淺析低空探測岸基雷達

淺析低空探測岸基雷達

1大氣導(dǎo)數(shù)傳播通過雷達進行低探測，通常會發(fā)現(xiàn)異常的波形傳播。其中一種顯著的現(xiàn)象是:在一定的氣象條件下,在大氣邊界層尤其是在近地層中傳播的電磁波,受大氣折射的影響,其傳播軌跡彎向地面,當(dāng)曲率超過地球曲率時,電磁波會部分地被陷獲在一定厚度的大氣薄層內(nèi),就像電磁波在金屬波導(dǎo)管中傳播一樣,這種現(xiàn)象稱為電磁波的大氣波導(dǎo)(duct)傳播,形成波導(dǎo)傳播的大氣薄層稱為大氣波導(dǎo)層。在合適的頻率和發(fā)射角下,大氣波導(dǎo)現(xiàn)象使得雷達有可能觀測到數(shù)倍于雷達正常探測距離處的目標(biāo),實現(xiàn)所謂的超視距探測;也有可能導(dǎo)致雷達盲區(qū)產(chǎn)生,增加雷達雜波信號,給雷達對目標(biāo)的識別和定位產(chǎn)生不利影響。岸基雷達在進行低空探測時,所遇到的外界環(huán)境極其復(fù)雜,大氣傳播過程中的吸收、折射、多路徑效應(yīng),海、地、氣象雜波等諸多因素都會影響到低空目標(biāo)的測量準(zhǔn)確性,特別是在出現(xiàn)大氣波導(dǎo)情況下,復(fù)雜的遠區(qū)海雜波干擾會嚴(yán)重影響對真實目標(biāo)的檢測。如何有效地消除其影響,使岸基雷達低空探測性能達到最佳,對從事雷達工作的工程技術(shù)人員來說是一種挑戰(zhàn)。2單因素流2.1大氣濾波傳播梯度對于岸基雷達來說,電波傳播主要受大氣吸收、折射、反射和散射的影響。在所有的這些因素中,折射的影響在各個頻段上都是顯著的,實際的大氣屬于不均勻介質(zhì),其大氣分層、壓強、溫度和濕度都隨高度變化,這種變化通常使大氣折射指數(shù)n隨高度增大而減小,n定義為:n=c/v(1)式中:c表示電磁波在真空中的傳播速度,v表示電磁波在傳播媒介中的傳播速度。通常折射指數(shù)的水平變化相對于垂直變化可忽略,對流層低層的折射指數(shù)n大約在1.000250到1.000400之間,接近于1。為方便引入折射率N:N=(n-l)×106(2)當(dāng)電磁波傳播距離很短時,可近似認(rèn)為地球表面為平面,但若電磁波傳播距離較長時,就必須考慮地球曲率的影響。此時,為了將地球表面處理成平面,通常使用進行了地球曲率修正的大氣修正折射指數(shù)m和大氣修正折射率M,它們的表達式如(3～4)式:m=n(1+ha)≈n+ha(3)m=n(1+ha)≈n+ha(3)M=(m-1)×106(4)式中:a為地球半徑,取地球平均半徑為6370km;h是地面以上的高度,單位m。由(2～4)式可得:M=N+ha×106≈N+0.157h(5)Μ=Ν+ha×106≈Ν+0.157h(5)對(5)式求導(dǎo),可得修正折射率得梯度:dMdh=dNdh+0.157(6)dΜdh=dΝdh+0.157(6)當(dāng)大氣修正折射率垂直梯度dMdh＞0.157dΜdh＞0.157時,電磁波的傳播軌跡將背著地球而凸起彎曲,此時大氣為負(fù)折射(sub-refraction);當(dāng)dMdh=0.157dΜdh=0.157時,電磁波的傳播軌跡不發(fā)生彎曲,沿直線傳播,此時大氣無折射(non-refraction)或稱零折射;當(dāng)dMdh＜0.157dΜdh＜0.157時,電磁波的傳播軌跡將凹著彎向地球,此時大氣為正折射;正折射包括標(biāo)準(zhǔn)折射(normalrefraction)、超折射(supper-refraction)、臨界折射(criticalrefraction)、陷獲折射(trappedrefraction)等。