超視距雷達偵察裝備試驗條件分析

劉麗明，姚　嘯，樊　鴻

(解放軍91336部隊，秦皇島 066326)

超視距雷達偵察裝備試驗條件分析

劉麗明，姚嘯，樊鴻

(解放軍91336部隊，秦皇島 066326)

摘要：利用大氣對電磁波的反射和折射作用能夠使雷達偵察裝備接收到微弱的電磁信號，并從中分析出有用信息，實現(xiàn)對威脅目標(biāo)的超視距偵察。根據(jù)實現(xiàn)超視距偵察的機理，分析影響利用對流層散射和大氣波導(dǎo)開展超視距偵察的主要因素，探討在外場開展超視距雷達偵察的試驗條件。

關(guān)鍵詞：超視距；雷達偵察；試驗條件

0引言

自從進入21世紀以來，隨著相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達的探測距離已經(jīng)超出視距，出現(xiàn)了超視距雷達，這也導(dǎo)致了作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)的更新?lián)Q代，超視距攻擊將成為戰(zhàn)爭主流。但在與之對抗的雷達偵察手段方面，傳統(tǒng)的雷達偵察設(shè)備因為地球曲率的限制，對海面和陸地雷達目標(biāo)的偵察距離卻被限制在視距之內(nèi)，一般不超過60 km，因此“先敵發(fā)現(xiàn)”的作戰(zhàn)使命無法完成。

在此基礎(chǔ)上,運用超視距偵察技術(shù)發(fā)現(xiàn)雷達目標(biāo)的新手段也應(yīng)運而生，出現(xiàn)了新型雷達偵察裝備，例如捷克的SDD電磁信號監(jiān)視系統(tǒng)和烏克蘭的“鎧甲”系統(tǒng)，越來越多的國家開始使用超視距雷達偵察設(shè)備用于電子情報偵察[1]。

在國內(nèi),隨著技術(shù)發(fā)展和作戰(zhàn)使命的拓展延伸，超視距偵察也已成為雷達對抗領(lǐng)域的重點方向，如根據(jù)電磁波對流層散射原理，超視距接收對流層散射的雷達信號，經(jīng)處理分析后識別雷達特征從而完成偵收任務(wù)。這種技術(shù)體制的革新和作戰(zhàn)能力的飛躍，也對裝備的鑒定試驗提出了新的要求。

1超視距偵察機理分析

目前超視距雷達信號偵察利用了大氣環(huán)境中電磁波傳播的2種方式：大氣波導(dǎo)和對流層散射。

1.1　大氣波導(dǎo)

由于電磁波在大氣環(huán)境傳輸路徑中受環(huán)境影響，出現(xiàn)了4種不同折射情況的折射現(xiàn)象：(1)正常折射；(2)陷獲折射；(3)超折射；(4)欠折射[2]。當(dāng)陷獲折射發(fā)生時，電磁波指向地球表面的曲率將大于地表曲率，導(dǎo)致電磁波的傳播路徑局限于一定深度的大氣層內(nèi)，從而在這個大氣層環(huán)境內(nèi)重復(fù)反射向前傳輸，該現(xiàn)象被稱為大氣波導(dǎo)傳播，大氣波導(dǎo)傳輸路徑所在的大氣層被稱為大氣波導(dǎo)。研究表明大氣波導(dǎo)有2種，分別是懸空波導(dǎo)和接地波導(dǎo)，懸空波導(dǎo)是離海平面有一定高度距離的大氣波導(dǎo)，接地波導(dǎo)是緊接海平面的大氣波導(dǎo)，其傳播過程如圖1所示。

圖1　大氣波導(dǎo)傳播示意圖

1.2　對流層散射

對流層是指距地高度8~18 km范圍的低層大氣區(qū)域。由于對流層中氣壓、溫度、濕度等因素不斷變化的影響，會產(chǎn)生大氣湍流運動,因而出現(xiàn)大小不同的旋渦。而這些旋渦也不是固定不變的，對應(yīng)的尺寸、形狀和密度不斷地變化，與之相關(guān)的折射指數(shù)和介電常數(shù)也隨之改變。這些因素值在均值附近隨機起伏，產(chǎn)生許多不均勻體。而雷達電磁波傳播過程中照射到這類不均勻體上時，會導(dǎo)致感應(yīng)電流產(chǎn)生，這種環(huán)境下的不均勻體類似于基本偶極子，成為電磁波傳播的二次輻射體，對特定空間區(qū)域提供了散射場強分量，從而將電磁波散射到電磁波發(fā)射端視距之外的地方，這就是對流層中的超視距傳播過程，如圖2所示。

