基于激光技術(shù)的海面蒸發(fā)波導(dǎo)探測(cè)

任席闖

（91469部隊(duì)，北京 100841）

大氣波導(dǎo)條件下電磁波出現(xiàn)異常傳播，電子偵察和通信設(shè)備有效區(qū)域呈現(xiàn)異常變化趨勢(shì)[1]。準(zhǔn)確評(píng)估大氣環(huán)境對(duì)敵我雙方電子設(shè)備的影響，對(duì)于輔助戰(zhàn)術(shù)指揮員進(jìn)行正確戰(zhàn)術(shù)部署和選擇恰當(dāng)?shù)淖鲬?zhàn)戰(zhàn)術(shù)，以獲取戰(zhàn)場(chǎng)電磁優(yōu)勢(shì)、掌握戰(zhàn)場(chǎng)制電磁權(quán)具有極其重要的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)探測(cè)大氣波導(dǎo)通常借助于雷達(dá)、探空氣球或火箭等，利用波導(dǎo)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，不易實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣波導(dǎo)的實(shí)時(shí)探測(cè)[2]。激光和雷達(dá)波的傳輸具有一定的共性，若能用激光的手段探測(cè)大氣波導(dǎo)，則既具有保密性和安全性，又能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探測(cè)。

1 大氣波導(dǎo)及影響

1.1 大氣波導(dǎo)現(xiàn)象

大氣波導(dǎo)是雷達(dá)波段超視距傳輸?shù)囊环N現(xiàn)象，在海洋大氣環(huán)境中通常存在3類大氣波導(dǎo)：表面波導(dǎo)（又稱面基波導(dǎo)）、懸空波導(dǎo)（又稱抬升波導(dǎo)）和蒸發(fā)波導(dǎo)。除蒸發(fā)波導(dǎo)外，前2類大氣波導(dǎo)也可能會(huì)出現(xiàn)在陸地大氣環(huán)境中，但由于受大氣邊界層穩(wěn)定度以及邊界層內(nèi)水汽垂直分布的影響，陸地大氣環(huán)境中的大氣波導(dǎo)遠(yuǎn)沒(méi)有海洋大氣環(huán)境中的大氣波導(dǎo)出現(xiàn)得頻繁、持久和顯著。

下邊界接地的波導(dǎo)稱為表面波導(dǎo)，表面波導(dǎo)的特點(diǎn)是陷獲層頂?shù)拇髿庑拚凵渲笖?shù)小于地面的大氣修正折射指數(shù)，表面波導(dǎo)的厚度是自陷獲層頂?shù)降孛娴拇怪本€段的長(zhǎng)度，一般在300 m以下。下邊界懸空的波導(dǎo)稱為懸空波導(dǎo)，通常出現(xiàn)在3 000 m高度以下。懸空波導(dǎo)的特點(diǎn)是陷獲層頂?shù)拇髿庑拚凵渲笖?shù)大于地面的大氣修正折射指數(shù)。

蒸發(fā)波導(dǎo)是因海面蒸發(fā)使?jié)穸仍诤苄〉拇怪备叨确秶鷥?nèi)發(fā)生銳減而形成的一類特殊的表面波導(dǎo)。緊貼海面的氣層，因海面蒸發(fā)可以達(dá)到飽和狀態(tài)，而在其以上高度的空氣通常達(dá)不到飽和狀態(tài)，濕度在很小的垂直高度范圍內(nèi)發(fā)生銳減，使得大氣修正折射指數(shù)自海面向上迅速遞減，到一定高度后，大氣修正折射指數(shù)達(dá)到最小，該高度稱為蒸發(fā)波導(dǎo)高度（或厚度）。

1.2 大氣波導(dǎo)的影響

在一定的氣象條件下，貼近海面大氣層中傳輸?shù)碾姶挪ㄊ艽髿庹凵渎实挠绊?，?huì)出現(xiàn)次折射、超折射和波導(dǎo)等異常折射現(xiàn)象。其中，超折射和波導(dǎo)現(xiàn)象可以使電磁波的傳輸距離延伸，特別是波導(dǎo)現(xiàn)象，可使雷達(dá)觀測(cè)到數(shù)倍于雷達(dá)正常探測(cè)距離處的目標(biāo)，已有研究結(jié)果表明海上蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn)的概率較高，一般在0.5～0.7之間，因此熟悉大氣波導(dǎo)的實(shí)時(shí)存在與分布情況，對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)的超視距探測(cè)和武器系統(tǒng)的目標(biāo)指示具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

