基于海洋安全的大氣波導(dǎo)觀測方法研究

汪文杰, 許佳立, 黃賢青, 賈東寧, 2

基于海洋安全的大氣波導(dǎo)觀測方法研究

汪文杰1, 許佳立1, 黃賢青1, 賈東寧1, 2

(1. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點國家實驗室, 山東 青島 266237; 2. 中國海洋大學(xué), 山東 青島 266010)

海上船舶一旦遇到大氣波導(dǎo), 可使船載電子信息系統(tǒng)之間的短波通信距離增大數(shù)倍, 同時通信距離范圍內(nèi)的部分區(qū)域會出現(xiàn)電磁盲區(qū)。本文圍繞海洋安全保障需求, 開展了大氣波導(dǎo)協(xié)同觀測技術(shù)研究, 闡述了海上大氣波導(dǎo)對超視距傳輸與探測的重要性。通過對大氣波導(dǎo)的形成機制和影響機理進行研究, 系統(tǒng)化概述了蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的觀測原理及常規(guī)觀測方法。通過分析研究傳統(tǒng)大氣波導(dǎo)的觀測方法, 發(fā)現(xiàn)其在觀測手段、觀測精度、觀測范圍和觀測成本方面存在局限性。基于此, 本文提出一種多物理場協(xié)同探測的大氣波導(dǎo)觀測方法, 通過集合海上浮標網(wǎng)、船聯(lián)網(wǎng)、星聯(lián)網(wǎng)和岸基網(wǎng)等各類觀測儀器和設(shè)備, 可實現(xiàn)海上大氣參數(shù)的實時獲取, 構(gòu)建海上大氣波導(dǎo)預(yù)報系統(tǒng), 形成海上大氣波導(dǎo)大范圍、高精度、實時性預(yù)報, 為海上超視距雷達探測提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

大氣波導(dǎo); 海洋安全; 電磁傳播; 超視距探測; 協(xié)同觀測

大氣波導(dǎo)是一種雷達波超視距傳輸?shù)默F(xiàn)象, 是由一定的對流層氣象條件產(chǎn)生的具有垂直分布和水平擴展性的一種特殊大氣層結(jié)構(gòu)。在海洋環(huán)境中, 由于受海面以上水汽垂直分布以及大氣邊界層穩(wěn)定度的影響, 使得大氣波導(dǎo)在海洋中出現(xiàn)的頻率和持久度要遠高于其在陸地環(huán)境中出現(xiàn)的情況[1-2], 例如海上蒸發(fā)波導(dǎo), 其出現(xiàn)的概率高達85%以上。隨著世界各國對海洋經(jīng)濟的發(fā)展越來越重視, 海洋安全逐漸成為海洋經(jīng)濟持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要支撐。因此, 利用海上大氣波導(dǎo)來實現(xiàn)目標的超視距探測與超視距接收將有利于為海洋安全保障。

本文主要利用大氣波導(dǎo)的雙面性, 從超視距雷達探測和利用盲區(qū)隱身突防兩個角度解析了海上蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)對海洋安全的重要性, 并詳細闡述了這幾種大氣波導(dǎo)的探測原理與傳統(tǒng)觀測方法, 通過對比分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有觀測方法存在一定的局限性, 無論是觀測精度還是觀測范圍都無法滿足超視距傳輸需求。為此, 本文提出了一種基于多物理場協(xié)同觀測的海上大氣波導(dǎo)觀測方法, 該方法集合了海上眾多觀測儀器設(shè)備, 不僅提高了觀測精度, 還實現(xiàn)了大范圍觀測, 解決了傳統(tǒng)觀測方法存在的局限性。通過實時獲取目標海域的大氣波導(dǎo)參數(shù), 如波導(dǎo)高度、強度、厚度和范圍等, 可指導(dǎo)海上船舶進行超視距雷達精準探測。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于大氣波導(dǎo)的研究最早可追溯至20世紀30年代,當時雷達技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用, 由大氣波導(dǎo)引發(fā)的奇怪現(xiàn)象也逐漸受到世界各國的重視。20世紀70年代, 隨著軍事競爭的進一步需求, 世界上又掀起了研究大氣波導(dǎo)的高潮。由于大氣波導(dǎo)具有超視距發(fā)現(xiàn)、易形成電磁盲區(qū)、跳躍盲區(qū)[3]并增加雷達測高、測距、測角、測速的誤差以及增強雷達雜波等特點, 如圖1所示, 因此, 各國開始競相開展海上大氣波導(dǎo)觀測技術(shù)相關(guān)研究, 以便掌握大氣波導(dǎo)的強度和位置, 進而為海上目標探測、發(fā)現(xiàn)和識別提供技術(shù)支持, 把握海上安全主動權(quán)。

