視距內(nèi)蒸發(fā)波導(dǎo)對海環(huán)境下雷達(dá)探測盲區(qū)影響分析

劉勇，張利軍，王紅光，馬強(qiáng)

（1.中國人民解放軍92941部隊(duì)，葫蘆島 125000；2.中國電波傳播研究所，青島 266107）

雷達(dá)對海洋環(huán)境下視距內(nèi)低空飛行目標(biāo)的探測跟蹤，經(jīng)常發(fā)生跟蹤不穩(wěn)定、探測距離近等問題。究其原因，除了多路徑、海雜波等因素外，蒸發(fā)波導(dǎo)也是一個重要因素。在海洋環(huán)境下，雷達(dá)探測跟蹤視距內(nèi)目標(biāo)時形成的盲區(qū)可分為頂空盲區(qū)、低空盲區(qū)、波瓣間盲區(qū)、視距外盲區(qū)以及障礙物遮蔽盲區(qū)等。針對雷達(dá)的特性，對頂空盲區(qū)、低空盲區(qū)、視距外盲區(qū)、障礙物遮蔽盲區(qū)等盲區(qū)的成因、機(jī)理分析等已有較多的文獻(xiàn)進(jìn)行了報道，而蒸發(fā)波導(dǎo)對視距內(nèi)的波瓣盲區(qū)影響分析則少見報道。因此本文重點(diǎn)研究在海洋環(huán)境下雷達(dá)探測跟蹤視距內(nèi)目標(biāo)時，蒸發(fā)波導(dǎo)對其產(chǎn)生盲區(qū)的影響，分析其機(jī)理。

1 雷達(dá)傳播損耗與盲區(qū)分布分析計算方法

為探討視距內(nèi)蒸發(fā)波導(dǎo)對海環(huán)境下雷達(dá)探測波瓣盲區(qū)影響問題，先介紹雷達(dá)的傳播損耗與盲區(qū)的計算方法。

1.1 雷達(dá)傳播損耗計算方法

雷達(dá)天線至目標(biāo)的傳播路徑損耗的計算可用廣泛使用的拋物方程方法計算。利用拋物方程近似的波動方程方法，可對任意大氣環(huán)境，尤其適合于大氣波導(dǎo)環(huán)境的電波傳播預(yù)測。參考文獻(xiàn)［1-2］中對于大氣波導(dǎo)環(huán)境的電波傳播預(yù)測具有較詳實(shí)的描述，其中在考慮地球曲率的條件下，標(biāo)準(zhǔn)的拋物方程步進(jìn)解如下：

式中，u(x,z)為定義的x軸方向傳播的波函數(shù)，x為水平方向，z為垂直的高度方向；k0為自由空間波數(shù)；n為位置(x,z)處的折射率；ae為地球半徑；p為變換域變量；Δx為距離方向上的步進(jìn)；?和?-1分別為傅立葉變換和逆變換。其中初始場u(0,z)可由天線方向圖得到。由于其能夠提供距離上相關(guān)的波動方程的全波解，且其解可采用分步傅立葉算法，易于在計算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，因此拋物方程方法在計算電磁波傳播領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。在獲得不同距離以及不同高度處的波函數(shù)u(x,z)后，傳播因子F可用下式計算：

進(jìn)而得到傳播路徑損耗：

式中，d為雷達(dá)到目標(biāo)的距離；λ為雷達(dá)電磁波的波長。

依據(jù)計算獲得的傳播損耗，在給定雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)以及目標(biāo)參數(shù)情形下可以快速計算雷達(dá)探測不同距離、不同高度處目標(biāo)的回波功率。

1.2 雷達(dá)盲區(qū)計算方法

依據(jù)雷達(dá)對目標(biāo)的回波接收功率與雷達(dá)接收機(jī)靈敏度的關(guān)系用來評估雷達(dá)的盲區(qū)分布。如果雷達(dá)性能評估中僅僅考慮大氣環(huán)境變化對雷達(dá)探測的影響，可根據(jù)雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)以及最小可檢測信號功率計算允許的最大傳播路徑損耗，即Lmax，其表達(dá)式：