當(dāng)dMdh＜0dΜdh＜0(或dNdh＜?0.157m?1)dΝdh＜-0.157m-1)時,電磁波被折射向地球傳播,如果這個梯度延伸到地面,源于大氣層內(nèi)的電磁波被陷獲成沿地表傳播,就象在波導(dǎo)管中一樣,因而形成大氣波導(dǎo)傳播。當(dāng)dMdh=0dΜdh=0(或dNdh=?0.157m?1)dΝdh=-0.157m-1)所對應(yīng)的高度被定為波導(dǎo)高度,因此,dNdh=?0.157m?1dΝdh=-0.157m-1又稱臨界折射率梯度。表1給出了各種折射類型的存在條件。2.2大氣波導(dǎo)形成條件對于頻率在1～100GHz范圍內(nèi)的電磁波,大氣折射率N可表示成T、P、e之間的函數(shù):N=(n?l)×106=AT(P+BeT)=77.6T(P+4810eT)(7)Ν=(n-l)×106=AΤ(Ρ+BeΤ)=77.6Τ(Ρ+4810eΤ)(7)式中:T是絕對大氣溫度(單位:K),P是大氣壓強(單位:hPa),e是水氣壓強(單位:hPa),A、B是經(jīng)驗常數(shù)(其中A=77.6,B=4810,在1～100GHz范圍內(nèi)都有效)。由(7)式對h求導(dǎo)可以得到:dNdh=AT2?P?h?AT2[P+2BeT]?T?h+ABT2?e?h(8)dΝdh=AΤ2?Ρ?h-AΤ2[Ρ+2BeΤ]?Τ?h+ABΤ2?e?h(8)當(dāng)dNdh＜?0.157m?1dΝdh＜-0.157m-1時,電磁波被陷獲在大氣波導(dǎo)層內(nèi)進行傳播,對應(yīng)的大氣條件,由(8)式可知,式中右邊第一項為大氣壓強的函數(shù),從地面到11km的大氣高度中,氣壓隨高度變化可用式(9)表示:P=P0(1?γT)2.256=1013.25(1?2.256×10?5h)5.256(9)Ρ=Ρ0(1-γΤ)2.256=1013.25(1-2.256×10-5h)5.256(9)式中:P0是地面大氣壓強(單位:hPa),γ是溫度直減率,h是地面以上的高度(單位:m),由(9)式求導(dǎo)可得:dPdh=?0.12(1?2.256×10?5h)4.256(10)dΡdh=-0.12(1-2.256×10-5h)4.256(10)由(9～10)式可得氣壓和氣壓梯度隨高度變化的關(guān)系示意圖,如圖1。由圖1可知,大氣壓強隨高度的增加而減小(dPdh<0)(dΡdh<0),故(8)式右邊第一項只有使dNdhdΝdh為負(fù)值才可能。(8)式右邊第二項是溫度隨高度的變化關(guān)系,在正常情況下,大氣的溫度也是隨高度的增加而減小的(dTdh<0)(dΤdh<0),由于此項前是負(fù)號,有使dNdhdΝdh為正值和使dMdhdΜdh增大的效果。要使dNdhdΝdh有較大的負(fù)值,大氣溫度隨高度的改變量為正值,也就是說,溫度隨高度的增加而增加或隨高度的增加而不變。(8)式的第三項是水氣壓隨高度的變化關(guān)系,根據(jù)海面發(fā)生大氣波導(dǎo)現(xiàn)象的條件,dedhdedh必須有較大的負(fù)值,即水氣壓在此層中要隨高度增加而迅速減小,否則很難滿足dNdhdΝdh為大的負(fù)值要求?？傊?海面易于滿足陷獲產(chǎn)生波導(dǎo)的條件;在大氣波導(dǎo)層中,溫度隨高度的變化必須為正值,水氣壓隨高度的變化應(yīng)遞減,并且遞減值相當(dāng)大。2.3導(dǎo)波式按照波導(dǎo)出現(xiàn)的高度及波導(dǎo)層結(jié)和地球表面的關(guān)系對流層波導(dǎo)可分為貼地波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)。