基于氣象數(shù)據(jù)的南海夏季蒸發(fā)波導(dǎo)分析及低空補(bǔ)盲方法

周 亮，張 寧，王玲玲

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

雷達(dá)對(duì)低空目標(biāo)的探測(cè)性能會(huì)受到對(duì)流層大氣影響。[1]標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境中的溫度、壓力、水汽壓隨著高度增加而下降，但局部地區(qū)偶爾會(huì)出現(xiàn)溫度隨高度增加而增加的現(xiàn)象，即出現(xiàn)逆溫層。[2-3]當(dāng)溫度垂直梯度>-8.5 ℃/100 m或濕度垂直梯度<-2.9 mb/100 m時(shí)會(huì)產(chǎn)生大氣波導(dǎo)，其中的電磁波傳播會(huì)出現(xiàn)傳播路徑彎曲現(xiàn)象，稱為大氣折射效應(yīng)。[4-7]電磁波能夠在大氣波導(dǎo)層中進(jìn)行穩(wěn)定傳播，甚至能夠超過(guò)雷達(dá)的視距范圍。[8-11]因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)大氣波導(dǎo)展開了大量的研究，主要采用拋物方程模型和射線追蹤模型來(lái)評(píng)估雷達(dá)的視距內(nèi)干涉盲區(qū)的位置、寬度等參數(shù)。這些研究主要是在特定大氣波導(dǎo)環(huán)境中進(jìn)行分析的，其導(dǎo)出的結(jié)論與雷達(dá)的工作頻率、雷達(dá)架高和目標(biāo)高度等要素有關(guān)，且沒(méi)有給出實(shí)際大氣波導(dǎo)環(huán)境的應(yīng)對(duì)方法。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文選取蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)概率最高地區(qū)(南海沿海地區(qū))和季節(jié)(夏季)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并通過(guò)拋物方程模型對(duì)電磁波傳播特性展開仿真分析。結(jié)果表明，在出現(xiàn)較強(qiáng)的蒸發(fā)波導(dǎo)時(shí)低空電磁波會(huì)被陷獲在波導(dǎo)層中，對(duì)海威力出現(xiàn)顯著增程，但對(duì)于掠海低空飛行的目標(biāo)而言其探測(cè)威力卻和標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境相似，也就是說(shuō)蒸發(fā)波導(dǎo)的出現(xiàn)不一定改善低空目標(biāo)的探測(cè)性能。為了解釋這一現(xiàn)象，在不同工作頻率上展開進(jìn)一步分析，得到蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)探測(cè)性能改善所具有的不確定性，并給出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方法：當(dāng)波導(dǎo)強(qiáng)度過(guò)大時(shí)應(yīng)采用多頻率聯(lián)合處理來(lái)抑制波導(dǎo)產(chǎn)生的陷獲盲區(qū)和波導(dǎo)外部的多徑干涉盲區(qū)。這對(duì)于低空突襲目標(biāo)的超視距預(yù)警探測(cè)具有重要的研究意義。

1 南海島礁夏季的氣象數(shù)據(jù)分析

蒸發(fā)波導(dǎo)在南海沿海地區(qū)的出現(xiàn)概率較高，夏季是波導(dǎo)出現(xiàn)最頻繁、分布最廣的季節(jié)。因此，研究該環(huán)境中的雷達(dá)探測(cè)性能，分析電磁波在海面蒸發(fā)波導(dǎo)中衰減因子隨距離、高度和頻率變化對(duì)超視距雷達(dá)設(shè)備性能提升具有研究?jī)r(jià)值。

圖1 南海島礁觀測(cè)站夏季的實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，海上環(huán)境中的氣壓、海溫具有較明顯的周期性。海面溫度主要受日照影響，存在上午升高下午降低的特點(diǎn)。海溫和氣溫影響著海面水汽蒸發(fā)量，改變海面上方的大氣濕度，而大氣濕度又會(huì)影響海面上方的大氣壓強(qiáng)。由于海溫較穩(wěn)定而氣溫變化較大，海面和大氣之間出現(xiàn)熱交換并產(chǎn)生空氣對(duì)流，風(fēng)速在時(shí)間上沒(méi)有顯著的規(guī)律。

由于觀測(cè)數(shù)據(jù)量較大，首先采用無(wú)監(jiān)督聚類的方法進(jìn)行分析，在大量觀測(cè)數(shù)據(jù)中尋找典型的氣象環(huán)境，用類別中心來(lái)進(jìn)行表示。聚類分析能夠顯著降低樣本的數(shù)據(jù)量，并統(tǒng)計(jì)出相似環(huán)境的發(fā)生概率。選擇Kmeans聚類算法進(jìn)行分析，設(shè)置初始類別數(shù)為24，迭代后可以得到典型的24種環(huán)境數(shù)據(jù)，如表1所示。

