舰载对海雷达大气波导盲区评估及其补盲措施研究

韩 佳，焦 林

（1．中国人民解放军31010部队，北京 100061；2．海军大连舰艇学院 军事海洋系，辽宁 大连 116018）

在战争高度依赖于高技术武器的今天，环境因素仍然是海上作战不可或缺的一部分。掌握海洋环境参数及其变化规律与掌握敌情态势同等重要，是在作战准备与对抗行动中取得主动权的前提条件[1]。在现代化海战中，雷达参与的电子对抗发挥着越来越重要的作用，在舰艇防御拦截中，雷达探测覆盖的范围越全面，安全系数就越高；在茫茫海域之上进行舰艇间的对抗中，若是对海雷达能先敌发现，便可先发制人，占据主动权。

然而海洋战场环境终究是复杂多变，雷达电磁波的“高速公路”总是在不断修正中。尤其是在大气波导环境下，它的出现改变了电磁波的正常传播特性，影响着海上电磁波传播方式，其中最明显特征是使电磁波传播能量分布发生改变、传播距离大大提高，实现了远距离传播和超视距探测[2-3]。但同时，也在本应该探测到的区域内出现了或大或小的盲区。这一盲区明显地对战场指挥官实时决策产生了干扰，若是敌人利用这些盲区“潜行”到危险作战半径内，往往会猝不及防，疲于防守。

针对雷达在大气波导环境下产生的盲区这一副作用，本文首先介绍了舰载对海雷达大气波导盲区评估模型，解决大气波导条件下雷达盲区怎么算的问题。然后基于此模型，对不同大气折射环境下各型舰载对海雷达产生的盲区范围和出现条件做出定性评估。最后基于评估结果的综合分析，寻找合理有效的补盲措施。其最终目的在于帮助现实中的舰艇作战将探测的盲区范围减小到最小，缩短反应时间，有效应敌。

1 舰载对海雷达大气波导盲区评估模型

传统的雷达探测评估方程很难反映出大气波导环境下的异常传播特征，这不仅是因为雷达探测本身是个一定的探测概率和虚警概率的意义上统计量，更主要的是难以体现大气波导等异常环境下的雷达探测特征。

传统的雷达性能评估方法在波导等异常折射环境下应用还存在一定的限制，本文将给出另一种基于“探测概率分布特征”的雷达性能评估方法，该方法基于电磁波传播的数值模拟技术，通过研究、设计不同探测概率条件下电磁波传播损失的门限阈值，对雷达电磁波的单程传播损失分布进行阈化处理，得到雷达对目标的“探测概率空间分布”特征，利用这一分布对雷达性能尤其是大气波导环境下的雷达盲区进行评估。

考虑到大气波导等异常折射环境对电磁波传播的“陷获”作用主要发生在极低仰角的低空空域，因而，这里主要针对舰载雷达在大气波导等异常传播环境下对目标的低空探测性能进行评估，具体的方法和步骤如下。

1.1 电磁波传播模拟计算单程传播损耗Lsingle

雷达辐射源参数已知，假设雷达工作的大气折射环境已知，利用电磁波传播损耗模型可以数值计算电磁波在空间传播特征，获得电磁波单程传播损失的空间分布特征，即Lsingle(x,z)，x，z分别为电磁波传播计算设定网格点的地球曲面距离和高度。

1.2 单程传播损耗的门限的确定Tsingle

收发共置雷达，雷达接受距离为R，雷达截面积（RCS）为σ，目标的回波功率可写成dB形式如下：

式中：Pt为发射功率，kW；σ为目标反射截面积，m2；f为频率，MHz；G 为天线增益，dB；F为传播因子，dB；Ls为系统综合损耗，dB；R 为目标斜距，km。

雷达接收到目标的回波功率与传播环境密切相关的量是传播因子F，由于大气中的传播损耗、传播因子及自由空间传播损耗之间满足关系：

式中：Lsingle为电磁波单程传播损耗，dB；Lfs为电磁波在自由空间的单程传播损耗，dB；将式（2）代入式（1）中，得到用电磁波单程传播损耗Lsingle表示的接收功率：

雷达对目标的最小可检测信号可写成dB形式如下：

式中：Bn为接收机带宽，MHz；F0为接收机噪声系数，dB；D0为探测因子，dB。

式（4）中D0是发现概率Pd和虚警概率Pfa的函数，这里采用Blake的模型[4]来计算：

式中：x0，gfa，gd和 t都是过程变量，分别为 x0=(gfa+gd)2，gd=1．23t/ 1-t2，gfa=2．36 -lg(Pfa)-1．02 和t=0．9(2Pd-1)。Lf为目标波动损耗，对于无波动目标有：Lf=1，对于波动目标有：Lf=-(ln(Pd)(1+gd/gfa))-1。

