的侦察距离也大体相同。

利用大气波导和对流层散射都可以实现超视距侦察功能［2］，但二者的机理和效果是不同的。

由于大气中不同高度的温度和湿度不同，在一定的大气条件下，电磁波可能产生超折射，形成大气波导现象，电磁波以连续折射方式传播，同在金属波导管中传播的情况相似，这种现象在海上比较常见，大气波导的顶部离海面高约40m。电磁波在大气波导中的传播损耗较小，传播距离较远，借助这种现象，既可以实现主动雷达对目标的探测，也可以对远距离雷达实施被动侦察。

对流层是指大气中的低层，通常指地面起到高度（13±5）km的范围。由于温度、湿度和气压的变化，对流层中存在大气湍流运动。对流层散射的机理包括大气湍流非相干散射、不规则层非相干反射和稳定层相干反射3种机理，不同频段主要起作用的机理也有所不同。由于这些因素大大增加了传播距离，其典型传播距离可以达到600km以上。图3为对流层散射传播的几何示意图。

图3 对流层散射传输几何示意图

对流层中始终充斥着不均匀的散射体，一年四季均可以利用，传输的可靠度高；对流层散射以前向散射为主，其它方向散射极弱，也就是说，发射波束和接收波束必须在同一平面内，因此保密性好；从频域上看，从100MHz直到X波段都可以利用对流层散射传输。

2 对流层散射传输损耗

对流层散射传输损耗和对流层中的不均匀体的散射特性、天线介质耦合效应及地面反射效应等有关。一般假定天线的指向都处于最佳状态，不考虑天线指向偏离损耗，只考虑基本传输损耗、天线介质耦合损耗、大气吸收损耗、地面反射效应损耗等。

由于对流层受地域环境、地面条件的影响，不同地点、不同时间的散射传输损耗相差较大；而且同一地域在不同时段、不同温度湿度条件下，散射体不断变化，传输损耗也相应变化。

正因为如此，对流层散射传输损耗一般是根据理论分析结合各地的试验数据统计，给出半经验公式，是一种损耗中值的预测结果，包括短期中值传输损耗和长期中值传输损耗。所谓短期中值损耗，通常指几分钟到1h内，50%的时间损耗瞬时值超过的值；而长期中值损耗则是指在较长的时间（日、月、年）内，50%的短期中值损耗超过的值。很多国家的学者都曾给出不同的算法，中国和美国学者分别提出的3种预测方法受到国际电信联盟（CCIR）的推荐，中国学者1988年提出的方法如下［3］：

式中：L（q）为q%时间不超过的小时中值传输损耗（dB）；f为工作频率（MHz）；d 为圆弧的路径长度（km）；θ为收发信号射线间夹角（mrad）；H 为最低散射点至收发天线间连线的垂距（km）；h＝10－6θ2ae／8km；ae为等效地球半径；Lc为天线介质耦合损耗（dB），这是由于发射信号的各个分量在传播过程中的路径不同，到达接收天线的相位也不同，导致天线的口面利用系数降低；M，γ为和地域有关的大气参数，不同地域相差较大，大致将全球分为7类地区，按照我国东南沿海海域的计算条件，M＝26dB，γ＝0.27km－1；C（q）为统计参数，它和q的关系如表1所示。

表1 C（q）的值

Y（90）＝L（50）－L（90）表示传输损耗差值。对于我国海域的气候类型，有：

如果取q＝50，则式（3）的最后一项为0，即50%时间不超过的小时中值传输损耗为：

图4给出基本传输损耗中值L（50）和频率、路径长度的关系曲线，未包含天线介质耦合损耗Lc，它和收、发天线增益之和Gt＋Gr增益有关，假定Gt＋Gr＝60dB，Lc≈1.9dB。若天线增益较低，Lc可以忽略。

从图4可以看出，基本传输损耗和频率的三次方成正比，频率提高1倍，传输损耗增加约9dB，距离每增加100km，传输损耗增加约6～8dB。

除此之外，还有大气吸收损耗和地面反射效应损耗。多数文献认为，频率低于10GHz时大气吸收损耗可以不计，但若距离过远，吸收损耗并不能完全忽略，可参考文献［4］给出的大气吸收损耗的近似公式。

文献［5］指出，在光滑的地球表面，当天线架设高度大于30个波长时，由于地面反射效应引起的天线低架损耗一般可以忽略不计。

图4 基本传输损耗中值L（50）和频率、距离的关系曲线

3 信号的统计特性

由于受气流和温度的影响，散射体处于不断变化的状态，信号传输呈现快衰落和慢衰落现象。

快衰落是由于不均匀体的随机变化导致的多路径效应引起的，在几秒钟、几分钟时间内，电平快速变化，信号包络瞬时值的分布函数为广义瑞利分布，衰落的深度约10dB量级。

慢衰落完全是由气象状态所决定的，其变化周期有几小时、几天或季度。由于早晚、冬夏的大气结构不同，传输损耗也不同。通常一天中，信号最强的时间是在午夜到早晨之间，信号最弱的时间是12～18时之间。一年之中，信号电平最强的月份是6～9月，最弱的月份是12～4月。

文献［6］给出我国某地一天内的小时中值传输损耗实测结果，在110km的传输线路上，小时到小时的损耗变化幅度一般在5dB以内，昼夜变化幅度达30dB，而在220km和410km的线路，小时到小时的变化幅度一般在3dB以内，昼夜变化幅度只有约10dB。从其变化规律可以看出，昼夜变化的幅度和传输距离有关，距离远的变化幅度小，这对于远距离侦察来说无疑是有利的。