2 大氣波導(dǎo)的傳統(tǒng)探測(cè)技術(shù)

國(guó)外從20世紀(jì)四五十年代開(kāi)始研究大氣波導(dǎo)對(duì)雷達(dá)探測(cè)造成的影響。例如美國(guó)、法國(guó)、澳大利亞等除了對(duì)對(duì)流層波導(dǎo)傳播進(jìn)行了眾多的實(shí)驗(yàn)研究外，在理論上也取得了較好的研究成果，出現(xiàn)了波導(dǎo)模理論、幾何光學(xué)理論和拋物線方程方法等理論，并成功研制了不少預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

幾何光學(xué)理論，是用幾何光學(xué)理論對(duì)電磁波進(jìn)行射線追蹤，定量地描述電波在各種大氣條件下的軌跡；波導(dǎo)模理論對(duì)大氣介質(zhì)作了一個(gè)水平均勻分層的假設(shè)，來(lái)求解麥克斯韋方程；拋物線方程方法是使用球坐標(biāo)系來(lái)考察點(diǎn)源輻射的電磁波球形擴(kuò)散行為以得到拋物線方程，現(xiàn)在通常用分步傅里葉方法求解。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，基于拋物線方程的海洋大氣邊界層電磁波傳播模型逐漸發(fā)展成熟，將大氣修正折射率廓線代入該模型可以獲得一定區(qū)域內(nèi)的電磁波傳播損耗，進(jìn)而可以研究電子探測(cè)裝置的覆蓋范圍。1998年，Krolik等學(xué)者對(duì)上述思路進(jìn)行了反方向研究，首次提出利用雷達(dá)發(fā)射電波經(jīng)海面后的回波即海雜波來(lái)預(yù)測(cè)大氣折射率或修正折射率剖面，稱為RFC（Refractivity From Clutter）技術(shù)，即海雜波反演折射率技術(shù)。該方法經(jīng)過(guò)Krolik、Anderson、LT Rogers、Peter Gersoft等學(xué)者的不斷修正，其實(shí)用性大大提高。

在蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測(cè)模型研究方面，思路大都是致力于以一種用氣象參量（海表溫度、水面的溫度、濕度等）為輸入[3]，根據(jù)大氣邊界層理論來(lái)計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)高度。從20世紀(jì)80年代H.Jeske發(fā)表這一方法后，人們從諸多方面展開(kāi)了氣海相互作用理論預(yù)測(cè)蒸發(fā)波導(dǎo)高度的研究。在美國(guó)IREPS系統(tǒng)中使用了H.Jeske提出的蒸發(fā)波導(dǎo)高度預(yù)測(cè)方法，1985年，R.A.Paulus對(duì)該方法提出了一個(gè)修正的使用模型，這就是PJ模式。1991年John Cook提出了先預(yù)測(cè)溫濕剖面，再計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)剖面的方法，并比較了幾個(gè)預(yù)測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確度，分析了測(cè)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的誤差。1992年Musson-Genon、Gaut-hier、Bruth介紹了一種蒸發(fā)波導(dǎo)模式，因?yàn)槠浣馕龇ńY(jié)果最好而被用在歐洲的中尺度天氣預(yù)報(bào)中。1996年Babin提出了一種新模式，利用高速計(jì)算能力的計(jì)算機(jī)取代邊界層物理學(xué)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并且還使用了最新的研究成果，例如Buck方程、鹽度修正公式等，對(duì)低風(fēng)速也有效，不僅如此，還對(duì)誤差進(jìn)行了敏感性分析，使得蒸發(fā)波導(dǎo)高度的預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確。