依据雷达的探测理论，当Pr≥Simin时，雷达能探测到目标，得到：

令式（6）不等式右边等于阈值（门限值）Tsingle，则：

可以看出：Lsingle≤Tsingle与Pr-Simin≥0是等价的，都表示雷达能探测到目标必须满足的条件，因此可以将Tsingle看作是电磁波单程传播损失Lsingle的门限阈值。

1.3 阈化处理得到的“雷达探测概率空间分布”

现代雷达多采用恒虚警技术CFAR技术，即Pfa为固定要求的常数，则式（5）表示的探测因子只与发现概率有关，即 D0(Pd)，由式（5）、式（7）可以知道，对于确定的雷达参数，一个发现概率，对应一个探测因子，同时也可以计算一个门限值，即有Tsingle(D0(Pd))，对于不同的探测概率，对应了多个不同的门限值。

可见Tsingle是一个多阈值系列，它体现了探测概率Pd与传播损失值Lsingle之间的对应关系，即雷达能够以一定探测概率Pd探测到该目标所要求的传播损耗最大单程损失值。因此，利用Tsingle对电磁波数值计算的单程传播损耗分布Lsingle进行阈化处理，电磁波传播数值计算所有网格点上的Lsingle都对应了一个探测概率，由此可以得到相同网格点上的“探测概率空间分布”图Pd(x,z)。

式（7）所表示门限值Tsingle只与雷达参数、目标RCS有关，本身并不包含距离R的信息，然而，通过对单程传播损失Lsingle(x,z)的阈化处理得到的探测概率分布Pd(x,z)的过程中，距离信息都包含在坐标x，z当中。

1.4 利用“探测概率分布”评估雷达探测盲区

利用“探测概率空间分布”可以对波导等异常折射环境下的雷达性能进行评估，这一分布特征包含了雷达性能相关的诸多信息，可以很方便地获得波导环境下雷达的电磁覆盖区域及异常探测性能特征。事实上“探测概率空间分布”实际上就是利用“探测概率”表示的雷达探测能力空间分布图（威力图），能够显示指定探测概率或任意探测概率条件下雷达对该目标的最大探测距离；能够显示而且能够准确地获取任意高度、任意距离上雷达的探测性能。当探测概率被指定时，式（7）的门限值是一个单值，得到“探测概率空间分布”只是存在“超过”和“等于及不超过”两种情况，对应了雷达“能”和“不能”探测到该目标，临界位置与传统计算的最大距离是一致的，此时计算的“探测概率空间分布”特征与传统的雷达波束空间分布（威力范围）特征是一致的。任意探测概率条件时，式（7）的门限值是一个多阈值系列，得到的“探测概率空间分布”包含了所有探测概率要求下雷达波束空间分布（威力范围），可以直接获得任意高度上雷达的最大探测距离、范围、盲区等特征等，此时的“探测概率空间分布”特征实际上是多个探测概率要求时的雷达威力范围的一种综合。

可见，“探测概率空间分布”直接反映了雷达波束的空间分布特征，并且包含了更多探测概率要求，应用在波导等异常折射环境下，能够准确地反映雷达探测盲区异常探测特征。

2 不同波导环境下雷达电磁盲区的评估研究

选用 3G、6G、10G 3个频段（S、C、X 波段）的雷达，分别在标准大气环境、悬空波导环境、表面波导环境、蒸发波导环境下进行雷达电磁环境仿真，评估雷达电磁盲区的分布特征。

2.1 标准大气环境下不同频段雷达电磁波传播的仿真评估

图1 不同频率雷达在标准大气下的电磁波传播仿真结果

图1为X，C，S波段雷达在标准大气环境中的传播损失图，在图中雷达电磁波传播损失值分布形似为幂函数曲线。如图，在高空中电磁波的有效传播距离比海平面处要稍近，且此环境下低频雷达比高频雷达能够达到更好的观测效果，但改善效果有限。其他雷达的电磁波传播情况仿真结果也与上述相同。海上目标的视距大约在16～25 km，表明雷达在标准大气环境中没有发生超视距现象，视距之外都是盲区。

2.2 悬空波导环境下不同频段雷达电磁波传播的仿真评估

图2 不同频率雷达在悬空波导下的电磁波传播仿真结果

图2为X、C、S波段雷达在悬空波导环境中的传播损失图。通常，悬空波导的波导层在海平面300 m以上，而其在贴近海平面的大气修正折射指数（M）随高度呈线性增长，与标准大气中的修正折射指数趋势相同，形似于幂函数曲线。此环境下，雷达的电磁波传播及损失趋势与在标准大气环境中相同，视距之外都是盲区。