目前, 國外對大氣波導(dǎo)的探測方法主要包括衛(wèi)星探測、低空系留氣球探測、氣象梯度塔探測、微波折射儀探測、微波輻射計探測、多普勒擴頻雷達探測等方式。其中, 美國于1976年開發(fā)出集成大氣折射率預(yù)報系統(tǒng)。美國在20世紀80年代投入的典型雷達診斷系統(tǒng)包括EMPE、AREPS、RPO以及RFPPAS等[4], 此類系統(tǒng)依托大氣波導(dǎo)的有利傳播條件來提升艦載雷達系統(tǒng)、偵測系統(tǒng)、岸基雷達系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等裝備的性能。美國對大氣波導(dǎo)的研究一直致力于其在軍事上的應(yīng)用, 部分學(xué)者通過X波段信標接收機陣列系統(tǒng)推導(dǎo)蒸發(fā)波導(dǎo)的高度, 并與大氣垂直表面層模型一起使用, 以獲得蒸發(fā)波導(dǎo)高度的精確值[5]。1995年, 美國Micro Lab1號[6]低軌衛(wèi)星上天, 首次實現(xiàn)了利用地球掩星對大氣波導(dǎo)的觀測。前蘇聯(lián)也在各大洋中做了大量實驗性工作, 結(jié)果表明在特定情況下, 由海上蒸發(fā)波導(dǎo)引起的電磁特殊效應(yīng)可使雷達探測范圍延伸至1 000 km以外, 澳大利亞[7]通信愛好者也多次收聽到1 000 km外的超短波信號。除此之外, 日本、英國、法國、荷蘭和印度等國家都相繼開展了大氣波導(dǎo)觀測技術(shù)研究, 并取得一定成果。

圖1 大氣折射示意圖

中國在大氣波導(dǎo)方面的研究工作起步較晚, 最初的研究工作其主要方式是通過釋放探空氣球或發(fā)射探空火箭進行觀測, 從而獲取大氣溫度、濕度、氣壓等相關(guān)參數(shù)隨高度的變化情況, 進而探明對應(yīng)觀測點出現(xiàn)波導(dǎo)傳播的條件。2000年前后, 中國學(xué)者開展基于模型的研究, 焦林等[8]提出了一種基于拋物線方程法的波導(dǎo)盲區(qū)位置確定方法, 并開發(fā)了盲區(qū)預(yù)測系統(tǒng)?？凳糠宓萚9]提出了一種基于目標函數(shù)的雷達天線高度優(yōu)化方法, 針對特定區(qū)域不同目標函數(shù)給出了雷達天線高度的優(yōu)化結(jié)果。左雷等[3]對蒸發(fā)波導(dǎo)和表面波導(dǎo)條件下的雷達盲區(qū)形成機理及特性進行了分析, 并形成了大氣波導(dǎo)對艦載雷達盲區(qū)影響的初步成果。近年來也有相關(guān)科研機構(gòu)開始應(yīng)用地基雷達、機載雷達等觀測設(shè)備開展雷達波反演與仿真計算研究[10-11], 相關(guān)研究結(jié)果表明國外大氣波導(dǎo)的計算模型并不適應(yīng)中國海域[12], 應(yīng)該根據(jù)中國海域的季節(jié)特點來選擇最佳的波導(dǎo)計算模型并進行參數(shù)優(yōu)化, 開發(fā)滿足中國海域特殊環(huán)境特點的波導(dǎo)模型。

雖然各國對大氣波導(dǎo)的探測方法呈現(xiàn)多元化, 但由于不同的探測方式所獲取的信息參數(shù)不同, 采用的計算模型也不同, 故均存在一定局限性。其中, 衛(wèi)星探測大氣波導(dǎo)是通過地面接收站接收的衛(wèi)星信號來探測大氣波導(dǎo)存在與否; 低空系留氣球和氣象梯度塔探測方式采用探測大氣濕度、溫度、氣壓等參數(shù)的方式間接獲得大氣折射率; 而微波折射儀和微波輻射計等設(shè)備則是直接探測大氣折射率來獲取大氣波導(dǎo)相關(guān)參數(shù)[13]。隨著衛(wèi)星觀測技術(shù)和相關(guān)探測儀器的進一步發(fā)展, 國際上出現(xiàn)了一些新的大氣波導(dǎo)探測方法:

1) 利用GPS氣象學(xué)獲得海上氣象參數(shù)廓線, 開展大氣波導(dǎo)探測研究, 即利用低軌衛(wèi)星的星載GPS接收機和岸基雷達接收站的探測結(jié)果反演氣溫、氣壓、濕度等參數(shù), 用于大氣波導(dǎo)探測;

2) 利用雷達接收的海雜波反演大氣波導(dǎo)剖面;

3) 利用激光雷達測得大氣環(huán)境參數(shù), 用于海上大氣波導(dǎo)探測;

4) 利用數(shù)值天氣預(yù)報和數(shù)據(jù)融合與同化技術(shù), 結(jié)合海洋遙感衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行大氣波導(dǎo)預(yù)測預(yù)報;