利用分貝單位表示，有：

如果實(shí)際傳播環(huán)境下的傳播損耗小于允許的最大路徑損耗，則雷達(dá)可探測到目標(biāo)；反之傳播損耗大于允許的最大路徑損耗，則形成雷達(dá)的探測盲區(qū)。

假定如下計算條件：標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境，頻率為6 GHz，高斯天線類型，垂直波束寬度為3°，0°仰角，雷達(dá)天線架設(shè)高度為100 m，海面環(huán)境。圖1所示給出了該計算條件下雷達(dá)探測的頂空盲區(qū)、低空盲區(qū)、視距盲區(qū)以及波瓣盲區(qū)等。其中，圖示深色區(qū)域則表示傳播損耗小于Lmax，位于該處的目標(biāo)能夠被探測到；白色區(qū)域則表示傳播損耗大于Lmax，位于該處的目標(biāo)不能被探測到，形成雷達(dá)的探測盲區(qū)。容易知道，頂空盲區(qū)由天線波瓣在仰角上的限制造成；低空盲區(qū)由雷達(dá)天線架設(shè)高度以及波束俯仰掃描角度的限制造成；視距盲區(qū)由地球曲率造。以往諸多文獻(xiàn)考慮大氣波導(dǎo)效應(yīng)形成超視距傳播，進(jìn)而導(dǎo)致視距盲區(qū)消失以及形成新的波導(dǎo)頂部盲區(qū)。而大氣波導(dǎo)對視距以內(nèi)的波瓣盲區(qū)影響則少見報道。本文重點(diǎn)關(guān)注蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境對雷達(dá)視距探測盲區(qū)的影響特征。

圖1 雷達(dá)盲區(qū)分布

2 蒸發(fā)波導(dǎo)對雷達(dá)探測視距內(nèi)盲區(qū)影響分析

2.1 不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度下雷達(dá)探測視距內(nèi)盲區(qū)分布分析

根據(jù)1.2節(jié)提供的雷達(dá)盲區(qū)計算方法，針對雷達(dá)探測掠海飛行的飛行器情形，對雷達(dá)盲區(qū)分布進(jìn)行仿真。本文選取一種典型條件進(jìn)行，可取目標(biāo)RCS為0.5 m2，設(shè)雷達(dá)天線高度20 m，天線仰角0°，頻率為6 GHz，根據(jù)典型雷達(dá)發(fā)射功率、天線增益、系統(tǒng)損耗、噪聲系數(shù)、接收機(jī)靈敏度、目標(biāo)特性等參數(shù)，根據(jù)式（5）計算雷達(dá)允許的最大路徑損耗。

利用給出的雷達(dá)盲區(qū)計算方法，計算不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度情形下的雷達(dá)盲區(qū)分布，如圖2所示。由圖可見：由于蒸發(fā)波導(dǎo)的存在，導(dǎo)致雷達(dá)探測距離在近海面具有較大的延伸，即形成超視距傳播，尤其當(dāng)波導(dǎo)高度為20 m、30 m的情形，同時在一些高度上也使得探測距離有所減少，波瓣盲區(qū)影響雷達(dá)探測距離也不同。

圖2 不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度條件下的雷達(dá)盲區(qū)分布

2.2 不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度下雷達(dá)探測視距內(nèi)盲區(qū)影響分析

根據(jù)2.1給出的不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度條件下雷達(dá)探測波瓣盲區(qū)分布情況，現(xiàn)以100 m高度目標(biāo)的探測為例，給出100 m高度上的傳播損耗隨著距離的變化，如圖3所示。

圖3 不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度條件下傳播損耗隨著距離的變化

由圖3中不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度下的傳播損耗變化可以看到，由于多徑干涉的深衰落位置明顯不同（圖3（a）-（d）中位置①、②、③為多徑干涉下產(chǎn)生的深衰落位置），進(jìn)而造成視距內(nèi)截然不同的雷達(dá)探測盲區(qū)。以蒸發(fā)波導(dǎo)高度0 m情形下圖示標(biāo)號的三個深衰落位置為參考，表1給出了不同情形下的深衰落位置變化。由表中數(shù)據(jù)可以看到：蒸發(fā)波導(dǎo)高度10 m、20 m、30 m相對于無蒸發(fā)波導(dǎo)來說，深衰落位置①相對后移1.8 km、4 km、7.4 km；深衰落位置②相對后移3.7 km、9.5 km、11.9 km；深衰落位置③相對后移8.9 km、41.6 km。其中蒸發(fā)波導(dǎo)高度30 m時，相對于其它蒸發(fā)波導(dǎo)高度深衰落位置③消失。

