基于气象数据的南海夏季蒸发波导分析及低空补盲方法

周 亮，张 宁，王玲玲

(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雷达对低空目标的探测性能会受到对流层大气影响。[1]标准大气环境中的温度、压力、水汽压随着高度增加而下降，但局部地区偶尔会出现温度随高度增加而增加的现象，即出现逆温层。[2-3]当温度垂直梯度>-8.5 ℃/100 m或湿度垂直梯度<-2.9 mb/100 m时会产生大气波导，其中的电磁波传播会出现传播路径弯曲现象，称为大气折射效应。[4-7]电磁波能够在大气波导层中进行稳定传播，甚至能够超过雷达的视距范围。[8-11]因此，国内外对大气波导展开了大量的研究，主要采用抛物方程模型和射线追踪模型来评估雷达的视距内干涉盲区的位置、宽度等参数。这些研究主要是在特定大气波导环境中进行分析的，其导出的结论与雷达的工作频率、雷达架高和目标高度等要素有关，且没有给出实际大气波导环境的应对方法。

针对以上问题，本文选取蒸发波导出现概率最高地区(南海沿海地区)和季节(夏季)的气象数据进行分析，并通过抛物方程模型对电磁波传播特性展开仿真分析。结果表明，在出现较强的蒸发波导时低空电磁波会被陷获在波导层中，对海威力出现显著增程，但对于掠海低空飞行的目标而言其探测威力却和标准大气环境相似，也就是说蒸发波导的出现不一定改善低空目标的探测性能。为了解释这一现象，在不同工作频率上展开进一步分析，得到蒸发波导对探测性能改善所具有的不确定性，并给出相应的应对方法：当波导强度过大时应采用多频率联合处理来抑制波导产生的陷获盲区和波导外部的多径干涉盲区。这对于低空突袭目标的超视距预警探测具有重要的研究意义。

1 南海岛礁夏季的气象数据分析

蒸发波导在南海沿海地区的出现概率较高，夏季是波导出现最频繁、分布最广的季节。因此，研究该环境中的雷达探测性能，分析电磁波在海面蒸发波导中衰减因子随距离、高度和频率变化对超视距雷达设备性能提升具有研究价值。

图1 南海岛礁观测站夏季的实测气象数据

由实测数据可以看出，海上环境中的气压、海温具有较明显的周期性。海面温度主要受日照影响，存在上午升高下午降低的特点。海温和气温影响着海面水汽蒸发量，改变海面上方的大气湿度，而大气湿度又会影响海面上方的大气压强。由于海温较稳定而气温变化较大，海面和大气之间出现热交换并产生空气对流，风速在时间上没有显著的规律。

由于观测数据量较大，首先采用无监督聚类的方法进行分析，在大量观测数据中寻找典型的气象环境，用类别中心来进行表示。聚类分析能够显著降低样本的数据量，并统计出相似环境的发生概率。选择Kmeans聚类算法进行分析，设置初始类别数为24，迭代后可以得到典型的24种环境数据，如表1所示。

选择对蒸发波导影响较大的3个参数，即数据的气温、海温和湿度并绘制出来，如图2所示。可以看出，聚类后的数据已经形成簇状，数据之间仍存在部分交叠，这是因为其在另外的2个维度上存在差异。

表1 无监督聚类后的类别中心

图2 不同类别中心对应的气温、海温数据分布

将聚类产生的24种环境参数(属于相同类数据的平均值)代入蒸发波导(PJ)模型，计算得到不同气象环境对应的蒸发波导剖面，如图3所示。结果表明，南海夏季在各时段内均存在强弱不同的蒸发波导，在白天和夜晚的时间段上均会出现。

图3 AREPS软件中PJ模型计算得到的 大气折射率剖面

2 南海夏季不同气象时的雷达探测效能分析

假设雷达工作频率为9 GHz，天线增益为40 dB，架高为18 m，脉冲峰值功率为10 kW，脉宽为20 μs，采用3脉冲非相参积累，目标雷达散射截面为2 m2，虚警概率为10-6。将蒸发波导剖面依次代入电波传播模型、雷达方程模型和Shnidman方程，得到电磁波传播路径损耗、回波信噪比和目标检测概率。目标检测概率的空间分布伪彩图如图4所示，排序方式为从左至右、从上到下。