5) 利用岸基已有的電站, 如電視、電臺和移動通信基站等接收的信號對大氣波導(dǎo)進行反演, 從而獲得大氣波導(dǎo)相關(guān)參數(shù)[14]。

2 大氣波導(dǎo)傳統(tǒng)觀測方法研究

海洋大氣環(huán)境中一般會出現(xiàn)三種形式的大氣波導(dǎo): 蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)。由于海洋表面大氣濕度在垂直方向變化急劇, 故蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)的概率最高, 而表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)出現(xiàn)的概率相對較低。因此, 掌握這三種大氣波導(dǎo)的形成機理和探測原理對大氣波導(dǎo)的進一步研究至關(guān)重要[15]。下面將詳細分析蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的探測原理, 通過分析各種觀測方法的優(yōu)缺點進一步完善大氣波導(dǎo)觀測理論體系, 同時提出一種多物理場協(xié)同觀測的探測方法, 該方法集合各類海洋觀測儀器、設(shè)備以及衛(wèi)星數(shù)據(jù), 可實現(xiàn)大氣波導(dǎo)的高精度、全覆蓋、全天候、實時性觀測與預(yù)報, 從整體上把握中國制海權(quán)。

2.1 蒸發(fā)波導(dǎo)

由于海面上蒸發(fā)的水汽會在貼近海平面一定高度的氣體層達到飽和, 導(dǎo)致其濕度在很小的高度范圍內(nèi)產(chǎn)生很大的垂直梯度, 從而形成波導(dǎo)傳播的條件, 由此產(chǎn)生的波導(dǎo)稱為蒸發(fā)波導(dǎo)。這是一類比較特殊的表面波導(dǎo), 不受時間和空間的限制, 可以在任何時間、所有海域產(chǎn)生蒸發(fā)波導(dǎo), 是出現(xiàn)概率最高的一種大氣波導(dǎo)。蒸發(fā)波導(dǎo)高度通常在離海面40 m以下[16], 這一高度正好覆蓋了大多數(shù)艦載微波雷達的天線高度, 可以有效利用蒸發(fā)波導(dǎo)進行遠距離目標探測[17-18]。

目前, 蒸發(fā)波導(dǎo)的探測方法主要包括直接測量法、遙感反演法和數(shù)值模擬法。其中, 直接測量法目前主要以激光探測為主, 利用幾何光學(xué)理論對大氣中電磁波進行射線追蹤, 從而進行大氣波導(dǎo)的推導(dǎo); 遙感反演法主要通過獲取雷達海雜波和GPS信號, 并分析其中所包含的大氣參數(shù)要素, 進而推導(dǎo)出蒸發(fā)波導(dǎo)折射情況; 數(shù)值模擬法則主要通過波導(dǎo)理論模型來計算蒸發(fā)波導(dǎo)的存在, 采用的波導(dǎo)模型主要有: Paulus-Jeske模型[19]、MGB模型[20]、偽折射率模型[21]、RSHMU模型和拋物線模型等[22-23]。

激光探測主要是利用激光的電磁波特性, 其在大氣中傳播時會受到大氣折射率的影響發(fā)生折射, 激光折射率與激光波長、大氣溫度、大氣濕度和大氣壓強有關(guān), 其關(guān)系如下:

=1+(,,,). (1)

由于激光在大氣中的折射率和消光系數(shù)的變化率與上述大氣參數(shù)密切相關(guān), 因此可以通過激光的折射率和消光系數(shù)變化率來推導(dǎo)蒸發(fā)波導(dǎo)的特性, 基本理論框架如圖2所示。通過建立激光在大氣中傳輸特性和蒸發(fā)波導(dǎo)之間的邏輯關(guān)系, 便可利用激光的回波信號對蒸發(fā)波導(dǎo)進行預(yù)測。同時, 由于激光傳輸具有單向性的特點, 使得激光探測蒸發(fā)波導(dǎo)更具隱蔽性, 在海上復(fù)雜電磁環(huán)境下, 可以在雷達保持靜默條件下實現(xiàn)對蒸發(fā)波導(dǎo)的探測。采用雷達進行海上目標探測易被干擾, 而激光的單向傳輸特性使其不易被干擾和截獲。

圖2 激光探測大氣波導(dǎo)理論框架

遙感反演法通過分析接收到的電磁波信號所承載的大氣要素信息來求解大氣折射狀況。其中, 雷達海雜波反演信號主要通過艦載雷達和岸基雷達等設(shè)備獲得, 因為此類設(shè)備安裝高度大部分位于蒸發(fā)波導(dǎo)高度范圍之內(nèi), 能夠準確捕獲海雜波信息, 通過將接收到信號和電磁波傳播模式正向模擬結(jié)構(gòu)作比較, 即可獲得大氣折射情況, 從而推導(dǎo)出蒸發(fā)波導(dǎo)的存在。其中最常采用的算法和技術(shù)包括最小二乘法、模擬退火法、最大后驗概率算法、降維技術(shù)、遺傳算法和射線追蹤技術(shù)[24]。