2.3.1邊界層大氣修正轉(zhuǎn)化率根據(jù)波導(dǎo)出現(xiàn)的高度及其與地面之間的關(guān)系,可以把貼地波導(dǎo)分成表面波導(dǎo)、基于表面大氣波導(dǎo)、蒸發(fā)波導(dǎo)三種類型。前2種波導(dǎo)一般發(fā)生在300m高度以下的邊界層大氣中,其顯著特點是波導(dǎo)層頂?shù)拇髿庑拚凵渎市∮诘孛娴拇髿庑拚凵渎?第3種類型大氣波導(dǎo)為蒸發(fā)波導(dǎo),蒸發(fā)波導(dǎo)是海洋大氣環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)的一種特殊表面波導(dǎo),它是由于海面水汽蒸發(fā)使得在海上很小高度范圍內(nèi)的大氣濕度隨高度銳減而成的,這種波導(dǎo)的厚度較薄,一般在30米以下,當(dāng)雷達天線及目標(biāo)均在波導(dǎo)中時就會出現(xiàn)波導(dǎo)傳播,由于其出現(xiàn)概率非常高,對低架設(shè)高度的岸基雷達及艦載雷達的正常工作影響很大。2.3.2物理機制的差異如果氣象條件使捕獲層出現(xiàn)在高空,這樣大氣波導(dǎo)底抬升到地球表面以上,形成了懸空大氣波導(dǎo)。它受到地理條件、氣象條件和波導(dǎo)形成的物理機制差異的制約。懸空波導(dǎo)是下邊界懸空的大氣波導(dǎo),一般發(fā)生在3000m高度以下的對流層低層大氣中。它通常是由一個懸空陷獲層疊加到一個懸空基礎(chǔ)層之上而構(gòu)成。懸空波導(dǎo)的一個顯著特點是波導(dǎo)層頂?shù)拇髿庑拚凵渎蚀笥诘孛娴拇髿庑拚凵渎省铱詹▽?dǎo)的下邊界高度一般距離地面數(shù)十米或數(shù)百米,在此高度之上一般出現(xiàn)逆溫層。2.4大氣微波傳播的可能性當(dāng)存在大氣波導(dǎo)時,電磁波卻不一定都能形成波導(dǎo)傳播,因為在特定氣象條件下產(chǎn)生的大氣波導(dǎo)能否將在大氣中傳播的電磁波捕獲到波導(dǎo)層中形成波導(dǎo)還要取決于該電磁波的波長(頻率)、發(fā)射源與大氣波導(dǎo)所處的相對位置以及發(fā)射源的發(fā)射角度。在大氣中傳播的電磁波若要形成波導(dǎo)傳播,其波長(頻率)與大氣波導(dǎo)厚度及大氣折射指數(shù)梯度三者之間必須滿足一定的關(guān)系。假定波導(dǎo)層內(nèi)的大氣折射指數(shù)N隨高度線性遞減,即波導(dǎo)層內(nèi)的dNdhdΝdh為小于-0.157的一個負(fù)值常數(shù),若電磁波在波導(dǎo)底層以一定的仰角射入波導(dǎo)層形成傳播波導(dǎo),則可得到水平極化波最大自由空間波長λhmax和垂直極化波的最大自由空間波長λvmax,并且有λhmax=3λimax。對于貼地波導(dǎo)(蒸發(fā)波導(dǎo)),假定地面(海面)的大氣折射率n0≈1.0,我們可以推導(dǎo)出海面發(fā)射的水平極化波能形成波導(dǎo)傳播的最大波長λhmax(單位:m)和波導(dǎo)厚度d(單位:m)及波導(dǎo)層內(nèi)大氣修正折射率垂直梯度dMdhdΜdh之間的關(guān)系為:λhmax=2.5×10?3[?dMdh]1/2d3/2(11)λhmax=2.5×10-3[-dΜdh]1/2d3/2(11)式(11)給出的是可受大氣波導(dǎo)影響而形成波導(dǎo)傳播的電磁波最大波長(對應(yīng)的頻率為最低陷獲頻率),波長小于該最大值范圍(頻率高于該最小值范圍)內(nèi)的電磁波均可受大氣波導(dǎo)的影響。