大气波导条件下雷达对抗侦察作战效能影响研究∗

王晶星 吴志昭 吴荣华

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

大气波导条件下雷达对抗侦察作战效能影响研究∗

王晶星 吴志昭 吴荣华

（海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

在大气波导条件下，电磁波的传播会受到影响，雷达对抗侦查能力也会发生变化。论文通过对雷达侦察作用距离和传播损耗模式的研究来分析大气波导条件下侦察雷达性能的变化及其对雷达对抗与战术决策的影响。

大气波导；侦察距离；电磁波；传播损耗

ClassNum ber TN974

1 引言

电磁波传播技术已广泛地应用于各种形式的雷达、卫星通信等各种通信系统。电磁波的传播受到对流层环境的影响，这使电磁波传播研究成为电磁波研究的一个重要领域。特别是对流层大气波导对雷达及其他电子作战的影响成为人们关注的焦点。电磁波在近地层中传播受到大气折射的影响，传播轨迹将发生弯曲，正常折射条件下电磁波在大气中是弯向地球的，当弯向地球的电磁波的曲率超过地球的曲率时，电磁波将部分限获在地球和一定高度的大气层内传播，就如同电磁波在金属波导中传播一样，这种现象就是大气波导现象。大气波导一般分为三种：蒸发波导、表面波导、和抬升波导。大气波导的存在改变了电磁波的正常传播特性，其中最明显特征是使电磁波传播的衰减大大减小，从而使主动雷达探测区和被动雷达截获区的特征发生变化。并可能导致无线电系统的超视距探测和形成雷达盲区。

2 侦察作用距离的变化

侦察作用距离是指在接收点的信号强度足够保证侦察接收机正常工作的条件下，侦察机与被侦察雷达之间的最大距离，它表明侦察机能在多远的距离上发现雷达，是衡量侦察机对雷达的探测能力的一个重要的战术技术参数。侦察作用距离可用侦察方程来表示。

2.1 简化侦察方程

简化侦察方程指在不考虑传输损耗、大气衰减以及地面（或海面）反射等因素的影响而导出的侦察作用距离方程。

自由空间的条件下接收点处的雷达信号功率密度

其中Pt为雷达发射机功率，发射天线在侦察机方向上的增益为Gtr，雷达与侦察机之间的距离为R。

侦察天线所截获的雷达信号功率为

式中，Ar为侦察天线的有效接收面积根据天线理论：

式中Grt为侦察天线在雷达方向上的增益，λ为雷达工作波长

结合式（1）（2）（3）可得

若侦察接收机的灵敏度为Prmin，则可得侦察机的侦查作用距离：

2.2 电波传播过程中其他因素对侦察作用距离的影响

在考虑有关传输线和装置的损耗及损失条件的衰减L≈15dB～17dB下的侦察方程

在较短的波长，特别在10cm以下的波长，电波在大气中有着明显的衰减现象。这些衰减是由俩个因素引起的：1）氧与水蒸气的吸收；2）大气中水滴的散射与吸收。

考虑到大气衰减时侦察作用距离的计算方法如下：若电波单程传播时衰减系数为δdB/km，则考虑大气衰减时侦察天线处信号功率密度S'与不考虑大气衰减时功率密度S间的关系为

式中R为电波传播距离。由上式可得

可见，由于大气衰减，侦察天线处功率密度减小，即所接受的功率减小，因而作用距离必然缩短。若此时的侦察作用距离用R'maX表示，则

2.3 大气波导对雷达探测距离的影响

由于大气波导是一种极端的超折射现象，因此其引起的雷达测距误差比一般的折射条件所引起的误差要大的多。在一般折射条件下，如果把大气看成层状球形的话，雷达测距误差ΔR可表示为

其中：Ri为目标物距雷达的实际距离；k为雷达波实际传播时所经过的大气薄层数；Ri为雷达在第i层中的传播路径，此条件下，雷达测距误差一般不大于116m。当存在大气波导且雷达波形成的波导传播时，所探测到的目标的视在距离与实际距离相差甚远。