GPS反演則是利用岸基固定GPS探測系統(tǒng)進行蒸發(fā)波導(dǎo)推導(dǎo), 通過分析GPS探測系統(tǒng)接收的電磁信號, 求解出GPS信號因蒸發(fā)波導(dǎo)存在而產(chǎn)生的時延, 將時延作為參數(shù)輸入到蒸發(fā)波導(dǎo)計算模型中, 通過分析時延與氣象要素剖面關(guān)系進行蒸發(fā)波導(dǎo)反演。因岸基GPS系統(tǒng)分布廣泛、位置固定, 因而可以實現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)全天候、高可靠、大范圍觀測。

數(shù)值模擬探測主要是通過一種基于相似理論的經(jīng)驗?zāi)Ｐ? 首先通過海上的智能浮標、漂流浮標、船載設(shè)備、低空系留氣球以及梯度塔等相關(guān)探測儀器獲取海上大氣濕度、溫度和壓強等氣象參數(shù), 并以此作為輸入導(dǎo)入到相關(guān)波導(dǎo)模型中推導(dǎo)出大氣折射率, 最后通過大氣折射率預(yù)測大氣波導(dǎo)及其他特征參數(shù)[25]。具體可分別根據(jù)(2)、(3)式計算出大氣折射率并診斷波導(dǎo)是否存在, 當滿足(3)式時即可判別存在大氣波導(dǎo), 最后根據(jù)(4)式來判斷大氣波導(dǎo)強度, 公式如下:

其中,為考慮到地球曲率的影響加以訂正的大氣折射指數(shù);為海表大氣溫度, 單位為K;為水汽壓, 單位為hPa;為大氣壓, 單位為hPa;為海拔高度, 單位為m;0為地球平均半徑, 取值6.371×106m。Δ表示的是波導(dǎo)強度, 即波導(dǎo)陷獲層頂部與波導(dǎo)底部大氣修正折射指數(shù)之差。

由于蒸發(fā)波導(dǎo)的波導(dǎo)高度一般在40 m以下, 通過地基雷達接收站觀測蒸發(fā)波導(dǎo)受波導(dǎo)高度影響較大, 相關(guān)學(xué)者開始通過改進的離散混合傅里葉變換方法求解用于蒸發(fā)波導(dǎo)的拋物線模型, 并基于此模型開發(fā)了大規(guī)模的波導(dǎo)損耗模型, 最終獲取了接收天線高度和波導(dǎo)高度對波導(dǎo)傳播損耗的影響關(guān)系[26]。

2.2 低空波導(dǎo)(表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo))

不同于蒸發(fā)波導(dǎo)貼近海面的特殊性, 表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的性質(zhì)及觀測方法基本相同, 只在形成機理上略有區(qū)別: 表面波導(dǎo)是由大陸上暖而干燥的氣團進入到相對冷而潮濕的海面形成的, 其波導(dǎo)厚度一般在300 m以下; 抬升波導(dǎo)主要是由副熱帶高壓氣體的運動形成的, 在副熱帶和熱帶海域的高層大氣中存在大面積的強烈下沉運動, 當干而熱的氣團下降到一定高度碰到冷而濕的海氣時, 會直接覆蓋在海氣邊界層上方形成逆溫, 從而形成抬升波導(dǎo), 抬升波導(dǎo)的高度一般在3 000 m以下。因表面波導(dǎo)向上爬升一定高度后即成為抬升波導(dǎo), 因此, 本文不再區(qū)分表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的觀測區(qū)別, 一并進行研究, 并統(tǒng)稱為低空波導(dǎo)。

由于低空波導(dǎo)的下邊界層發(fā)生變化, 不再是海平面, 而是具有一定高度的大氣層, 電磁波被陷獲在一定高度的大氣層中傳播, 地基接收站無法接收到電磁信號, 因此低空波導(dǎo)無法像蒸發(fā)波導(dǎo)那樣利用地基雷達接收海雜波來反演大氣波導(dǎo)。目前, 對于低空波導(dǎo)主要利用GNSS系統(tǒng)進行觀測, GNSS系統(tǒng)主要包括美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和中國的北斗系統(tǒng)等, 可通過GNSS機接收到的衛(wèi)星仰角、方位角等信息來判定大氣波導(dǎo)的存在。原理為通過地面接收站接收到的衛(wèi)星的仰角信息來判斷此時的衛(wèi)星是否在視距范圍之內(nèi), 如果在視距范圍之外便接收到衛(wèi)星的信息則說明發(fā)生了波導(dǎo)傳播, 再根據(jù)它們之間的射線幾何關(guān)系便可判斷大氣波導(dǎo)的長度, 原理如圖3所示。根據(jù)圖3中的幾何關(guān)系可以看出: 當<時, 為可視范圍; 當>時, 若接收站接收到了衛(wèi)星信號, 則說明在此空間范圍內(nèi)存在大氣波導(dǎo)[27]。