選擇對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)影響較大的3個(gè)參數(shù)，即數(shù)據(jù)的氣溫、海溫和濕度并繪制出來(lái)，如圖2所示。可以看出，聚類后的數(shù)據(jù)已經(jīng)形成簇狀，數(shù)據(jù)之間仍存在部分交疊，這是因?yàn)槠湓诹硗獾?個(gè)維度上存在差異。

表1 無(wú)監(jiān)督聚類后的類別中心

圖2 不同類別中心對(duì)應(yīng)的氣溫、海溫?cái)?shù)據(jù)分布

將聚類產(chǎn)生的24種環(huán)境參數(shù)(屬于相同類數(shù)據(jù)的平均值)代入蒸發(fā)波導(dǎo)(PJ)模型，計(jì)算得到不同氣象環(huán)境對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)波導(dǎo)剖面，如圖3所示。結(jié)果表明，南海夏季在各時(shí)段內(nèi)均存在強(qiáng)弱不同的蒸發(fā)波導(dǎo)，在白天和夜晚的時(shí)間段上均會(huì)出現(xiàn)。

圖3 AREPS軟件中PJ模型計(jì)算得到的 大氣折射率剖面

2 南海夏季不同氣象時(shí)的雷達(dá)探測(cè)效能分析

假設(shè)雷達(dá)工作頻率為9 GHz，天線增益為40 dB，架高為18 m，脈沖峰值功率為10 kW，脈寬為20 μs，采用3脈沖非相參積累，目標(biāo)雷達(dá)散射截面為2 m2，虛警概率為10-6。將蒸發(fā)波導(dǎo)剖面依次代入電波傳播模型、雷達(dá)方程模型和Shnidman方程，得到電磁波傳播路徑損耗、回波信噪比和目標(biāo)檢測(cè)概率。目標(biāo)檢測(cè)概率的空間分布偽彩圖如圖4所示，排序方式為從左至右、從上到下。

結(jié)果表明，即使存在較強(qiáng)的蒸發(fā)波導(dǎo)，采用X波段雷達(dá)對(duì)掠海飛行(30～50 m)的低空目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)出現(xiàn)顯著威力增程的概率很低。也就是說(shuō)，蒸發(fā)波導(dǎo)存在的大部分時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有帶來(lái)雷達(dá)探測(cè)性能的提升。大體上可以看出，雷達(dá)探測(cè)性能可以分為3種情況，第1種是沒(méi)有明顯的性能提升，如第1類和第2類所示；第2種是顯著增強(qiáng)波導(dǎo)附近(高度<30 m)的探測(cè)威力，對(duì)海目標(biāo)的探測(cè)威力得到有效提升，但波導(dǎo)頂部的探測(cè)威力沒(méi)有明顯的性能提升，雷達(dá)威力對(duì)于目標(biāo)高度較為敏感，如第3類所示；第3種是顯著提升了目標(biāo)的低空探測(cè)性能，如第16類、第19類、第23類和第24類所示，低空目標(biāo)的探測(cè)威力能夠超過(guò)50 km。

圖4 24類氣象數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)檢測(cè)概率

不同氣象環(huán)境的雷達(dá)探測(cè)性能對(duì)比說(shuō)明：在出現(xiàn)陷獲能力較強(qiáng)的蒸發(fā)波導(dǎo)時(shí)雷達(dá)對(duì)掠海目標(biāo)的探測(cè)威力增程卻不一定最優(yōu)。但是從理論上來(lái)講，相同強(qiáng)度的蒸發(fā)波導(dǎo)中電磁波的陷獲性能與工作頻率存在正相關(guān)，兩者之間似乎存在矛盾。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，從雷達(dá)的工作載頻出發(fā)，分析相同氣象環(huán)境中頻率對(duì)目標(biāo)探測(cè)性能的影響。假設(shè)氣象環(huán)境為類別1，工作頻率1～12 GHz雷達(dá)的目標(biāo)探測(cè)性能如圖5所示，排序方式為從左至右、從上到下。