圖2　對流層散射傳播示意圖

目前關(guān)于對流層散射的傳播機制還無確切定論，一般使用各類理論模型解釋這種傳播現(xiàn)象：(1)穩(wěn)定層相干反射(反射理論)；(2)不規(guī)則層非相干反射(多模理論)；(3)湍流非相干散射(散射理論)等[3]。比較來說，第3種模型比較完善，有嚴格的湍流理論基礎(chǔ)并配套相吻合的較充足的實驗數(shù)據(jù)；而第2種理論模型雖然缺乏嚴格的理論基礎(chǔ)，但相吻合的實驗數(shù)據(jù)較多；第1種理論模型雖然與大部分的實驗數(shù)據(jù)結(jié)果的吻合度有所欠缺，但在某些特定情況下仍有部分實驗數(shù)據(jù)與之匹配。

2影響因素分析

2.1　對流層散射偵察的影響因素

在對流層散射過程中，電磁波散射場是接收天線和發(fā)送天線的天線波束相交區(qū)域內(nèi)的包括不規(guī)則突變層、相干反射層和湍流層等二次輻射場的總和，即隨機性的多徑傳輸現(xiàn)象，因此接收點的場強是隨機變量。

從頻率角度分析，當(dāng)電磁波頻率不超過0.5 GHz時，對流層散射的原因主要是穩(wěn)定層相干反射和不規(guī)則層相干反射，而且頻率越低穩(wěn)定層相干反射的作用越大；在0.5~1.5 GHz頻段， 超視距傳播原因主要是不規(guī)則層非相干反射和湍流非相干散射；當(dāng)頻率超過1.5 GHz時,主要是由湍流非相干散射引起的。

從距離角度看，傳播距離超過300 km時主要是由湍流非相干散射和不規(guī)則層非相干反射引起，甚至傳播超過600 km。

對流層散射需要考慮的重點問題是能量傳輸損耗[4]。由于地面條件和地域環(huán)境等因素對對流層的影響，不同時間的不同區(qū)域散射能量損耗差別較大。即使是相同地點，不同時間的溫度、濕度等氣象條件不同，散射體也隨之變化，能量損耗也各有不同?？傊芰總鬏敁p耗是氣象、散射體高度、散射角、工作頻點、傳輸距離等眾多變量的函數(shù)。廣義的傳輸損耗通常有基本傳輸損耗、天線介質(zhì)耦合損耗和天線波束偏移損耗等，其中基本損耗主要有散射損耗、地面反射損耗、空間傳輸損耗、大氣吸收損耗等。綜上可得傳輸損耗的計算公式:

Lm=Lbf+Ls+LR+LA+Lc=-17.47+

10lgd+301gf+0.65H0+30lgθ0+20lg(0.15H0+1.5)-0.2(Ns-328)+LR+LA+LS+Lc

(1)

式中：Lbf為自由空間傳輸損耗(dB)；Ls為散射損耗(dB)；LR為地面反射損耗(dB)；LA為大氣吸收損耗(dB)；La為天線波束偏移損耗(dB)；Lc為天線介質(zhì)耦合損耗(dB)；d為收發(fā)間大圓距離(km)；f為工作頻率(MHz)；θ0為最小散射角，即收發(fā)點視平線的交角(10-3rad)；H0為最低散射點到收發(fā)連線間的垂直距離，即垂直高度(km)；Ns為最低散射點下方的地面折射指數(shù)的年平均值(N)。

上述部分變量的含義，如圖3所示。

圖3　大氣散射信道幾何關(guān)系圖

對式(1)中的各種損耗因素有如下情況：(1)在天線高度較小時，由于地面反射的影響會有地面反射損耗，但當(dāng)天線高度足夠大時，則沒有地面反射損耗；(2)大氣吸收損耗主要是指大氣吸收電磁波的作用，其值較小，在對流層散射的電磁波頻率范圍內(nèi)，其值一般不超過10dB；(3)天線偏移損耗主要是由于接發(fā)天線波束主軸沒有對準最佳指向或是接收點電磁波的射線方向未對準接收天線主軸方向而引起的損耗；(4)天線介質(zhì)耦合損耗是指超視距傳播過程中天線增益變小的現(xiàn)象，導(dǎo)致實際的天線增益低于平面波增益或者理論增益。