根據(jù)圖3的幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出:

圖3 大氣波導(dǎo)長度計算示意圖

其中,為地球球心,為地球半徑,為天線高度,為GNSS衛(wèi)星,為天線,為GNSS衛(wèi)星到地球中心距離,為GNSS衛(wèi)星仰角,為截止角度。

2.3 大氣波導(dǎo)傳統(tǒng)觀測方法存在不足

1) 觀測精度不高

在大氣波導(dǎo)探測方面普遍存在的現(xiàn)象是探測精度不高, 對于蒸發(fā)波導(dǎo)主要通過低空系留氣球和梯度塔等設(shè)備進行觀測, 只能對定點高度進行探測, 無法保證在垂直方向上的探測精度。目前, 世界各國正在努力提高大氣波導(dǎo)的探測精度, 其中不萊梅大學(xué)的von Engeln等[28]研究人員利用歐洲的中尺度大氣預(yù)報模式數(shù)據(jù)進行了一次全球大氣波導(dǎo)研究, 并推導(dǎo)出大氣波導(dǎo)在不同區(qū)域出現(xiàn)的概率、波導(dǎo)高、波導(dǎo)厚度等參數(shù), 由于該大氣模式預(yù)報和探空數(shù)據(jù)的精度只有200～300 m, 只能發(fā)現(xiàn)一些厚度較大的波導(dǎo)層, 因此無法進行精細化預(yù)報。在衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演大氣波導(dǎo)技術(shù)上當受到不同高度的波導(dǎo)影響時也會出現(xiàn)精度偏低的情況, 因為單波段雷達雜波只對特定高度范圍內(nèi)的波導(dǎo)反演具有較高精度, 當遇到復(fù)合波導(dǎo)層時則須利用多波段雷達雜波反演技術(shù)推導(dǎo)大氣波導(dǎo)[29]。

2) 觀測范圍有限

目前對于大氣波導(dǎo)的觀測儀器主要包括探空氣球、梯度塔以及遙感衛(wèi)星等, 而探空氣球和梯度塔作為常規(guī)觀測工具雖然精度較衛(wèi)星稍高, 但其觀測的范圍非常小, 屬于點對點觀測。且梯度塔和低空系留氣球多建設(shè)在海岸線, 只能對陸地和近海海域的大氣環(huán)境進行觀測, 而對于遠海海域還是一片空白, 無法對遠海的電磁環(huán)境進行預(yù)測, 使得遠海環(huán)境無法得到保障。雖然采用遙感衛(wèi)星觀測大氣波導(dǎo)可實現(xiàn)大范圍觀測, 但其垂直分辨相對較低, 因此考慮到精度的制約, 該技術(shù)一直停留在定性分析上, 并未得到實際應(yīng)用。而對于其他地基雷達觀測站一般存在分布間距大、觀測參數(shù)單一等缺點, 亦無法滿足海上大氣波導(dǎo)大范圍觀測需求。

3) 觀測成本高

原始的大氣波導(dǎo)觀測方法都是通過探空氣球進行觀測的, 多采用投放式, 大多無法回收, 導(dǎo)致收益比較低。而若用無線電探空儀、微波折射儀和地基雷達觀測站等設(shè)備進行觀測, 則其測量和制作成本又很高, 不適合大面積布放。采用衛(wèi)星信息參數(shù)反演大氣波導(dǎo)可實現(xiàn)大面積觀測, 但其運行維護成本高, 存在技術(shù)不成熟和擴展性差等缺點, 且一般只供軍方使用, 民用衛(wèi)星普及率還很低, 亦無法滿足觀測需求[30]。

綜上, 大氣波導(dǎo)傳統(tǒng)觀測方法雖然技術(shù)已進入實踐應(yīng)用, 但仍存在觀測精度低、觀測范圍小和觀測成本高等缺陷, 急需一種簡單、高效、實時和低成本的觀測方法實現(xiàn)對大氣波導(dǎo)的觀測。