慢衰落的幅度满足对数正态分布，即功率的分贝数接近正态分布，信号电平小于x的概率：

式中：xm为信号电平的平均值，也是中值；σ为标准偏差。

概率积分为：

实际常用的是传输可靠度q（x）%，它是信号电平超过x的概率，根据式（7），有：

相对于中值的电平变化，Y＝x－xm的分布为：

利用式（10）可以根据系统灵敏度来预测侦察的可靠度，较高的灵敏度余量可以使得接收的可靠度更高，但是即使侦察接收机灵敏度低于要求的灵敏度达10dB时，也有可能以一定的概率截获雷达信号。

4 舰载侦察设备实现超视距侦察应重视的技术问题

4.1 超视距侦察的技术局限性

对流层散射的基本传输损耗和频率的三次方成正比，频率越高，传输损耗越大。在600km的距离上，对于1GHz频段的雷达信号，不考虑天线安装高度，基本传输损耗约220～230dB。若雷达发射功率1MW，雷达天线增益25dB，则到达侦察天线口面的等效功率为－115dBm，这样的灵敏度要求还是比较容易实现的。若雷达信号频率提高到6GHz，基本传输损耗将增加23dB，其它参数不变，到达侦察天线口面的等效功率只有－138dBm，这样弱的信号侦收难度就大一些。也就是说，对于工作在C波段以上频率的雷达，侦收距离要近得多。

传输损耗还和收发信号射线间夹角θ的三次方成正比，而θ又直接和收发天线的波束仰角和安装高度有关。文献［7］认为，夹角θ每升高1°，传输损耗约增加10dB，文中还分析了最佳仰角问题，它和天线仰角波束宽度等因素有关，典型值为零点几度。由此看出，要对敌方雷达进行超视距侦察，其限制条件是雷达必须具有水平波束，也就是说，侦收敌方的对海（或低空）大功率警戒雷达效果较好，若雷达的波束指向空中，则较难侦测。另一方面，若敌方雷达架设在高山上，自然夹角θ降低，传输损耗下降，侦收效果好。从这个意义上说，敌方预警机的雷达是最容易侦收的目标，雷达高度达数千米，视距本身就达300km以上，而且信号射线间夹角θ较低，传输损耗小，侦收距离可达1 000km左右。

由于对流层散射的衰落特性，在超视距范围的目标，传播损耗的起伏达10～30dB，要求接收机能够适应信号的衰落特性，而且不易受到其它强度较大信号的照射而饱和，影响弱信号的侦收，接收机应具有较宽的瞬时动态范围，在这方面，采用阵列接收的DBF技术具有一定的优势。

4.2 适应舰船的安装条件

和陆用超视距侦察设备的使用环境相比，舰载侦察设备所面对的环境要恶劣得多。首先，陆用装备的架设条件相对固定，其天线仰角波束宽度只需2°～3°即可，天线增益高，灵敏度高，天线仰角指向可以按照最佳仰角设计；而且侦察天线可架设在海拔较高的山上，充分利用阵地高度来有效扩展视距范围，增加侦察距离；陆用超视距侦察通常只要面对前方一定防区范围，不需要四面兼顾，天线多采用旋转阵面或旋转抛物面形式。

而舰载侦察设备就没有这样好的条件，由于舰艇的纵横摇晃影响天线波束的指向，必须对天线座采取纵横摇补偿措施。新一代舰船往往采用集成桅杆的隐身设计，希望将各种传感器天线集成在桅杆的四面，以便全方位侦察信号，截获概率高，但成本上升。为了克服舰船摇摆，要么加大俯仰面的波束宽度，这将导致天线增益和侦察距离的显著下降；要么用相控阵技术自适应调整波束仰角指向，无疑也会加大成本。

4.3 加强滤波及组合干扰的抑制

和陆基侦察设备情况不同，海上电磁环境复杂，特别是编队出航时本舰及友邻舰艇雷达开机，周边信号密度大。由于灵敏度极高，视距内的各种信号可能在接收机前端通过交调形成组合干扰，产生虚假响应，让操作员难以分辨，因此在前端应采取必要的滤波、陷波措施。后端处理时还应尽量设法判断并消除组合干扰产生的虚假响应。为减小交调引起组合干扰的影响，接收机的中频带宽应合理选择。

关于天线旁瓣问题，就单个阵面而言，必须具有良好旁瓣抑制功能，如果4个阵面同时工作，原则上可以直接处理，因为对一个阵面而言的旁瓣信号，对另一个阵面可能就是主瓣。

4.4 提高信号处理能力

采用相关积累处理技术对于提高侦察系统灵敏度是有效的，传统侦察设备的信号分选算法不能满足超视距侦察的需求。超视距目标的特点是脉冲数较少、起伏较大、信号丢失多。多目标环境下多个离散脉冲组加上旁瓣抑制的剩余杂乱脉冲混合而成的密集脉冲序列，使得信号分选、参数提取和数据融合算法变得复杂。

［1］刘圣民，熊兆飞.对流层散射通信技术［M］.北京：国防工业出版社，1982.

［2］林春应，孙长喜.对雷达的超视距侦察［J］.舰船电子对抗，2007，30（2）：12－15.

［3］张明高.对流层散射传播［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［4］肖景民，王元坤.电波传播工程计算［M］.西安：西安电子科技大学出版社，1989.

［5］熊皓.无线电波传播［M］.北京：电子工业出版社，2000.

［6］杨广平.微波超视距无源探测关键技术研究［J］.现代雷达，2010，32（6）：1－4.

［7］宋雪梅，朱旭东.对流层散射实现雷达信号超视距传输的研究［J］.现代雷达，2011，33（7）：9－12.