3 实现大气波导传播的必要条件

要实现大气波导传播，先决条件是必须存在大气波导。但是，在大气波导环境下传播的电磁波不一定都能形成波导传播。因为在特定气象条件下产生的大气波导能否将在大气中传播的电磁波捕获到波导层中形成波导传播还要取决于该电磁波的波长（或频率）、发射源与大气波导所处的相对位置以及发射源的发射角度等参数。

根据对流层折射的模理论，在大气中传播的电磁波若要形成波导传播，它的波长与大气波导厚度及大气折射率梯度三者之间必须满足一定的关系。假定地面的大气折射指数n0=1.0，可以推导出地面发射的水平极化电磁波能形成波导传播的

最大波长λmax与波导厚度d及波导层内的大气修正折射率垂直梯度dM/dh之间的关系为

由式（5）可知，大气波导厚度远大于电磁波波长时，才能捕获电磁波形成波导传播；电磁波波长范围上限与大气波导的厚度和强度均成正比。

当然实现波导传播还与穿透角有关，当电波在大气波导中的仰角大于穿透角时，不发生波导传播。当发射源天线处于波导内部时，应采用式（6）计算

式中，ΔMC为陷获波导顶高的修正折射率与发射源处的修正折射率之差。

由式（6）可知，假设天线位置固定，则大气波导的强度愈强，可形成波导传播的电磁波发射角度范围的上限愈大。

总之，要实现大气波导传播，必须满足三个必要条件：

2）电磁波的波长必须小于最大陷获波长λmax，或频率必须高于最低陷获频率 fmin；

3）电磁波发射源必须位于合适的位置。

不同的气象条件会形成不同类型的波导，通常大气波导分为：表面波导、抬升波导、蒸发波导。如果气象条件能产生陷获层（形成陷获折射的大气层），目一大气波导层的下表面是地球表面时，则形成的波导为表面波导。表面波导有三种：（1）由于接地的陷获层而形成的波导，通常称为表面波导；（2）由于悬空的陷获层引起的波导，通常称为基于表面的波导；（3）由于海-气相互作用，使得海面上方相对湿度在很小的垂直高度范围内锐减而形成波导，通常称为蒸发波导，因为蒸发波导是影响水面（海洋）上电磁波传播最重要的波导形式，因此作为一种单独的波导形式。

若气象条件形成的陷获层存在于空中，而且大气波导底层也是高于地球表面，这种波导称为抬升波导。蒸发波导是因海面蒸发，原本在海洋表面附近的饱和水汽压上升到某一高度后突然锐减，造成大气折射指数在垂直梯度上分布异常而形成的一类特殊的表面波导。

4 蒸发波导传播损耗模式

在无线电水平视距之外，电场的主要贡献来自电波的绕射，在更远处电场的贡献则主要来自对流层大气散射。绕射场可以表示为一组传输的和，对于标准大气，描述绕射场的级数收敛迅速且只需要单模就可以恰当确定绕射场。当存在蒸发波导或存在由悬空陷获层引起的表面波导时，单传输摸也可以描述绕射区域的场强。不过，在接近无线电水平视距附近，级数收敛的相当缓慢，该区域就是过渡区域，可通过对光学区域与绕射区域的方向图传播因子进行线性内差来确定过渡区域的方向图传播因子。

绕射场开始适用、过渡区域结束的最小距离rd可根据下式计算：

其中，rd是绕射区域开始的距离，单位取km；k是等效地球半径因子；f是电磁系统频率，单位去MHz；rhor是水平视距，由下式确定：

其中Ht，Hr分别是发射天线和接收天线所在的高度，单位取m；rhor单位取km。假设等效地球半径因子k=1.3333。

当存在蒸发波导时，传播损耗L由下式确定：

其中，f(μ)是绕射场天线方向图函数；ρ是标定的距离；α是衰减率；Fzt是发射天线的高度增益；Fzr是接受天线或目标的高度增益；Γ是激励因子。这些量均是蒸发波导高度的函数，而用于确定这些量的函数是通过对波导解的曲线拟合而得到的。用于拟合蒸发波导传播损耗模式的波导解是9600MH单模波导解。其他频率的蒸发波导解都与之具有共同的相似性，即产生某一具体传播特征的波导高度与频率呈反比变化。根据这一事实，可以将9600MHz的解标定到其他频率。为此，所有的实际距离和高度都应分别乘以距离标定因子RN和高度因子ZN：