3 大氣波導(dǎo)多物理場協(xié)同觀測方法研究

針對傳統(tǒng)大氣波導(dǎo)觀測方法存在的不足, 同時為滿足海上作業(yè)需求, 提出一種以浮標網(wǎng)、船聯(lián)網(wǎng)、星聯(lián)網(wǎng)和岸基網(wǎng)為觀測設(shè)備的多物理場協(xié)同觀測方法, 海上作業(yè)指揮流程圖如圖4所示。該立體觀測網(wǎng)絡(luò)充分利用海上智能漂流浮標、船載智能終端設(shè)備、GNSS系統(tǒng)、地基雷達接收站和電臺等觀測設(shè)備, 構(gòu)建了從點到線、從線到面、再從面到體的“空-天-地-?！绷Ⅲw觀測體系, 形成了海氣界面以上3 000 m內(nèi)的大氣空間“溫-濕-壓”等氣象參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。同時, 本研究利用船載計算終端和海洋試點國家實驗室的超級計算機, 充分發(fā)揮邊緣計算和云計算優(yōu)勢, 實現(xiàn)了大氣波導(dǎo)觀測方式的設(shè)備協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同和計算協(xié)同。因協(xié)同觀測方法充分利用了海洋試點國家實驗室海洋星簇、海氣表面、海洋模擬器等大科學(xué)計劃, 獲得了涵蓋西太平洋、南印度洋以及中國海等海域的大量海洋氣象數(shù)據(jù), 海洋模擬器可做到大氣預(yù)報精度27 km×27 km, 洋流預(yù)報精度9 km×9 km。其中為助力我國“海上絲綢之路”的發(fā)展, 針對“兩洋一?！眳^(qū)域進行了精細化預(yù)報, 可做到大氣預(yù)報精度9 km×9 km, 洋流預(yù)報精度3 km×3 km, 充分解決了傳統(tǒng)單點式觀測方法精度不高、觀測范圍有限和觀測成本高等缺點。

圖4 超視距探測流程圖

大氣波導(dǎo)傳統(tǒng)觀測方法和協(xié)同觀測方法的對比分析如表1所示。從表1可以看出, 由于協(xié)同觀測方法依托“空-天-地-海”立體觀測網(wǎng)絡(luò), 開展大氣波導(dǎo)仿真模擬, 因此其在預(yù)報精度和范圍方面都優(yōu)于傳統(tǒng)觀測方法。同時, 協(xié)同觀測方法不增設(shè)大氣波導(dǎo)專用觀測設(shè)備, 而是利用現(xiàn)有觀測網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù), 只在數(shù)據(jù)傳輸方面有所損耗, 因此觀測成本相對較低。大氣波導(dǎo)協(xié)同觀測方法的初始場數(shù)據(jù)均通過終端設(shè)備進行數(shù)據(jù)清洗之后再實時回傳至服務(wù)器, 數(shù)據(jù)的時效性較高, 且依托全球海洋模式系統(tǒng)可對未來15 d的波導(dǎo)條件進行預(yù)報, 為海上航行安全提供了強有力的支撐。

表1 大氣波導(dǎo)觀測方法對比分析

截止目前, 海洋試點國家實驗室海洋大數(shù)據(jù)平臺擁有40 PB的存儲容量, 且實驗室組建的科考船共享航次、浮標網(wǎng)、潛標網(wǎng)等觀測網(wǎng)絡(luò)體系持續(xù)不斷的將數(shù)據(jù)實時回傳至大數(shù)據(jù)中心, 通過緊密結(jié)合現(xiàn)有存量數(shù)據(jù)和實時增量數(shù)據(jù), 完成了海洋氣象數(shù)據(jù)智能獲取與傳輸、重構(gòu)與融合、存儲與管理關(guān)鍵技術(shù)研究, 實現(xiàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)對氣象數(shù)據(jù)的服務(wù)管理。鑒于大氣波導(dǎo)協(xié)同觀測方法獲取的數(shù)據(jù)分布范圍廣、價值密度低等特點, 通過人工智能技術(shù)對獲取的數(shù)據(jù)進行智能過濾、智能篩選和智能壓縮, 提高了數(shù)據(jù)傳輸效率, 降低了數(shù)據(jù)傳輸成本。最后, 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 以協(xié)同觀測網(wǎng)絡(luò)獲取的“兩洋一海”數(shù)據(jù)為輸入, 通過預(yù)先設(shè)定好的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)單元和預(yù)期誤差, 對大氣波導(dǎo)模型進行強化訓(xùn)練, 不斷優(yōu)化大氣波導(dǎo)預(yù)測預(yù)報系統(tǒng), 解決不同波導(dǎo)模型在中國海域不適用問題[12], 為適合中國海域的特殊波導(dǎo)模型研究提供了數(shù)據(jù)支撐和模型支撐。

最終, 利用大數(shù)據(jù)、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對大氣參數(shù)進行了實時有效的分析和整合, 為海上大氣波導(dǎo)觀測提供了高時空分辨率數(shù)據(jù)支撐[31], 構(gòu)建了大氣波導(dǎo)協(xié)同觀測網(wǎng)絡(luò)架構(gòu), 為海上超視距雷達探測提供指導(dǎo), 系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 大氣波導(dǎo)協(xié)同觀測系統(tǒng)框架