结果表明，即使存在较强的蒸发波导，采用X波段雷达对掠海飞行(30～50 m)的低空目标进行探测时出现显著威力增程的概率很低。也就是说，蒸发波导存在的大部分时间内都没有带来雷达探测性能的提升。大体上可以看出，雷达探测性能可以分为3种情况，第1种是没有明显的性能提升，如第1类和第2类所示；第2种是显著增强波导附近(高度<30 m)的探测威力，对海目标的探测威力得到有效提升，但波导顶部的探测威力没有明显的性能提升，雷达威力对于目标高度较为敏感，如第3类所示；第3种是显著提升了目标的低空探测性能，如第16类、第19类、第23类和第24类所示，低空目标的探测威力能够超过50 km。

图4 24类气象数据对应的目标检测概率

不同气象环境的雷达探测性能对比说明：在出现陷获能力较强的蒸发波导时雷达对掠海目标的探测威力增程却不一定最优。但是从理论上来讲，相同强度的蒸发波导中电磁波的陷获性能与工作频率存在正相关，两者之间似乎存在矛盾。为了解释这个现象，从雷达的工作载频出发，分析相同气象环境中频率对目标探测性能的影响。假设气象环境为类别1，工作频率1～12 GHz雷达的目标探测性能如图5所示，排序方式为从左至右、从上到下。

图5 气象类别1中工作频率为1～12 GHz时的目标探测概率

结果表明，1～3 GHz范围内随着频率的增加，第1波瓣逐渐向地面弯曲；在4～5 GHz时对于100 m以下的海面目标及低空目标而言，雷达探测威力显著增程，能够很好地实现超视距目标预警；在6～8 GHz时蒸发波导将第1个干涉波瓣陷获在波导内，有利于海面目标的探测预警，但对于低空目标而言几乎没有多少威力增程；在9 GHz工作频点时，探测威力却和S波段几乎相同，波导内部的第1个干涉波瓣由于弯折向海面而被海面散射到各个方向，导致波导内也没能形成稳定的威力增程；在10～11 GHz时蒸发波导开始逐渐陷获第2个干涉波瓣，同时波导内的第1个干涉波瓣也隐约可见，此时蒸发波导有利于低空目标的稳定探测。

3 蒸发波导环境中的低空补盲方法

通过绘制的蒸发波导剖面、对比目标探测分布图随气象环境及工作频率的变化可知，南海夏季已经形成了较强的蒸发波导，能够陷获X波段雷达的第1波瓣。因此，减少蒸发波导对电磁波的陷获效应可以有效改善低空目标探测的空间覆盖，最佳的状态是电磁波在蒸发波导顶层出现泄漏则能够很好地覆盖不同的目标高度。

根据电磁波的干涉原理，入射波和反射波的路径差会导致相位差，从而形成了波瓣之间的盲区。以不同频率间零极点对齐作为出发点，可以推导出低空目标探测的补盲策略。由于掠入射时的反射系数接近-1，导出第m个相长处的相位差和第n个相消处的相位差为

(1)

对主工作频率f1而言，第n个盲区的补盲频率f2可以选择为

(2)

根据不同气象环境中的探测威力可知，对第1个和第2个盲区进行补盲就足够了，即工作频率为9 GHz时采用4.5 GHz和6.75 GHz两个配合补盲频点。由于配合补盲频点与主工作频点之间相差较大，可以采用X波段雷达和C波段雷达联合探测的方式进行，3频点联合检测时的探测概率为

Pd=1-(1-Pd1)(1-Pd2)(1-Pd3)

(3)

将联合检测的检测概率绘制在图6中(排序方式为从左至右、从上到下)。对比图4可以看出，雷达对低空目标的探测概率大幅提升，空间分布变得更加均匀，有利于超视距低空小目标的远程预警和稳定跟踪。多频点联合处理后的结果对气象参数的敏感程度也显著降低，单次检测概率在0.6～0.8的区域的联合检测概率也提升至0.9，探测的稳定性也会得到有效提升。

图6 24类气象数据3频点联合检测的目标检测概率

4 结束语

基于南海夏季实测气象数据，聚类后获得了24种典型的气象环境及其对应的折射率剖面。通过雷达性能评估，说明了陷获能力较强的蒸发波导能产生显著的大气折射，但此时低空目标的探测威力没有得到显著提高。采用频率分析的方法解释了这一现象，并通过3频点联合处理提升了探测的稳定性和雷达威力。这对于超视距雷达的设计而言具有一定的工程应用价值。