圖5 氣象類別1中工作頻率為1～12 GHz時(shí)的目標(biāo)探測(cè)概率

結(jié)果表明，1～3 GHz范圍內(nèi)隨著頻率的增加，第1波瓣逐漸向地面彎曲；在4～5 GHz時(shí)對(duì)于100 m以下的海面目標(biāo)及低空目標(biāo)而言，雷達(dá)探測(cè)威力顯著增程，能夠很好地實(shí)現(xiàn)超視距目標(biāo)預(yù)警；在6～8 GHz時(shí)蒸發(fā)波導(dǎo)將第1個(gè)干涉波瓣陷獲在波導(dǎo)內(nèi)，有利于海面目標(biāo)的探測(cè)預(yù)警，但對(duì)于低空目標(biāo)而言幾乎沒(méi)有多少威力增程；在9 GHz工作頻點(diǎn)時(shí)，探測(cè)威力卻和S波段幾乎相同，波導(dǎo)內(nèi)部的第1個(gè)干涉波瓣由于彎折向海面而被海面散射到各個(gè)方向，導(dǎo)致波導(dǎo)內(nèi)也沒(méi)能形成穩(wěn)定的威力增程；在10～11 GHz時(shí)蒸發(fā)波導(dǎo)開始逐漸陷獲第2個(gè)干涉波瓣，同時(shí)波導(dǎo)內(nèi)的第1個(gè)干涉波瓣也隱約可見，此時(shí)蒸發(fā)波導(dǎo)有利于低空目標(biāo)的穩(wěn)定探測(cè)。

3 蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境中的低空補(bǔ)盲方法

通過(guò)繪制的蒸發(fā)波導(dǎo)剖面、對(duì)比目標(biāo)探測(cè)分布圖隨氣象環(huán)境及工作頻率的變化可知，南海夏季已經(jīng)形成了較強(qiáng)的蒸發(fā)波導(dǎo)，能夠陷獲X波段雷達(dá)的第1波瓣。因此，減少蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)電磁波的陷獲效應(yīng)可以有效改善低空目標(biāo)探測(cè)的空間覆蓋，最佳的狀態(tài)是電磁波在蒸發(fā)波導(dǎo)頂層出現(xiàn)泄漏則能夠很好地覆蓋不同的目標(biāo)高度。

根據(jù)電磁波的干涉原理，入射波和反射波的路徑差會(huì)導(dǎo)致相位差，從而形成了波瓣之間的盲區(qū)。以不同頻率間零極點(diǎn)對(duì)齊作為出發(fā)點(diǎn)，可以推導(dǎo)出低空目標(biāo)探測(cè)的補(bǔ)盲策略。由于掠入射時(shí)的反射系數(shù)接近-1，導(dǎo)出第m個(gè)相長(zhǎng)處的相位差和第n個(gè)相消處的相位差為

(1)

對(duì)主工作頻率f1而言，第n個(gè)盲區(qū)的補(bǔ)盲頻率f2可以選擇為

(2)

根據(jù)不同氣象環(huán)境中的探測(cè)威力可知，對(duì)第1個(gè)和第2個(gè)盲區(qū)進(jìn)行補(bǔ)盲就足夠了，即工作頻率為9 GHz時(shí)采用4.5 GHz和6.75 GHz兩個(gè)配合補(bǔ)盲頻點(diǎn)。由于配合補(bǔ)盲頻點(diǎn)與主工作頻點(diǎn)之間相差較大，可以采用X波段雷達(dá)和C波段雷達(dá)聯(lián)合探測(cè)的方式進(jìn)行，3頻點(diǎn)聯(lián)合檢測(cè)時(shí)的探測(cè)概率為

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

(3)

將聯(lián)合檢測(cè)的檢測(cè)概率繪制在圖6中(排序方式為從左至右、從上到下)。對(duì)比圖4可以看出，雷達(dá)對(duì)低空目標(biāo)的探測(cè)概率大幅提升，空間分布變得更加均勻，有利于超視距低空小目標(biāo)的遠(yuǎn)程預(yù)警和穩(wěn)定跟蹤。多頻點(diǎn)聯(lián)合處理后的結(jié)果對(duì)氣象參數(shù)的敏感程度也顯著降低，單次檢測(cè)概率在0.6～0.8的區(qū)域的聯(lián)合檢測(cè)概率也提升至0.9，探測(cè)的穩(wěn)定性也會(huì)得到有效提升。

圖6 24類氣象數(shù)據(jù)3頻點(diǎn)聯(lián)合檢測(cè)的目標(biāo)檢測(cè)概率

4 結(jié)束語(yǔ)

基于南海夏季實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，聚類后獲得了24種典型的氣象環(huán)境及其對(duì)應(yīng)的折射率剖面。通過(guò)雷達(dá)性能評(píng)估，說(shuō)明了陷獲能力較強(qiáng)的蒸發(fā)波導(dǎo)能產(chǎn)生顯著的大氣折射，但此時(shí)低空目標(biāo)的探測(cè)威力沒(méi)有得到顯著提高。采用頻率分析的方法解釋了這一現(xiàn)象，并通過(guò)3頻點(diǎn)聯(lián)合處理提升了探測(cè)的穩(wěn)定性和雷達(dá)威力。這對(duì)于超視距雷達(dá)的設(shè)計(jì)而言具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。