海洋环境对舰载雷达的影响及对策

2018-04-23王振

船电技术 2018年3期

关键词：雷达探测盲区波导

王振

（海军大连舰艇学院信息作战系，辽宁大连 116018）

0 引言

舰船雷达依赖于电磁波在大气海洋环境中的传播特性，而电磁波的传播特性受大气海洋环境的影响和制约，进而影响舰船航行及战术动作的选择，因此评估海洋环境对雷达的影响具有重要意义[1]。

1 影响因素分析

1.1 大气波导

1.1.1 类型特征

对流层对电磁波的折射主要有正折射、无折射、负折射、临界折射、陷获折射（超折射）。当大气中出现陷获折射时，电磁波弯向地面的曲率会超过地球表面的曲率，电磁波会被限制在一定厚度的大气层内，经该层大气上下边界来回反射向前传播，这种传播现象称为大气波导传播，形成波导传播的大气层称为大气波导，如图1所示。

不同的气象条件会形成不同类型的波导，在海洋大气环境中通常存在三种类型的大气波导：表面波导、抬升波导、蒸发波导。表面波导又分为两种，一种是陷获层接地的表面波导，另一种是基于表面的波导，多年的研究和实验结果表明，蒸发波导是海上影响雷达探测性能的最重要的物理现象，蒸发波导是海洋大气环境中经常出现的一种特殊的表面波导。海面蒸发波导的稳定性较好，持续时间较长，而且在水平方向上延伸距离远，常达数百公里以上。大气波导具有尺度特征、天气特征、地理特征。

图1 电磁波传播路径

天气特征，在我国东南沿海下列天气形式和部位有利于形成波导结构：1）冷高压后部偏南风区。2）太平洋高压西部脊区及脊线的南部地区。3）小高压所控制的地区。4）低压前部及南部地区。5）高压北部、低压南部或高低压构成南高北低的地区。此外，波导也与云、雾、露、霜和降水等局部天气现象有关。

尺度特征，通常大气波导的水平尺度为几公里到几百公里，垂直尺度为几米到几百米。在海洋大气环境的水平均匀性较好，容易产生大气波导形成的条件，因此，大气波导经常出现在海洋大气环境中，特别是蒸发波导，它是海水蒸发形成的湿度梯度变化的结果，大气波导的水平分布不均匀性将影响雷达的作用范围和测量精度。

地理特征，从全球海域大气波导发生频率的气候分布来看，大气波导发生频率最高区域位于大陆西岸、大洋东部南北纬30度范围附近的海域；此外，波斯湾、阿拉伯海等海域也是波导多发区；我国海域及邻海海域波导发生频率在40%～50%以上。

1.1.2 形成波导传播的基本条件

1）近地层某一高度处必须存在大气波导；

2）电磁波的频率必须高于最低陷获频率；

3）电磁波发射源必须位于大气波导层内，对于抬升波导，有时电磁波发射源位于波导底下方时，也可形成波导传播，但发射源必须距波导底不远，并且波导强度必须很强；

4）电磁波的发射仰角必须小于临界仰角。

1.1.3 主要影响

1）雷达的探测距离大大提高，可探测到数百公里范围内的目标，这就是雷达的超视距探测。

2）大气波导可使雷达探测出现大面积盲区，由于大气波导能将雷达发射的电磁波部分地捕获到波导层内传播，这就使得在大气波导层顶部上方一定的空间范围内出现雷达波的探测盲区如图2所示。这在气象雷达的观测中是非常重要的，军事应用中，雷达探测盲区是其防御的薄弱区域，同时也是其隐蔽接敌实施突防的最佳路径[2]。

3）影响雷达的探测精度，大气波导引起雷达的测角、测距和测高的误差，需根据标准修正。

4）增强雷达的杂波。

1.2 大气衰减

1.2.1 主要因素

大气衰减是大气对电磁波的散射和吸收。大气和悬浮在空气中的微尘，一方面是电磁波向四面八方散射，另一方面吸收电磁波的一部分能量，因而电磁波在传播过程中不断的衰减。前一种称散射衰减，后一种称为吸收衰减。大气衰减是这两种衰减的总称。频率越高，大气衰减越严重，当工作频率低于1 GHz，大气衰减可以忽略。而当工作频率高于10 GHz后，衰减随频率增大而增大，所以，很少有远距离的雷达工作在高于35 GHz。大气气体对雷达电磁波的衰减，主要是由于吸收引起的，其中水汽是大气气体中吸收雷达电磁波的主要因素。在恶劣气候条件下大气中的雨雾对电磁波有衰减作用[2]。