式中，f是电波频率，单位是MHz。

若记蒸发波导的实际高度为δ（单位取m），标记高度为Δ（单位取m）；发射天线实际高度为Ht（单位取m），标定高度为zt；接收天线或目标的实际高度为Hr（单位取m），标定高度为 zr（单位取m）；接收天线或目标的实际距离为r（单位取km），标定距离为 ρ（单位取km），则：

当蒸发波导的标定高度Δ小于10.25m时，高度增益函数FZt、FZr（单位dB）分别由以下两式确定：

其中，zt、zr分别是发射天线和接收天线/目标的标定高度；以上两式中，各系数分别是：当蒸发波导的标定高度Δ满足10.25≤Δ≤23.3时式中的高度增益函数FZt、FZr（单位取dB）由以下两式确定：

在计算高度增益函数时，在S、C、X三个波段内分别取了3GHz、6GH在、10GHz频率的波段；其中设定的变量为蒸发波导的实际高度，范围是5～30m，天线的实际高度设定为10m。其变化曲线如图1所示。

图1 实际高度与高度增益曲线的关系（f=3GHz）

通过对图1变化曲线的分析我们可以发现，在电磁波频率为3GHz的时候，随着蒸发波导高度的提升，高度增益的降低呈现一个比较平缓降低的曲线的状态。

通过对图2变化曲线的分析，当电磁波频率为6GHz的时候，当蒸发波导高度为14m左右的时候，高度增益有一个突然下降的过程，总体的趋势是高度增益随着蒸发波导的实际高度变大而降低。

图2 实际高度与高度增益曲线的关系（f=6GHz）

通过对图3变化曲线的分析，当电磁波频率为10GHz的时候，蒸发波导10m处，高度增益有个突然下降的过程，当电磁波频率为23m处，高度增益又有个突然上升的过程，但总体的趋势还是高度增益随着蒸发波导的实际高度变大而降低。

图3 实际高度与高度增益曲线的关系（f=10GHz）

5 大气波导条件对超短波地波通信的影响

现假定通信发射机和接收机的参数相同，由于系统的噪声系数较小，通常只有几dB，为简化计算，在这里假定系统的噪声系数为0。天线类型为OMNI，通信发射机和接收机的参数如表1所示。

接收机门限电平为131dB。

表1 通信发射机和接收机的参数

当处于标准大气环境时，即大气修正折射指数梯度为118M/km，此时在高度20m处的电磁波传播损耗如图4所示，水平线代表门限电平，可知此时通信接收机的最大接收距离为29.2km。当处于表面波导条件下时，大气修正折射指数垂直分布如表2所示，波导高度为304m，陷获层内大气修正折射指数梯度为-72.4M/km，此时在高度20m处的电磁波传播损耗如图5所示，可知此时通信接收机的最大接收距离为340km。

表2 表面波导大气修正折线指数垂直分布

通过两种情况的比较可知，当出现表面波导时，由于大气对电磁波的折射作用，使接收机的接收距离明显增大，其接收距离可以是标准情况下的几倍。

图4 标准大气传播损耗

图5 表面波导条件下的传播损耗

当出现基于表面的波导时，此时的大气修正折射指数的垂直分布如表3所示。

表3 基于表面波导大气修正折射指数垂直分布

图6 基于表面波导的传播损耗

此时波导高度为304m，陷获层内大气修正折射指数梯度为-263M/km，在高度20m处的电磁波传播损耗如图6所示。

从图中可见，在38km～68km、148km～182km、253km～296km处电磁波的损耗值都大于接收机的门限电平，可知在此三个区域内为接收机的接收盲区，在此称为跳跃盲区。比较图5和图6，虽然表面波导也可造成跳跃盲区的出现，但并不如基于表面的波导明显。