其中, 對于波導(dǎo)高度的求解, 本文提出的協(xié)同觀測方法與傳統(tǒng)波導(dǎo)模型的預(yù)測方法略有不同。傳統(tǒng)波導(dǎo)高度預(yù)測大多通過構(gòu)建大氣折射率廓線來推導(dǎo)波導(dǎo)高度, 對氣象要素瞬時值依賴較高, 而氣象瞬時值往往難以準確快速獲得, 導(dǎo)致波導(dǎo)模型預(yù)測與實際情況偏差較大。而大氣波導(dǎo)協(xié)同方法則是根據(jù)海洋大氣近地層相似理論, 利用海氣界面宏觀觀測物理量來計算蒸發(fā)波導(dǎo)及其特征量, 并引入風(fēng)速、溫度以及濕度普適函數(shù)來進行波導(dǎo)高度計算。最終通過求解溫度、大氣壓和水汽壓的廓線并結(jié)合大氣修正折射率公式即可確定波導(dǎo)高度。

溫度垂直廓線如下式:

大氣壓廓線由靜力學(xué)公式和理想氣體定律聯(lián)合積分如下:

水汽壓垂直廓線如下:

該協(xié)同觀測方法深度融合了立體觀測網(wǎng)絡(luò)的物理場數(shù)據(jù), 而浮標網(wǎng)、船聯(lián)網(wǎng)、星聯(lián)網(wǎng)和岸基網(wǎng)作為多物理場協(xié)同觀測網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分, 主要負責(zé)獲取前端空間立體網(wǎng)絡(luò)的感知數(shù)據(jù), 并利用自組網(wǎng)技術(shù)對獲取的信息進行數(shù)據(jù)融合, 用于海上大氣波導(dǎo)預(yù)測預(yù)報, 多物理場協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 多物理場協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)

1) 浮標網(wǎng)

以海上智能漂流浮標、氣象浮標、固定觀測浮標為載體, 利用人工智能、大數(shù)據(jù)、自組網(wǎng)等新一代信息技術(shù), 基于多傳感器同步觀測技術(shù)、智能邊緣計算技術(shù)、多源數(shù)據(jù)智能感知與預(yù)處理技術(shù)、智能數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)、自適應(yīng)通信組網(wǎng)技術(shù)以及海氣耦合與數(shù)值計算等關(guān)鍵技術(shù)研究成果, 構(gòu)建多物理場、自組網(wǎng)、低功耗、低成本、長時序智能浮標觀測系統(tǒng), 為蒸發(fā)波導(dǎo)檢測提供設(shè)備支撐[32]。

2) 船聯(lián)網(wǎng)

開展基于IEEE1451標準協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化智能化標準接口的設(shè)計、船基數(shù)據(jù)傳輸鏈路的構(gòu)建方式研究, 并設(shè)計完成海洋觀測智能終端系統(tǒng), 該系統(tǒng)集合了全球船舶體量龐大的優(yōu)勢, 形成全海域覆蓋的船基觀測網(wǎng)絡(luò), 該智能終端設(shè)備不僅自身具備觀測能力, 還可通過自組網(wǎng)接收其他海洋裝備的觀測數(shù)據(jù), 實現(xiàn)對海上大氣溫度、濕度、氣壓等關(guān)鍵大氣波導(dǎo)參數(shù)的全面采集, 為大氣波導(dǎo)預(yù)測提供堅實的數(shù)據(jù)支撐。

3) 星聯(lián)網(wǎng)

利用已有GNSS系統(tǒng)構(gòu)建衛(wèi)星觀測網(wǎng)絡(luò), 因GNSS接收機可獲取多星信息, 故可將美國的GPS、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和中國的北斗(BD)系統(tǒng)接收的信息進行有效融合, 使得信息參數(shù)更加準確。同時, 海上各類觀測設(shè)備均內(nèi)置GPS定位模塊, 可在獲取溫、濕、風(fēng)、壓等參數(shù)的同時記錄坐標位置, 最終結(jié)合GNSS接收機數(shù)據(jù)為低空波導(dǎo)提供大范圍、高精度及實時性氣象參數(shù)。

4) 岸基網(wǎng)

為減少觀測成本, 還可充分利用廣泛分布的岸基電站、電臺等信號反演大氣波導(dǎo)特征參數(shù)。由于沿海岸線分布的各類電站和電臺在收發(fā)信號時會受到海上大氣波導(dǎo)的影響, 使得FM或者TM電臺傳播方式由直線傳播變?yōu)榛【€傳播或階躍傳播, 這將導(dǎo)致電磁信號的收發(fā)間隔和收發(fā)距離發(fā)生改變, 通過分析電磁信號強弱及電臺實際分布情況, 即可得知該信號是由對流層散射導(dǎo)致還是大氣波導(dǎo)影響導(dǎo)致。通過岸基觀測網(wǎng)絡(luò)對捕獲到的異常電磁信號進行反演, 推導(dǎo)電磁信號中含有的大氣波導(dǎo)特種參量, 即可用于大氣波導(dǎo)預(yù)報系統(tǒng)的分析研究。