图2 大气波导使雷达探测出现盲区

1.2.2 主要影响

对流层大气对电磁波辐射的衰减随波长的减小而增大，大气中的各种气体，微尘，都能引起电磁波的衰减，尤其是以氧气、云、雾、水蒸气等引起的衰减最为显著，降水对电磁波的衰减在微波波段随波长的减小而显著增大，在毫米波段，随波长的减小变化很慢，并缓慢达到衰减的最大值；进光波段后，衰减几乎与波长无关，而且衰减值比毫米波略有减小，电磁波受到衰减以后，雷达的探测范围就会减小，降低了雷达的能见距离。有时，雾虽然不浓，但密度较均匀时，会使雷达荧光屏上出现模糊的点状信号，使观测者对雷达荧光屏图像的识别发生困难或者失去识别的可能性[3]。

1.3 海杂波

1.3.1 特征分析

杂波分为两部分，一部分是环境噪声，主要有雨、雪、风暴等，一部分是海浪杂波和因此产生的静电放电，海杂波是对雷达海预警探测系统的主要噪声源，其影响超过热噪声，世界海洋40%~60%时间皆为3级浪以上，海杂波干扰是强烈的、多变的，它在对海观测、低高度大范围的海面雷达监视、目标跟踪、海面航行系统的运行等方面影响较大。尤其是在低掠角条件下，海面散射杂波有十分显著。海杂波具有与海情、频率、极化和雷达的照射单元等因素相关的特性，根据这一特性可以采取某些措施来提高影响雷达信杂比。

1.3.2 主要影响

海杂波是指海浪在对雷达的显示器上产生的回波，海杂波是雷达探测系统的主要噪声源。为此，雷达都有减小海杂波的相应电路，如传统的对海搜索雷达海浪抑制电路，但该电路是以降低雷达接收机的增益为代价的，即在抑制海杂波的同时也把近距离上的小目标回波抑制了，使得雷达难以发现掠海飞行的导弹等小目标。

2 舰船雷达的使用对策

除海洋环境影响雷达的使用效能外，雷达还受本身技术参数的影响，如脉冲宽度、天线波束宽度、天线极化方式、天线增益等，因此，提出了以下技术和使用对策。

2.1 利用大气波导的对策

1）利用大数据技术，建立较为详尽的海洋大气波导分布图，准确掌握大气波导的分布特征、发生频率、大气波导特征统计数据库；

2）发展适用于不同海域波导的诊断模型；发展新的大气波导特征量的获取手段，如卫星遥感、雷达反演等方法，以达到大范围实时诊断；

3）适当提升雷达天线高度，以降低陷入波导的概率。

2.2 雷达抗杂波的使用对策

1）雷达抑制杂波的技术措施主要是围绕提高雷达性能，如引入先进的信号处理技术、改进天线、提高海浪、雨雪等杂波干扰能力；对不同用途的雷达应合理选择雷达的频率、极化和脉宽以提高雷达信噪比。

2）对海杂波等干扰源以及海面目标或掠海目标的特性，从时间域、空间域、频率域和极化特性等，掌握这些干扰和目标特性和规律；为了既消除海杂波的影响又能从海杂波中发现掠海飞行的反舰导弹，新一代对海搜索雷达运用了相关检测技术，如动目标显示技术和动目标检测技术等。

2.3 雷达使用方法对策

1）为了减少波导对雷达盲区的影响，应考虑采用补盲措施。由于波导顶盲区和海表跳跃盲区呈现不同特征，根据大气波导类型和雷达种类的不同，可采用不同频率雷达互配合使用的方法，达到补盲效果。当蒸发波导出现时，对海警戒雷达波导顶部盲区不明显，在海表面附近无跳跃盲区。此时对舰艇的进攻和防御都比较有利；当出现陷获层接地的表面波导时，在波导顶部有盲区，在海表面附近无跳跃盲区，此时对舰艇的导弹攻击有利，由于存在波导顶部盲区，对舰艇的对空防御不利。当出现基于表面的波导时，雷达在波导顶部有盲区，在海表面附近有跳跃盲区；当波导减弱时，雷达在波导顶部的盲区减小，在海表附近的跳跃盲区增大。

2）考虑大气波导的水平不均匀性，要利用综合评估模式分析主动和被动雷达的覆盖范围，大气波导使被动雷达的截获区域大大增加，有利于实施雷达侦察、早期预警、对电子干扰的引导和对舰船反辐射导弹的引导。

3）大气波导尤其是蒸发波导使X波段雷达探测低高度、小目标能力降低，而S波段的雷达探测略海飞行导弹的能力较标准大气条件强，因此在大气波导条件下对空防御的目标指示应使用S波段雷达[1,4]。