在實際傳輸過程中，還存在以下現(xiàn)象：(1)雷達工作頻率越低，傳輸損耗越小，反之傳輸損耗越大；(2)雷達波入射角越小則傳輸損耗越小，研究結(jié)果表明波束入射角增大1°，損耗增大10dB左右，相應(yīng)地對偵察機的靈敏度要求增加10dB。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，目前一般僅限于偵察入射仰角不超過5°的雷達波；(3)微波信號的傳輸還與地理環(huán)境相關(guān)，具體的傳輸損耗數(shù)據(jù)需要根據(jù)實驗結(jié)果具體分析；(4)電磁波在大氣傳播過程中存在慢衰落、快衰落等現(xiàn)象，其中快衰落是由多徑干涉引起，慢衰落由大氣吸收電磁波引起，因此都具有隨機性，2種衰落的幅度都可達10dB以上。在大氣衰落的影響下，即使接收機靈敏度比要求的靈敏度低一定范圍，也有一定的可能性截獲到電磁波信號；(5)氣象環(huán)境對傳輸損耗影響較大，實際統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)損耗值起伏較大，甚至可達20dB，在夏季時傳輸損耗較小，理論統(tǒng)計值為年統(tǒng)計平均中值。

2.2　對大氣波導(dǎo)偵察的影響因素

當(dāng)電磁波的頻率范圍在[1GHz,100GHz]內(nèi)時，大氣折射率N可表示成T、P、e之間的函數(shù):

(2)

式中：T為絕對大氣溫度(K)；P為大氣壓強(hPa)；e為水氣壓強(hPa)；A為經(jīng)驗常數(shù)，取77.6(在1～100 GHz范圍內(nèi)有效)；B為經(jīng)驗常數(shù)，取4 810(在1～100 GHz范圍內(nèi)有效)。

由式(2)對h求導(dǎo)可以得到：

(3)

同時由于大氣波導(dǎo)的上下邊界是上下起伏的粗糙面，并非完全平滑的平面，在此也存在多徑傳播的波束與直接波疊加導(dǎo)致干涉損耗的產(chǎn)生。但由于大氣波導(dǎo)過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和時間上的隨機性，對這種情況下的傳輸損耗的精確計算比較困難，現(xiàn)在主要依靠實驗估算。

依靠大氣波導(dǎo)傳輸進行雷達超視距偵察需要滿足以下基本條件：(1)近地層必須存在一定高度范圍的大氣波導(dǎo)；(2)需偵察的雷達電磁波載頻必須高于最低陷獲頻率；(3)電磁波發(fā)射點必須處于大氣波導(dǎo)內(nèi)，當(dāng)存在抬升波導(dǎo)時發(fā)射點也可以位于大氣波導(dǎo)下方，但必須相距大氣波導(dǎo)不遠且波導(dǎo)必須達到一定強度；(4)發(fā)射源的發(fā)射仰角必須小于臨界仰角。

3試驗條件要求

綜合各方面因素考慮，超視距雷達偵察裝備的試驗鑒定需以外場試驗為主。由于試驗區(qū)域通常很大，建議試驗航區(qū)選擇開放?？沼颍⒔Y(jié)合超視距雷達偵察裝備的航路安全、保密需求和便于展開等要求。

3.1　利用對流層散射偵察試驗條件

3.1.1天氣條件

在利用對流層散射條件的偵察裝備試驗中，由于在對流層中的電磁波損耗具有較大的區(qū)域特性和時變特征，對氣象條件較為敏感，一年內(nèi)的損耗值變化較大，但在夏季時損耗最小[6]。而且根據(jù)陰天、晴天多云、晴天少云等多種情況下的實測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在晴天的氣候條件下傳輸損耗較小，就此試驗選擇晴天進行為宜。

3.1.2布站要求

由于對流層散射的入射角越小，傳輸損耗越小，因此測試雷達宜布設(shè)在沿海的高地或者山島上，以確保雷達天線附近地勢開闊。且試驗路徑前方附近障礙物的高度較小，使障礙物的仰角保持在10°以下，從而降低額外損耗。同時還要避免附近衛(wèi)星通信系統(tǒng)或者雷達的影響，且散射體的位置盡量不要落在城市上方或者直接選擇艦載雷達裝備。

