大气波导对雷达的影响研究

C ：国防科学
大气波导对雷达的影响研究
一、概述
海洋大气环境对舰载雷达、通信、电子侦察等设备有着显著的影响，其影响主要通过大气环境影响电磁波的传播而产生的，尤其是大气波导造成的电磁波异常传播对电子设备的影响尤为突出。

自人类开始使用雷达时，电磁波的大气波导传播效应就已经被观测到了，早期一个著名的事例是在第二次世界大战中，位于印度孟买的一部频率为200 MHz 雷达能够发现1700英里外阿拉伯海域的目标回波（1951年6月）[1]。

另一著名事例是2000年10月，俄罗斯苏-27飞机利用在美小鹰号航母上空出现的大气波导现象形成的电磁盲区孔，突防成功，对美小鹰号航母进行多次侦察拍照，而小鹰号航母编队中的警戒雷达由于大气折射作用产生的电磁盲区无法及时侦测到苏—27飞机[2]。

所谓的大气波导现象是指：电磁波受大气折射的影响，传播轨迹发生弯曲，正常折射条件下电磁波在大气中是弯向地球的，当弯向地球的电磁波轨迹的曲率超过地球的曲率时，电磁波将部分陷获在地球和一定高度的大气层内传播，就如同电磁波在金属波导中传播一样。

大气波导现象是普遍存在的自然现象，它的出现使部分电磁波被陷获在大气波导中，电磁波在波导内的传播衰减明显减小，从而使主动雷达探测范围和被动雷达截获范围明显增大，同时也造成了雷达测量误差的增加。

研究大气波导对电子装备的影响及其在作战中的应用是非常必要的，尤其是在现代高技术条件下，各种杀伤破坏力极大的反舰导弹广泛装备舰艇，使得先敌发现、先机制敌、实施超视距作战成为各国海军争夺的焦点之一。

而要实现舰载雷达的超视距探测，就需要充分研究和利用大气波导。

二、大气折射及大气波导
（一）大气折射
影响大气环境中的电磁波传播特性的主要大气因子是大气折射率。

对频率在1—100GHz 范围内的电磁波，大气折射指数N 可表示为大气温度T （单位：K ）、大气压力P (单位：hPa)和水汽压e （单位：hPa ）的函数[3]，其关系为：
25
1073.36.77T
e T P N ⨯+= （1） 当电磁波传播距离很短时,可近似认为地球表面为平面,但若电磁波传播距离较长时,就必须考虑地球曲率的影响,此时,为了将地球表面处理成平面,通常使用进行了地球曲率订正大气修正折射指数M （单位：M ）,其表达式如下：
610⋅+
=R Z N M （2） 式中R =6.371×106m 为平均地球半径,Z (单位:m)为地表以上的高度。

对上式进行求导可
得 157.0+=dh
dN dh dM （3）
当
dh dN >0，或者dh
dM >0.157时，电磁波将背离地球表面向上凸起传播，此时的大气折射称为负折射；当-0.077<dh dN <0，或者0.08<dh
dM <0.157时，电磁波将弯向地面凹着传播，此时的大气折射称为正常折射（标准折射）；当-0.157<dh dN <-0.077，或者0<dh dM <0.08时，电磁波传播曲率大于标准折射的曲率，而小于地球曲率，此时大气折射称为超折射；当
dh dN <-0.157，或者dh
dM <0时，电磁波弯向地面的传播曲率大于地球曲率，此时大气折射称为陷获折射（即出现大气波导），在这种大气条件下，低仰角的电波将射向地面，经地面反射后向空中传播，经大气的折射又射向地面。

（二）大气波导
不同的气象条件会形成不同类型的波导，通常大气波导分为：表面波导、蒸发波导、抬升波导。

表面波导是下边界与地表相连的大气波导。

一般发生在300m 高度以下的边界层大气中。

存在两种类型的表面波导：第一种，从表面直接产生陷获层，通常称为表面波导，如图1（A ）示；第二种，从抬升层中产生陷获层，通常称为基于表面的波导，如图1（B ）。

抬升波导是陷获层存在于空中，波导底层高于地球表面的波导，如图1（D ）示。

抬升波导从几百米到几千米之间变化。

形成抬升波导的气象条件与造成表面波导的气象条件相同，两者可以互相转化。

蒸发波导是由于海面水蒸气蒸发使得在海面上很小高度范围内的大气湿度随高度锐减而造成的，如图1（C ）示，虽然在世界几乎所有海域几乎所有时间内都可能存在蒸发波导，但蒸发波导的高度随地理纬度、季节、一日内不同时间而变化，蒸发波导的高度可以从几米到40m 之间变化，蒸发波导的强度与蒸发波导的高度有关，通常情况下，蒸发波导高度越高强度越强。