6 大气波导对电子系统战术使用的影响

6.1 表面波导的影响

表面波导高度通常在300m以下，一般频率在甚高频以上的电磁波受其影响显著。海上表面波导主要影响海军水面舰艇、潜艇、低空飞机的反舰、反潜与防空作战；陆地表面波导主要影响陆军的电子侦察、探测和通信。在现代高技术条件下，各种力量的生存严重依赖于各种电子系统的早期探测、预警，以求先敌发现、先机制敌。表面波导的存在一方面为远距离先敌发现，先机制敌和超视距作战提供了条件，但同时也易使已方发射的电磁信息被对方截获。因此，只有充分地利用表面波导，才能掌握战场制电磁权。

6.1.1 表面波导可使电磁波实现超视距传播

表面波导可使位于波导内的电子系统所发射的电磁波在波导内实现超视距传播，从而为实现超视距探测、通信、电子干扰和打击提供了有利条件。对舰载雷达而言，在正常折射条件下，低空超低空是其盲区，而表面波导可以使舰载雷达波在波导内实现超视距传播，从而为舰载雷达对海面目标和超低空目标实施超视距探测提供了条件。当存在表面波导时，水面舰艇间的通信距离可以被扩大为正常折射条件下通信距离的数倍。这为海面各战斗编组在进行大范围机动作战时的通信联络和指挥协同提供了有利条件。但应注意在距离发射源附近可能存在因电磁波射线跳跃引起的通信盲区。

6.1.2 表面波导可以引起电磁盲区

由于表面波导能将部分电磁波捕获在波导内形成波导传播，因此在波导顶以上的一定空间中由于很少有电磁波辐射穿过而成为电磁盲区，盲区是防御系统的薄弱部位，却是对方隐蔽接敌实施突防的最佳路径。

存在表面波导时舰载雷达盲区的位置与照常折射条件下舰载雷达盲区的位置有所不同。

6.2 蒸发波导的影响

蒸发波导发生于海洋大气环境的一种特殊的表面波导，主要影响海军水面舰艇、潜艇的反舰、反潜与防空作战，以及巡航导弹等低空突防武器的作战效能。由于蒸发波导高度较低，能捕获的最低频率较高，一般在3 GHz以上的电磁波受其影响显著。工作在C波段（即6GHz）的海面搜索雷达以及工作在X波段（即10GHz）的舰载防空、监视雷达都可能会受其影响。在蒸发波导厚度较小或正常折射条件下，低空和超低空为舰载雷达盲区，巡航导弹多沿此区域隐蔽接敌，实施突防，而且是愈低愈好；但当蒸发波导强度足以影响舰载雷达时，蒸发波导能使舰载雷达对海面和掠海高度目标实现超视距探测，此时掠海高度不再是巡航导弹的最佳巡航高度。因此，蒸发波导的存在为水面舰艇、潜艇的超视距探测、截收，以及据此引导超视距攻击提供了条件。此外，同表面波导相似，蒸发波导也可能会增强雷达杂波，减弱雷达探测性能。

6.3 悬空波导的影响

悬空波导一般出现在6 km以下，出现在3 km以下更常见，因此悬空波导主要是影响海军航空兵、陆军航空兵和空军的空对空探测、预警、截收、通信、制导和电子干扰等；高度较低的悬空波导也会影响海、地面的电磁系统。

同表面波导、蒸发波导相似，悬空波导也会将电磁波捕获在波导内形成波导传播，从而改变电磁系统的覆盖范围，在扩大位于波导内的电磁系统的有效作用距离的同时，在波导顶形成电磁盲区。悬空波导对电磁系统的影响与发射源与波导间的相对位置和初始发射仰角有关。