最后, 本文基于Jeske模型、P-J模型、A模型、偽折射率模型及MGB模型等多種大氣波導(dǎo)數(shù)值模型及海雜波與電臺信號反演計算, 依托前端構(gòu)建的立體感知網(wǎng)絡(luò)實時獲取的大氣波導(dǎo)氣象特征參數(shù), 開展了大氣波導(dǎo)數(shù)據(jù)實時感知、參數(shù)智能篩選、模型深度優(yōu)化、波導(dǎo)精準預(yù)報等關(guān)鍵技術(shù)研究, 并利用海洋試點國家實驗室海洋模式預(yù)報系統(tǒng)對未來15 d內(nèi)海洋氣象條件進行精細化模擬, 模擬系統(tǒng)包括海洋大氣、降水、海溫和海流四個方面, 對海上復(fù)雜氣象條件進行預(yù)判預(yù)估, 如圖7所示。依托海洋模式預(yù)報系統(tǒng), 結(jié)合多物理場協(xié)同觀測體系, 構(gòu)建了大氣波導(dǎo)預(yù)測預(yù)報系統(tǒng), 實現(xiàn)未來海上電磁偵察環(huán)境早感知、早預(yù)報和早部署, 如圖8所示。

圖7 海洋模式精細預(yù)報系統(tǒng)

圖8 大氣波導(dǎo)預(yù)報系統(tǒng)

4 結(jié)論

本文以大氣波導(dǎo)在海上航行安全的應(yīng)用為背景, 分析了波導(dǎo)效應(yīng)對海上超視距探測與利用電磁盲區(qū)的重要性, 以及如何利用大氣波導(dǎo)為海上空對空探測、預(yù)警、通信、截收等方面提供決策依據(jù)。通過對傳統(tǒng)大氣波導(dǎo)觀測方法的深入研究, 本文對蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的觀測原理進行了對比分析, 研究了傳統(tǒng)觀測方法在觀測精度、觀測范圍和觀測成本上存在的局限性, 提出了一種新的大氣波導(dǎo)多物理場協(xié)同觀測方法, 充分利用了海洋試點國家實驗室立體觀測網(wǎng)絡(luò)對海上垂向3 000 m內(nèi)全偵察環(huán)境實施高精度多物理量協(xié)同觀測網(wǎng)絡(luò), 依托大氣波導(dǎo)高通量精細化預(yù)報系統(tǒng), 實現(xiàn)了對海上大氣波導(dǎo)進行高精度、大范圍、實時性觀測, 強化了海上船舶的超視距探測能力, 為海上安全提供保障。

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Observation methods of atmospheric duct based on marine safety

WANG Wen-jie1, XU Jia-li1, HUANG Xian-qing1, JIA Dong-ning1, 2

(1. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 2. Ocean University of China, Qingdao 266010, China)

The short-wave communication distance among shipborne electronic information systems will increase several times once the sea battlefield is exposed to the atmospheric duct. Meanwhile, the electromagnetic blind zone will appear within the communication distance range. Based on the strategic requirements of ocean security, this study carried out the reseacrch on the cooperative observation technology of atmospheric duct, and expounded the importance of atmospheric duct for over-the-horizon transmission and detection. We systematically summarize the observation principle of evaporation duct, surface duct and lifting duct and their conventional observation methods by studying the formation and influence mechanism of the atmospheric duct. In addition, we studid the traditional observation methods of atmospheric duct in depth and find that these methods have some limitations in observation means, accuracy, range and cost. Therefore, an atmospheric duct observation method based on multi-physical field cooperative detection is proposed in this paper, which can obtain real-time atmospheric parameters at sea and build an marine atmospheric duct prediction system by integrating various observation instruments and equipment, such as buoy network, ship network, satellite network and shore-based network. The large-scale, high-precision and real-time atmospheric duct forecasting system formed by our method is greatly significant to master air superiority in over-the-horizon radar detection and stealth penetration operations in the sea.

atmospheric duct; marine safety; electromagnetic transmission; transhorizon detection; collaborative observation

Dec. 30, 2020

O451

A

1000-3096(2022)1-0112-11

10.11759/hykx20201230002

2020-12-30;

2021-04-07

山東省重點研發(fā)計劃項目(2019JMRH0109)

[Key Research and Development Plan of Shandong Province, No. 2019JMRH0109]

汪文杰(1988—), 碩士, 工程師, 主要從事海洋科學(xué)、海工裝備研發(fā)以及海洋大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域研究, E-mail: wangwenjiebkd@ 163.com; 賈東寧(1978—),通信作者, 博士, 高級工程師, 主要從事計算機信息科學(xué)、高性能計算與仿真以及國產(chǎn)超算典型應(yīng)用等領(lǐng)域研究, E-mail: wjwang@qnlm.ac

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)