蒸发波导对电磁波的陷获能力与雷达的频率有关，频率高于3GHz 的雷达系统通常会受蒸发波导的影响。

图1 大气波导示意图，阴影区为波导厚度
三、大气波导对雷达的影响
大气波导使电磁波弯向地球表面，形成电磁波的异常传播，其对雷达探测的主要影响有：
（1）大气波导可使雷达实现超视距探测；（2）使雷达形成大气波导盲区；（3）增大雷达测量误差；（4）增强雷达杂波[4]。

（一）大气波导可使雷达实现超视距探测
在标准大气条件下，对海搜索雷达的探测距离为视距，即探测距离不超过二十几海里，当出现大气波导，雷达电磁波的传播满足陷获传播条件时，雷达将出现超视距探测情况，不同的波导类型对同一对海搜索雷达的影响是不同的，蒸发波导能使雷达产生超视距探测，但由于其波导厚度较薄，强度较弱，超视距的情况不如表面波导强；由于表面波导的厚度较厚，强度较强，其对电磁波的陷获能力较强，通常情况下，雷达探测距离较蒸发波导条件下远。

雷达的探测距离不仅与大气环境有关，而且还与雷达系统的技术参数和被探测的目标类型有关，下面以普通导航雷达探测同一目标为例，来说明不同的波导条件对雷达探测的影响。

标准大气条件下，1290导航雷达的天线高度为15m，探测中型舰船（雷达的反射截面积为5000m2）的距离为40km左右，如图2示，图中横坐标为距离，单位为km，纵坐标为高度，单位为m，红色区域为雷达探测概率大于90%的区域，该区域为雷达有效探测区，雷达天线高度不同，雷达的最大探测距离也不相同，在此情况下雷达天线高度越高，最大探测距离越远。

蒸发波导条件下，如蒸发波导高度为15米，雷达天线高度为14米，此时，雷达天线在蒸发波导层内，雷达电磁波被陷获在蒸发波导层内，雷达的最大探测距离为59km，雷达的最大探测距离明显比标准大气条件下远，如图3示。

波导顶部盲区
图2 标准大气条件雷达探测情况图3 蒸发波导条件雷达探测情况
表1列出了1290雷达在不同雷达天线高度和不同蒸发波导高度条件下，所能探测的最大距离，从表中可以看出：1）当蒸发波导高度较低，还不能有效陷获电磁波时，雷达超视距探测能力不明显，但探测距离较标准大气条件远，当雷达天线高度较低时，探测距离可以达到标准条件下的两倍左右；2）当蒸发波导高度超过11米时，1290雷达出现明显的超视距探测现象，此时，蒸发波导高度越高，雷达天线越低，雷达最大探测距离越远。

表1 不同雷达天线高度和不同蒸发波导高度所对应的1290雷达最大探测距离
注：此表列出的是使用1290雷达探测中型舰船（雷达反射截面积为5000m2），目标的有效高度为20m，雷达的最大探测距离单位为km，对于探测距离超过75km的情况，仅写为>75km。

当出现表面波导时，雷达的探测距离显著增大，舰载对海雷达在表面波导条件下的探测距离通常比蒸发波导条件下的探测距离远，雷达最大探测距离一般都可以超过75km，如在表面波导高度为130m，陷获层内大气修正折射指数梯度为-90M/km时，雷达的探测情况如图4示，雷达最大探测距离超过100km。

当出现抬升波导时，舰载对海雷达能否出现超视距探测，则要视波导的高度、强度、雷达的技术参数、雷达天线的高度等条件而定。

通常情况下，抬升波导条件下，舰载对海雷达没有超视距探测能力，但是，当抬升波导高度较低，而且强度较强时，雷达有超视距探测能力。

如抬升波导高度为150m，抬升波导的底部高度为18m，陷获层内的大气修正折射指数梯度为-180M/km，雷达在此大气环境下的探测情况如图5示，由于陷获层高度较高，对电磁波的陷获能力有限，没有将电磁波折下来，在电磁波传播到波导顶部高度时，传播方向又弯向上方，此时雷达探测距离较标准大气探测的远，但没有出现超视距探测情况。

波导顶部盲区
图4 表面波导情况下雷达探测情况图5 抬升波导情况下雷达探测情况
（二）大气波导使雷达形成波导盲区
大气波导可使电磁波实现超视距传播，同时也可产生波导盲区,它能产生两种盲区：波导顶部盲区和海表条约盲区[5]。