最大波長和波導(dǎo)厚度的關(guān)系如圖2所示,其中A=dMdhA=dΜdh。由圖2可知,大氣波導(dǎo)厚度遠大于電磁波波長時,才能捕獲電磁波形成波導(dǎo)傳播;大氣波導(dǎo)的厚度愈厚,可形成波導(dǎo)傳播的電磁波波長范圍的上限愈長;大氣波導(dǎo)的強度愈強,可形成波導(dǎo)傳播的電磁波波長范圍的上限愈長。通常情況下X波段、C波段、S波段雷達發(fā)射的電磁波是很容易受大氣波導(dǎo)影響而形成波導(dǎo)傳播的。當(dāng)然實現(xiàn)波導(dǎo)傳播還與穿透角有關(guān),當(dāng)電波在大氣波導(dǎo)中的仰角大于穿透角時,不發(fā)生波導(dǎo)傳播。當(dāng)發(fā)射源天線處于波導(dǎo)內(nèi)部時,穿透角可用式(12)來計算:θc=2×103ΔMc??????????√(12)θc=2×103ΔΜc(12)式中:ΔMc是大氣波導(dǎo)強度。但實際情況是發(fā)射的電磁波具有一定的波束寬度,導(dǎo)致波導(dǎo)傳播的雷達臨界發(fā)射仰角為θ臨界=?2+θc??θ臨界=?2+θc??為垂直波束寬度。總之,要實現(xiàn)大氣波導(dǎo)傳播,必須滿足四個必要條件:(1)近地層某一高度處必須存在大氣波導(dǎo),即存在dM/dh<0的大氣層結(jié);(2)電磁波的波長必須小于最大陷獲波長λmax或頻率必須高于最低陷獲頻率fmin;(3)電磁波的發(fā)射源必須位于大氣波導(dǎo)層內(nèi);(4)電磁波的發(fā)射仰角必須小于臨界發(fā)射仰角θ臨界。3波傳播的部位通過對各種類型的大氣波導(dǎo)特點分析可知,影響岸基雷達電磁波傳播的主要是蒸發(fā)波導(dǎo)。蒸發(fā)波導(dǎo)對電磁波傳播的影響主要表現(xiàn)在對電磁波的陷獲效應(yīng)上,這種效應(yīng)對雷達電磁波的影響主要是形成超視距傳播和影響雷達的電磁盲區(qū),如圖3所示。3.1增加測誤差蒸發(fā)波導(dǎo)能將部分電磁波捕獲在波導(dǎo)之內(nèi)形成波導(dǎo)傳播,從而實現(xiàn)超視距探測。超視距傳播現(xiàn)象的存在會產(chǎn)生超折射回波,使原來雷達探測不到的目標(biāo)物在雷達熒光屏上顯示出來,增加了雷達探測的極限距離。但是由于這種現(xiàn)象的存在,會增加雷達探測誤差,特別是測高誤差,增加雷達錯情率。岸基雷達一般都會根據(jù)目標(biāo)的斜距和仰角來進行測高,常用的計算公式為:H≈Zr+R2/2re+Rsinθ(13)式中:Zr為天線高度,re=8.5×106m,為標(biāo)準(zhǔn)折射時等效地球半徑。例如:某C波段岸基三坐標(biāo)雷達,在蒸發(fā)波導(dǎo)厚度d=30m,雷達天線高度h=20m,λ=0.05m,電磁波以發(fā)射仰角θ=0.25°發(fā)射時,在波導(dǎo)傳播路徑上60～150km的目標(biāo)和高度之間的關(guān)系示如圖4所示。當(dāng)雷達工作在大氣波導(dǎo)中時,主要使視在回波指示的高度和目標(biāo)實際高度發(fā)生偏差,由圖4可知,對于100km處海面目標(biāo),由于大氣波導(dǎo)效應(yīng)影響,可能被誤認(rèn)為1km左右的空中目標(biāo)。3.2蒸發(fā)濾波器對雷達電磁覆蓋律由于雷達體制、天線類型、功率限制和信號檢測能力等自身設(shè)計方面原因,雷達本身存在一定的盲區(qū),如雷達的頂空盲區(qū)、波瓣盲區(qū)等。