最近，由美海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）開(kāi)發(fā)研制的海洋大氣耦合中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)（COAMPS）已經(jīng)投入業(yè)務(wù)使用，其功能之一就是預(yù)報(bào)蒸發(fā)波導(dǎo)高度和大氣折射指數(shù)，評(píng)估大氣環(huán)境對(duì)電磁波傳播的影響。美海軍艦隊(duì)數(shù)值海洋氣象中心20世紀(jì)80年代業(yè)務(wù)使用全球表面接觸界面（GSCLI）蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報(bào)模式，該模式是一種整體邊界層相似模式，是一種診斷模式，需要以美海軍業(yè)務(wù)全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（NOGAPS）輸出的預(yù)報(bào)量作為模式的輸入進(jìn)行診斷分析。

我國(guó)在20世紀(jì)60年代開(kāi)始對(duì)波導(dǎo)的出現(xiàn)情況進(jìn)行了觀測(cè)研究，后來(lái)一度終止，從90年代又重新開(kāi)始，迄今為止，我國(guó)的研究人員已在大氣波導(dǎo)的形成機(jī)理、電磁波傳播模型研究、大氣波導(dǎo)和蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)電磁波傳播影響等方面進(jìn)行了

較為深入的分析，具體包括蒸發(fā)波導(dǎo)條件下電磁場(chǎng)分布情況、雷達(dá)探測(cè)性能分析、雷達(dá)探測(cè)距離的影響及超視距的評(píng)估、大氣波導(dǎo)條件下雷達(dá)測(cè)距和測(cè)高影響及盲區(qū)分布等。

總體來(lái)講，國(guó)內(nèi)波導(dǎo)領(lǐng)域的研究人員對(duì)拋物線方程等電磁波傳播模型及大氣波導(dǎo)，尤其是海上蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能的影響等方面研究較深，但是大氣波導(dǎo)環(huán)境研究還不充分，尤其是蒸發(fā)波導(dǎo)空間分布的不均勻性等方面。要得到海洋大氣近地層中蒸發(fā)波導(dǎo)修正折射率廓線，仍顯不足，例如折射率經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、利用氣象學(xué)研究的天氣預(yù)測(cè)模式進(jìn)行修正折射率預(yù)報(bào)以及使用空基、地基GPS觀測(cè)資料反演大氣折射率剖面都無(wú)法實(shí)時(shí)提供在垂直方向上高分辨率的修正折射率廓線，而海雜波反演還要在傳播模型、環(huán)境模型、海雜波模型以及反演算法等方面進(jìn)行深入研究以解決其普適性較弱的問(wèn)題[4-5]，同時(shí)由于要獲取實(shí)時(shí)的大氣環(huán)境信息，因此雷達(dá)需要頻繁開(kāi)機(jī)，這樣不利于軍事上的保密。因此在我國(guó)，仍需對(duì)低空大氣波導(dǎo)環(huán)境，特別是大氣折射率三維空間變化，開(kāi)展進(jìn)一步的研究，更好地為軍事和民用通信等服務(wù)。

3 大氣波導(dǎo)的光學(xué)探測(cè)手段

激光在大氣中傳播同樣受到大氣折射率的影響，激光在空氣中的折射率n通常與激光波長(zhǎng)λ、大氣壓強(qiáng)P、溫度T和空氣濕度e有關(guān)，可以表示成：

由于激光消光系數(shù)的變化率和折射率的變化率都與溫度、濕度、壓強(qiáng)和波長(zhǎng)相關(guān)，通過(guò)分析空間消光系數(shù)的變化率可以了解空間折射率的變化率，而折射率的變化正是波導(dǎo)產(chǎn)生的原因，因此可以用激光探測(cè)消光系數(shù)的方法為波導(dǎo)現(xiàn)象的出現(xiàn)提供判據(jù)。圖1為激光探測(cè)大氣波導(dǎo)的理論框架。

圖1 激光探測(cè)大氣波導(dǎo)的理論框架

不同于傳統(tǒng)大氣波導(dǎo)的探測(cè)，利用激光探測(cè)大氣波導(dǎo)，通過(guò)對(duì)激光回波信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析即可完成大氣波導(dǎo)的遙感探測(cè)，具有全方位、高實(shí)時(shí)性、高靈活性、高保密性、低成本等優(yōu)點(diǎn)，更能適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境波導(dǎo)探測(cè)的軍事需求。具體具有如下優(yōu)點(diǎn)。