2.3 表面波导环境下不同频段雷达电磁波传播的仿真评估

（1）陷获层悬空的表面波导

图3为X，C，S波段雷达在陷获层悬空的表面波导环境中传播损失图。从图中可以看出，电磁波在远距离有效传播区域形似波状图，在陷获层悬空的表面波导环境下，“波状图”未触及的区域就是电磁波在传播时的无效区（跳跃盲区）。

图3 不同频率雷达在陷获层悬空表面波导下的电磁波传播仿真结果

3部雷达的跳跃通道走势相同，拐点位置相同，可见该通道的生成条件中，大气环境占有更重要的位置。S波段雷达的频率相比于其他两部雷达较低，其跳跃盲区的区域较小，更适合电磁波的传播。

（2）陷获层接地的表面波导

图4为X波段雷达在陷获层接地的表面波导环境中的传播因子图，C，S波段雷达传播情况与此相似。从图中可见，此条件波导高度在100～300 m的空中，雷达电磁波被陷获在海表面，因此雷达发射的电磁波可以在海表面处畅通传播很远距离。

图4 X波段雷达在陷获层接地表面波导下的电磁波传播仿真结果

2.4 蒸发波导环境下不同频段雷达电磁波传播的仿真评估

（1）强蒸发波导条件仿真（波导层高30 m）

图5为X，C，S波段雷达在强蒸发波导环境中传播损失图。其中3部雷达的天线高度均在30 m以下，都发生了电磁波的波导传播，且超视距传播的通道高度都在30 m。在海表面传播时，S波段雷达的电磁波受到衰减影响较小。而X，C波段雷达有较明显的盲区孔，且距离依次变远。C波段雷达在距离海面4 m处有条带状盲区，X波段雷达在10 m，4 m处有条带状盲区，而且X波段雷达在4 m处呈现跳跃式盲区。

图5 不同频率雷达在强蒸发波导下的电磁波传播仿真结果

（2）弱蒸发波导条件仿真（波导层高10 m）

图6为X，C，S波段雷达在弱蒸发波导环境中传播损失图。在此环境中，雷达发射的电磁波一部分会陷获在波导层中，进行波导传播，因此与标准大气环境相比，在海表面能够传播更远的距离。

图6 不同频率雷达在弱蒸发波导下的电磁波传播仿真结果

为便于比较各波段雷达在海表面的探测性能，提取各雷达在距离海平面5 m，10 m，15 m处的传播损失值，并绘制成截面曲线图（图7）。

图7 弱蒸发波导下不同频率雷达在不同高度下的电磁波传播损失值

从曲线走势来看，X波段雷达在海表面的损失较慢，电磁波传播较远，C波段雷达次之，S波段雷达的电磁波传播距离最短。

通过比较雷达之间的传播损失，可以得出：在弱蒸发波导环境下，高频雷达在海表面的电磁波更容易陷获到波导层内，虽然无法形成真正意义上的波导传播，但传播距离比在标准大气环境中的情况要远。当雷达的天线高度高于波导层较多时，天线高度不再是影响电磁波传播距离的因素。

3 舰载对海雷达的补盲措施

针对舰载对海雷达在大气波导环境下出现的盲区孔、跳跃盲区和条带状盲区等现象，结合不同频率雷达在不同波导环境下的电磁波传播仿真结果，应采取下列补盲措施。

（1）当舰艇处在悬空波导环境下，使用低频雷达可以探测到相对更远的距离，但距离增加程度有限，可以不作为首要的作战手段来选择考虑。标准大气的情况与悬空波导情况相同，但标准大气环境只存在于理想状态下，可用于作为其他波导环境的参考。

（2）当舰艇处在表面波导环境中，且陷获层悬空时，会出现跳跃盲区。此时舰艇使用低频雷达可以尽可能地缩短海表面盲区的水平间隔，变相提高了对海的有效探测面积。

（3）当舰艇处在蒸发波导环境中，且雷达的天线高度在陷获层以内时，可以利用该波导通道内实现超视距传播。当处于强蒸发波导环境下，雷达会出现盲区孔和条带盲区，可以使用高度较低的雷达或是低频雷达来尽量减弱该盲区的影响。当蒸发波导陷获层较低，无法覆盖雷达天线时，高频雷达能够探测到更远的目标。

[1] 张凌海.海洋技术为海军“添翼”[J].当代海军，2002(9)：41-42.

[2]戴福山,李群.大气波导及其军事应用[M].北京:解放军出版社，2002.

[3]姚展予,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(5):605-616.

[4]Blake L V.Prediction of radar range[M]//Skolnik M I Eds.Radar Handbook(Second.Edition),New York:McGraw-Hill Book Co.Inc.,1991.