在雷達的實際應(yīng)用中,復(fù)雜的大氣環(huán)境對電磁波傳播具有重要的影響,它不僅改變雷達探測的性能,同時改變雷達的電磁盲區(qū)。蒸發(fā)波導(dǎo)對雷達電磁盲區(qū)的影響主要表現(xiàn)在兩方面:一方面蒸發(fā)波導(dǎo)改變了正常條件下雷達電磁盲區(qū)的分布,如由于大氣波導(dǎo)的陷獲作用,電磁波形成超視距傳播,雷達對低空探測電磁盲區(qū)的位置和范圍發(fā)生變化形成新的大氣波導(dǎo)盲區(qū);另一方面大氣波導(dǎo)導(dǎo)致形成新的大氣波導(dǎo)盲區(qū),如典型的大氣波導(dǎo)形成沿波導(dǎo)頂部一定范圍內(nèi)的雷達盲區(qū)孔和在海表面附近區(qū)域形成的跳躍盲區(qū)。3.3模型試驗的基礎(chǔ)條件蒸發(fā)波導(dǎo)能將部分電波捕獲在波導(dǎo)之內(nèi)形成波導(dǎo)傳播,從而使電波在波導(dǎo)內(nèi)實現(xiàn)超視距傳播,擴大了位于波導(dǎo)內(nèi)的探測、截收、通信、制導(dǎo)和電子對抗等電子系統(tǒng)的有效作用距離,為遠距探測、預(yù)警和實現(xiàn)超視距作戰(zhàn)提供了條件。3.4超折射回波與地物回波的關(guān)系蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象發(fā)生時常常伴隨超折射現(xiàn)象,超折射現(xiàn)象所產(chǎn)生的回波稱為超折射回波。當(dāng)大氣中發(fā)生超折射時,就會在雷達平面位置顯示器上平時無地物回波的距離上出現(xiàn)地物回波。超折射回波實質(zhì)上仍是地物回波,只是看到的地物回波的范圍擴大了,數(shù)量增加了。這些在大氣波導(dǎo)現(xiàn)象下經(jīng)常會出現(xiàn)在雷達顯示屏上的遠處的陸地雜波或海面雜波圖像,大大增加了雷達雜波信號強度,降低了雷達的檢測分辨性能。4提高岸基雷達低空探測能力的對策在弄清楚大氣波導(dǎo)產(chǎn)生的機理基礎(chǔ)上,根據(jù)前面大氣波導(dǎo)對岸基雷達電磁波傳播影響分析可知,在大氣波導(dǎo)條件下的岸基雷達低空探測能力受到很大影響,因此,岸基雷達設(shè)計中需具備相應(yīng)措施加以應(yīng)對,減少受其影響程度。4.1雷達天線的鋪設(shè)高度要實現(xiàn)大氣波導(dǎo)傳播,電磁波的發(fā)射源必須位于大氣波導(dǎo)層內(nèi),架高雷達天線可降低陷入弱波導(dǎo)的概率,因為雷達天線及目標(biāo)均在波導(dǎo)中時才會出現(xiàn)波導(dǎo)傳播。當(dāng)雷達發(fā)射波長一定時,雷達天線的高度與蒸發(fā)波導(dǎo)的高度存在一定的關(guān)系,具體關(guān)系如(14)式,可以通過改變雷達天線的架設(shè)高度來避開蒸發(fā)波導(dǎo)的影響。h=d?(λmax0.0029d3/2)2(14)h=d-(λmax0.0029d3/2)2(14)式中:h是雷達天線所在的高度(單位:m),d是波導(dǎo)高度(單位:m)。對于典型的P波段(λ=1m)和C波段(λ=0.05m)雷達進行仿真,其結(jié)果如圖5所示。由仿真結(jié)果可以看出:對于高度為20m蒸發(fā)波導(dǎo),波段雷達天線的架設(shè)高度只要超過10m,C波段雷達天線架設(shè)高度只要超過20m,能避開大部分蒸發(fā)波導(dǎo)的不利影響。P波段雷達在架設(shè)時一般要考慮地(海)面反射的影響,架設(shè)高度不能太高,但是由于雷達天線本身都有5m～8m的高度,因此架設(shè)高度基本上都在10m