對應(yīng)的被試雷達偵察裝備，需搭載在水面艦艇或者沿海高地上，盡力保證偵察天線架高且前方無遮擋。

3.1.3航路規(guī)劃

艦艇由近及遠背站航行，航線為直線或者橫折線，需兼顧被試裝備的相關(guān)參數(shù)，建議的試驗航路區(qū)域為300km至最大偵察距離。

3.1.4裝備要求

對流層散射基本傳輸損耗值與載頻三次方成正比，因此載頻越高傳輸損耗越大，載頻每提高1倍，基本傳輸損耗增大約9dB；而距離每增大100km，傳輸損耗將會增大約8dB。因此，對于配試的雷達裝備，為保證試驗過程中偵察裝備能在多個頻點上偵收到信號，配試雷達以頻率同時分集或者分時分集的方式發(fā)射電磁波，功率應(yīng)高于偵察機靈敏度200dB以上。

3.2　利用大氣波導(dǎo)偵察試驗條件

3.2.1天氣條件

根據(jù)美國環(huán)境預(yù)報中心的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)[7]，中國近海大氣波導(dǎo)在夏季時出現(xiàn)概率最高，春秋季居次，冬季最低，臺灣省以北海域甚至低于10%。大氣波導(dǎo)類型以懸空波導(dǎo)和貼海表面波導(dǎo)為主，懸空波導(dǎo)從秋季開始逐漸向南移動，到冬季在臺灣省以北近海區(qū)域居主；而貼海表面波導(dǎo)從春季開始向北漸移，到夏季在整個海域所占比例較大。因此，進行試驗規(guī)劃時要結(jié)合試驗時間，合理選擇試驗區(qū)域。

3.2.2布站要求

對于配試雷達的布站位置，應(yīng)保證雷達天線位于大氣波導(dǎo)區(qū)域內(nèi)。對于20m高度的蒸發(fā)波導(dǎo)，C波段雷達天線架設(shè)海拔高度超過20m即可；而P波段雷達由于地面或海面反射的影響，其架設(shè)高度不宜過高，一般超過10m即可。布站時雷達仰角不宜過大，一般處于[0.5°,1°]區(qū)間內(nèi)。對于被試雷達偵察裝備有相似的架設(shè)要求。

3.2.3航路規(guī)劃

南海北部和臺灣省附近海域是中國近海中大氣波導(dǎo)形成概率相對較高的區(qū)域，試驗區(qū)域在這個范圍內(nèi)較優(yōu)，艦艇由近及遠背站航行，航線為直線或者橫折線，需兼顧被試裝備的相關(guān)參數(shù)，建議的試驗航路區(qū)域為300km至最大偵察距離。

3.2.4裝備要求

根據(jù)電磁波陷獲的頻率特性，3GHz頻率以上的雷達信號受蒸發(fā)波導(dǎo)的影響較為明顯，因此S、C、X波段雷達都能作為配試雷達，其功率一般應(yīng)大于雷達偵察裝備靈敏度200dB以上。

4結(jié)束語

目前，對于超視距雷達偵察裝備的試驗以實際使用測試為主，存在試驗周期長、消耗大和受氣象因素影響大等問題，且一旦出現(xiàn)電磁波在空間損耗而收不到信號，往往需要深入分析甚至測試才能發(fā)現(xiàn)問題，此類裝備試驗項目和具體的試驗實施方法還需要進一步的研究。

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Test Condition Analysis of Over-the-horizon Radar Reconnaissance Equipment

LIU Li-ming，YAO Xiao，F(xiàn)AN Hong

(Unit 91336 of PLA,Qinhuangdao 066326,China)

Abstract:Radar reconnaissance equipments can receive the weak electromagnetic signals by means of reflection and refraction function of atmosphere to electromagnetic waves,from which the available information is analyzed,so the over-the-horizon reconnaissance is performed to the threat targets.This paper analyzes the main factors influencing the over-the-horizon reconnaissance by using troposcatter and atmospheric waveguide according to the mechanism realizing over-the-horizon reconnaissance,discusses the test conditions of over-the-horizon radar reconnaissance in outer field.

Key words:over-the-horizon;radar reconnaissance;test condition

收稿日期:2015-01-30

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.003

中圖分類號：TN974

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：CN32-1413(2015)03-0008-04