7 结语

通过本文可以知道，大气波导可使位于波导内的电子系统所发射的电磁波在波导内实现超视距传播。在正常折射条件下，因受地球曲率影响，水面舰艇欲实施超视距作战，必须依靠第三者提供引导信息，而当在表面波导时，由于表面波导能极大地扩大舰载雷达的探测距离，无需第三者提供目标导引信息，就可以实施超视距攻击。随着蒸发波导高度的提升，电磁波传播过程中的损耗会降低。而电磁波的频率增大以后蒸发波导传播损耗降低的曲线会有一个突变的过程，这对我们在雷达电磁波频率的选择上有一定的借鉴意义。

由于表面波导能将部分电磁波捕获在波导之内形成波导传播，因此，波导顶以上一定空间会由于很少有电磁波辐射穿过而成为电磁盲区，盲区是防御系统的薄弱部位，却是对方隐蔽接敌实施突防的最佳路径。表面波导扩大了电波的传播距离，也使得在正常折射条件下接收不到的位于视地平以外的地物杂波、海杂波也呈现在雷达显示屏上，增强雷达杂波强度，减弱雷达对目标的探测能力，甚至使其无法工作。

大气波导对舰载超短波地波通信的影响主要有两方面：一是大气波导使超短波通信接收机的接收区域增大；二是基于表面的波导能形成明显的跳跃盲区，而表面波导虽然有跳跃盲区，但现象不明显。这就为我们利用大气波导现象提供了有利的依据，当处于表面波导内时，可扩大舰艇间或舰机间的通信距离，同时要注意对跳跃盲区的分析。同时对该方向的研究还可为指挥员的作战辅助决策提供依据，有利于提高现有装备的作战效能，并促进新战法研究。

因此，在现代高技术条件下的战争中，根据实际大气环境和海洋环境数据，准确评估大气环境对敌我双方电子系统的影响，对于辅助战术指挥员，进行正确战术部署和选择恰当的作战战术，以获取战场电磁优势掌握战场制电磁权具有极其重要的指导意义。

［1］邵国培，等.电子对抗作战效能分析［J］.北京：解放军出版社，1998.

［2］张瑜.电磁波空间传播［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2007.

［3］黄小毛，张永刚，王华，等.大气波导对雷达异常探测影响的评估与试验分析［J］.电子学报，2006，34（4）：722-725.

［4］高东华.水面舰艇通信对抗［M］.中国人民解放军海军海司通信部，1994.

［5］王红星，曹建平.通信对抗技术［M］.北京：海潮出版社，1999.

［6］陈莉，高山红，康士峰，等.中国近海大气波导的时空特征分析［J］.电波科学学报，2009，24（4）：702-708.

［7］戎华，曲晓飞，高东华.大气波导对电子系统作战性能的影响［J］. 现代雷达，2005，27（2）：15-18.

［8］姚展予，赵柏林，李万彪，等.大气波导特征分析及其对电磁波传播的影响［J］.气象学报，2000，58（05）：605-616.

［9］王小念，苏福，余巍，等.复杂电磁环境下的雷达对抗问题［J］.现代雷达，2008，30（4）：21-25.

［10］许金菊.大气波导中电磁波传播及雷达回波作用机制研究［D］.青岛：中国海洋大学，2012.

［11］赵小龙.电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究［D］.西安：西安电子科技大学，2008.

Radar Jamm ing Detection Com bat Effectivenessunder the Condition of AtmosphericWaveguide

WANG Jingxing WU Zhizhao WU Ronghua
（College of Electronic Engineering，NavalUniversity of Engineering，Wuhan 430033）

Under the condition of atmospheric waveguide，the transmission of electromagnetic wave will be affected，radar jamming detection abilitywill change too.This paper studieson themodelof radar detection range and propagation loss to analyze atmospheric ductunder the condition of reconnaissance radar performance changes.

atmospheric duct，reconnaissance distance，electromagneticwave，propagation loss

TN974

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.09.020

2017年3月6日，

2017年4月23日

王晶星，男，研究方向：电子对抗。