表1 深衰落的位置

表2 目標(biāo)高度100 m時的雷達(dá)盲區(qū)位置變化

表2給出了該目標(biāo)高度下不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度時的雷達(dá)盲區(qū)變化。其中蒸發(fā)波導(dǎo)高度10 m以及無蒸發(fā)波導(dǎo)高度的盲區(qū)區(qū)域?qū)?yīng)表1中的深衰落位置附近區(qū)域，而蒸發(fā)波導(dǎo)高度20 m以及30 m由于深衰落位置后移使得深衰落位置①以前的其它距離上出現(xiàn)新的盲區(qū)。由表中數(shù)據(jù)可以看到：雷達(dá)探測盲區(qū)Ⅰ主要分布在19～21 km之間，盲區(qū)區(qū)域Ⅱ主要分布在24～29 km之間，盲區(qū)區(qū)域Ⅲ主要分布在34～48 km之間。

綜上分析可知：隨著蒸發(fā)波導(dǎo)的不同，其具體的盲區(qū)區(qū)域有較大差別。隨著蒸發(fā)波導(dǎo)高度的增加，雷達(dá)盲區(qū)的跨越區(qū)域也有所增加，在不同的盲區(qū)位置其區(qū)域跨度的距離也隨之變化，據(jù)此可以分析不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度條件下雷達(dá)探測波瓣盲區(qū)的分布情況，為雷達(dá)的探測應(yīng)用提供支持。

3 對比驗(yàn)證

利用蒸發(fā)波導(dǎo)監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測的某一海域的蒸發(fā)波導(dǎo)分布情況和雷達(dá)實(shí)際工作情況可以對第2節(jié)的分析開展比對驗(yàn)證。2016年7月某海域雷達(dá)工作后盲區(qū)實(shí)際分布為：（1）29.5～31.6 km；（2）27.5～29 km；（3）22.2～24 km；（4）16.3～17.3 km；（5）11.3～14.3 km。在該過程中監(jiān)測到蒸發(fā)波導(dǎo)高度為8.6 m；利用實(shí)測的蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境計算的盲區(qū)位置為：（1）32.8～40 km；（2）22.4～24 km；（3）16.7～17.2 km；（4）13.2～13.3 km。上述結(jié)果表明：雷達(dá)實(shí)測盲區(qū)與理論計算盲區(qū)在17 km、23 km附近基本一致。需要指出的是：盲區(qū)計算中飛行目標(biāo)的RCS選取固定值，沒有考慮其姿態(tài)變化帶來的RCS變化，因此盲區(qū)計算結(jié)果也出現(xiàn)了一些不一致的情形。

4 結(jié)論

蒸發(fā)波導(dǎo)是海洋環(huán)境中經(jīng)常存在的一種波導(dǎo)類型，對雷達(dá)探測掠海小目標(biāo)具有較大影響。除了蒸發(fā)波導(dǎo)超視距傳播帶來的波導(dǎo)頂部盲區(qū)以外，蒸發(fā)波導(dǎo)還顯著改變了雷達(dá)視距內(nèi)盲區(qū)的位置。本文詳細(xì)分析了不同蒸發(fā)波導(dǎo)高度對雷達(dá)探測掠海小目標(biāo)的影響。相對無蒸發(fā)波導(dǎo)時，隨著波導(dǎo)高度的增加，雷達(dá)盲區(qū)的位置區(qū)域相對后移，且盲區(qū)跨越區(qū)域有所增加。在海上雷達(dá)跟蹤目標(biāo)過程中出現(xiàn)的丟點(diǎn)現(xiàn)象以及丟點(diǎn)位置與上述分析密切相關(guān)，在事后分析數(shù)據(jù)時必須考慮雷達(dá)工作環(huán)境。