阿拉伯海典型大气波导对舰载雷达探测影响研究∗

于 跃 王义涛 王 华 孟大禹

（海军大连舰艇学院 大连 116018）

1 引言

大气波导对电磁波传播具有陷获作用，在波导环境下电磁波的传播方式独特，对雷达探测等系统有重要影响。大气波导通常分为表面波导、抬升波导和蒸发波导三种类型，不同类型大气波导受地形和气候的影响其生成机理所有不同［1～2］。由于大气波导可发生的海域广阔，时间不定，因此雷达探测受大气波导影响的研究亟待加强［3］。前人对此已经做过较多研究，姚展予等［4］分析不同大气波导影响因子对电磁波陷获传播的影响。黄小毛等［5］利用电磁波传播近似数学模型分析大气波导对电磁波的陷获作用，并用实验数据验证其有效性。王华等［6～7］进一步研究表面波导对雷达探测和舰机数据通信链的影响，发现了大气波导强度与雷达探测的定性关系。刘静［8］通过研究雷达探测设备为船载电子信息系统提供精准分析结果。但目前并没有研究通过改变波导特征量分析波导对雷达探测影响。本文主要针对大气波导环境下的雷达探测特征，利用电磁波传播模式［9］构建雷达探测的评估方法，通过仿真的手段分析了表面波导和抬升波导对雷达探测的影响，并通过改变波导的高度和强度分析导航雷达和对海搜索雷达对舰艇的探测效果。

2 数据及方法

2.1 大气波导计算

本研究使用的是阿拉伯海某年3 月某日15 时和19时的探空火箭数据。

表面/抬升波导可以利用大气修正折射率梯度法计算得到。首先，需要利用探空火箭测量的温度、湿度廓线计算大气修正折射率，即

式中：P为气压；T为绝对温度；e为水气压；z为地面以上高度。本研究采用大气修正折射率梯度判别大气波导，当＜0时，大气出现陷获折射，即表示出现大气波导。大气波导的强度用△M 表示，它表示陷获电磁波的能力，△M＝M2-M1，其中M2、M1 分别为陷获层顶层和陷获层底层的大气修正折射率。

2.2 电磁波传播评估方法

电磁波传播评估方法采用抛物数值方程模型，前人通过对电磁波传播的海姆霍兹波动方程做抛物近似处理，得到了电磁波传播的抛物近似数值方程［10～11］，并形成了相应的数值方程模式得到了广泛应用［12］。本研究继续沿用其模式，其基本方程为

式中：u(x，z)为电场强度；x，z分别为笛卡尔坐标中的距离和高度；n为大气折射率；k为自由空间的波数。利用这一模式可以计算电磁波在大气波导环境下的单程传播损耗的空间分布从而得到具体探测概率空间分布特征，最后判断雷达探测距离。

3 表面波导对雷达探测影响分析

15 时的探空火箭测量的温度、湿度和大气修正折射率廓线如图1 所示，由大气修正折射率廓线可知表面波导高为506m，大气修正折射率为338M，陷获层底高度为402m，大气波导修正折射率为406M，表面波导强度为-68M，强度较高。利用该时刻大气波导数据，使用某型导航雷达和对海搜索雷达参数，天线位于20m 高度，计算雷达对中型舰艇和小型舰艇的探测效果（见图2）。

图1 3月某日15时温度、湿度、大气修正折射率廓线

在标准大气的情况下，对海搜索雷达对舰艇探测的距离一般约为60km。由图2（a）可见，在该表面波导条件下，对海搜索雷达对小型舰艇的探测距离可以达到300km，仅有较小的跳跃盲区。而对海搜索雷达对中型舰艇的探测距离（图2（b））可以覆盖300km且没有跳跃盲区。

在该表面波导条件下，导航雷达对小型舰艇的探测效果较差（图2（a）），在20m 的高度仅能探测40km 左右，虽然产生了超视距探测，但雷达探测概率很低，不足以发现目标。而导航雷达对中型舰艇的探测距离（图3（b））可达200km 左右，但60km～100km 的区域有一段跳跃盲区会对探测效果产生影响。

4 抬升波导对雷达探测影响分析

图4为19时的探空火箭测量的温度、湿度和大气修正折射率廓线。抬升波导高为670m，大气修正折射率为425M，陷获层底高度为531m，大气波导修正折射率为382M，该表面波导的强度为-43M，强度较高。利用该时刻大气波导与雷达参数可计算雷达对中型舰艇和小型舰艇探测效果，由于波导强度和高度的原因，雷达对舰艇探测未发生超视距现象，因此只展示两种雷达对中型舰艇探测效果（见图5）。

图4 3月某日19时温度、湿度、大气修正折射率廓线

图5 抬升波导条件下雷达探测效果

在该抬升波导条件下，对海搜索雷达和导航雷达都未发生超视距探测现象，且探测距离大致相同（图5），在20m高度雷达的探测距离大致为40km。

5 波导特征量改变对雷达探测影响分析

通过改变波导特征量分析对海搜索雷达对中型舰艇探测距离的变化，找到产生超视距探测的波导强度和高度的临界值。

5.1 改变波导强度特征量

通过改变15 时表面波导顶的大气修正折射率，高度保持不变，研究对海搜索雷达对中型舰艇探测效果变化，结果如图6 所示。为直观反映强度变化，将修护改后的大气修正折射率廓线进行对比（图6（a））。

图6 不同波导强度对海搜索雷达探测效果

图6（b）波导顶大气修正折射率为360M，此时该表面波导的强度为-46M。可以发现当波导强度降低时雷达的跳跃盲区增大，同时超视距探测范围缩小。将波导顶大气修正折射率更改为372M，此时该表面波导的强度为-36M，如图6（c）所示，此时达到超视距探测临界值，超视距探测效果消失。

5.2 改变波导高度特征量

通过改变19 时抬升波导顶和陷获层的高度，保持强度不变，研究对海搜索雷达对中型舰艇探测效果变化，大气修正折射率廓线对比如图7（a）所示。

图7 不同高度波导下对海搜索雷达探测效果

图7（b）波导顶高度为563m，在波导高度为670m 时无法产生超视距探测现象，而波导高度降低后，雷达的探测距离增加，在160km～240km 处出现了超视距探测现象。继续将波导顶的高度更改至598m 后，如图7（b）所示，此时超视距探测现象消失，达到了超视距探测的临界高度。

6 结语

综上可知，抬升波导和表面波导对雷达探测舰艇有显著的影响，可以使雷达在基础探测的距离上增加超视距探测距离，具体的效果变化与波导的强度和高度有关。

当改变波导的高度和强度时，探测效果有明显变化。对于表面波导，在波导顶高度为506m时，强度减弱至-36M 达到雷达超视距探测的临界值，雷达的超视距探测能力消失；对于抬升波导，在波导强度为-43M 时，波导高度高于600m 后达到雷达超视距探测的临界值。本研究使用的两次大气波导数据为阿拉伯海的典型波导现象，其生成原因是由于阿拉伯海受东北季风影响，陆地上的暖干空气与海水冷湿下垫面相结合导致。因此在阿拉伯海东北季风盛行季节，该类型大气波导产生概率极高。因此当舰艇在阿拉伯海相关区域活动时，遇到类似的波导现象可加以利用实现雷达对舰艇的超视距探测。本研究不足之处在于使用数据量有限，今后应该使用更多数据研究其普遍性。