3.1 實(shí)現(xiàn)雷達(dá)靜默下對(duì)大氣波導(dǎo)的實(shí)時(shí)探測(cè)

利用激光探測(cè)大氣波導(dǎo)，可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)靜默條件下對(duì)大氣波導(dǎo)的實(shí)時(shí)探測(cè)。在戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜的電磁環(huán)境下，微波雷達(dá)可能受到干擾和攻擊，用雷達(dá)波探測(cè)大氣波導(dǎo)容易暴露目標(biāo)。由于激光傳輸具有單方向性和良好的保密性，用激光雷達(dá)探測(cè)大氣波導(dǎo)不容易被截獲，因此具有隱蔽性，在戰(zhàn)場(chǎng)上可以不用雷達(dá)開(kāi)機(jī)，借助激光探測(cè)即可知道波導(dǎo)出現(xiàn)情況，為雷達(dá)的通信和探測(cè)提供依據(jù)。

圖2 近海面激光傳輸路徑效果圖

3.2 為大氣激光通信提供技術(shù)支持

激光探測(cè)大氣波導(dǎo)，可以為大氣激光通信提供技術(shù)支持。激光在大氣傳輸中，同樣會(huì)出現(xiàn)因?yàn)檎凵渎实耐蛔兪箓鬏斅窂桨l(fā)生偏轉(zhuǎn)。在海上近海面大氣層（高度小于50 m），由于氣海溫差的存在導(dǎo)致垂直層面溫度分布的不同，從而使得各高度層面上空氣折射率不同。

圖2所示激光的傳輸會(huì)出現(xiàn)兩種不同的路徑偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，與雷達(dá)波的傳播類似，同樣可以實(shí)現(xiàn)超視距傳播。利用激光探測(cè)大氣波導(dǎo)，通過(guò)分析激光束的回波信號(hào)特征即可知道激光在大氣中的傳播特性，為激光通信的對(duì)準(zhǔn)、誤碼性能的分析等提供可靠的技術(shù)支持。

3.3 用作對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)氣象條件的分析和預(yù)測(cè)

激光探測(cè)大氣波導(dǎo)可以用作對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)氣象條件的分析和預(yù)測(cè)。激光探測(cè)大氣波導(dǎo)通過(guò)對(duì)回波信號(hào)分析可以得出氣溶膠的消光系數(shù)。氣溶膠中水汽和沙塵的比例不同會(huì)使得氣溶膠具有不同的消光系數(shù)，反過(guò)來(lái)也可以通過(guò)消光系數(shù)分析出氣溶膠的不同組成。根據(jù)氣溶膠中水汽和沙塵的不同比例即可以對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)氣象條件進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，用來(lái)為各種飛機(jī)和導(dǎo)彈的發(fā)射提供氣象指標(biāo)，為作戰(zhàn)指揮提供參考。

4 總結(jié)

蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象是電磁波海面?zhèn)鞑サ囊环N特殊現(xiàn)象，其主要形成原因是海面上水汽蒸發(fā)，使得上幾十米高度范圍內(nèi)的大氣濕度隨高度銳減，進(jìn)而使大氣折射率自海面向上迅速減小出現(xiàn)負(fù)梯度。蒸發(fā)波導(dǎo)情況下電磁波呈現(xiàn)超視距傳輸現(xiàn)象，當(dāng)前探測(cè)蒸發(fā)波導(dǎo)多采用分析雷達(dá)回波的方法。在戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境下，微波雷達(dá)可能受到干擾和攻擊，用雷達(dá)波探測(cè)大氣波導(dǎo)容易暴露目標(biāo)。由于激光傳輸具有單方向性，如果采用激光探測(cè)大氣波導(dǎo)則不容易被截獲，在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)靜默下的波導(dǎo)探測(cè)。用激光手段探測(cè)大氣波導(dǎo)現(xiàn)象目前仍是一種新型的手段，正處于完善階段，隨著光電技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，該技術(shù)作為一種保密性好的探測(cè)手段也將會(huì)得到重視和發(fā)展。