1.大气波导顶部盲区
雷达发射的波束具有一定的垂直宽度，当电磁波的入射角小于临界入射角时，这一部分电磁波将被陷获在波导层内，当电磁波的入射角大于临界入射角时，这一部分电磁波将射出波导层，向波导层上的空域传播，因此，在波导顶部形成盲区，如图4示。

在标准大气条件下，某型对空雷达在高度130米处的探测距离为58km，在表面波导高度为130米的大气环境中，该雷达在海面附近出现超视距探测，探测的距离超过200公里，波导顶部的探测距离42km，探测距离明显降低，而且在此高度的最大探测距离较标准大气环境下的还小。

2.大气波导海表跳跃盲区
基于表面的波导和抬升波导还能在海表面附近形成海表跳跃盲区，其盲区的大小与大气
波导的情况和雷达系统的技术参数，以及雷达天线与大气波导的空间位置有关。

例如：2002年5月在福建平潭试验时，在某一时段内出现了表面波导，雷达探测到了较明显的海表跳跃盲区，在0——33海里，50——89.2海里的范围内均能探测到目标，但是，在33——55海里的范围内探测不到任何目标，图略。

（三）大气波导增大雷达的测量误差
由于大气波导的出现使电磁波产生明显弯曲，这将给雷达的测量带来较大误差，应用几何光学中的射线理论可以评估雷达在大气波导条件下的测量误差，包括测距、测向、测高误差，通过评估证明雷达在大气波导条件下的测距和测向误差不大，但是测高误差较大。

当使用舰载雷达对空中目标进行观测时，当处于标准大气状况时，电磁波的传播方向弯曲很小，基本是沿直线传播的，雷达的测距和测高度误差很小，基本可以忽略，图略。

当处于表面波导条件时（波导高304米，陷获层波导强度为-264.2M/km），其它条件不变，射线的传播状况如图6示。

由图可见由于表面波导的存在时，射线弯曲很明显，因此造成雷达测量的高度异常不准确，对于飞行高度较低的目标，目标距离雷达越远，高度误差越大；表面波导越强，高度误差越大。

如图6中当雷达仰角为0.1º，两者相距100公里时，高度测量误差达到700米，说明此种天气条件下对雷达测量目标高度将造成很大影响。

图6 表面波导条件电磁波射线的传播状况图7 抬升波导条件电磁波射线的传播状况
当处在抬升波导条件下使用舰载雷达对海面和空中目标进行探测，抬升波导底高为
24米，波导顶高为500米，陷获层的大气修正折射指数梯度为-120M/km，射线在陷获层中的弯曲很明显，如图7所示，射线的弯曲程度与陷获层的厚度和陷获层内大气修正折射指数梯度有关，陷获层厚度愈大，其内的大气修正折射指数负梯度愈大，射线向下弯曲的愈明显。

由此造成高度测量的误差较大，当射线仰角为0.1°、0.2°时，在150km处的高度测量误差达到了700米以上。

通过以上分析，舰载雷达的电磁波在标准大气环境下所测量的高度误差很小，不用对其修正；而在表面波导和抬升波导条件下高度误差很大，必须加以修正才能满足舰载武器防空和反导的需要。

（四）大气波导增强雷达杂波
大气波导能增强灵敏度高的雷达的杂波，甚至会造成雷达的满屏杂波，使雷达不能正常使用，例如在海湾战争期间，在波斯湾中的美军舰艇，常常会受到大气波导造成的杂波的影响，而使雷达不能正常工作。

大气波导造成的杂波通常是海杂波、地杂波或气象杂波，主要是由于电磁波在大气波导层内传播时，能量的衰减很小，可以使电磁波传播到很远的地方，使雷达能探测到正常条件下探测不到的地物回波，或由于电磁波能量衰减小，而使雷达探测到了大量的海浪回波，从而增加雷达的杂波，如图8示，该图为1998年4月，美国人在弗吉尼亚的Wallops岛，使用Spander雷达探测时，观测到的海杂波情况，由图中可见，雷达屏幕上满是杂波，严重影响将了雷达的性能。

图8 大气波导增强对海雷达的杂波图9 表面波导增加机载雷达的杂波
图9为机载雷达在表面波导情况下探测到的杂波情况，图中分别显示了飞机在不同高度上的雷达杂波情况，A为飞机的飞行高度远高于波导高度，雷达的探测基本不受波导影响，B为飞机的飞行高度略高于波导高度，可见雷达的探测受到了波导的影响，C为飞机的飞行高度在波导层内，雷达的探测明显受到了波导的影响，杂波增强，而且杂波出现的区域较大。

可见大气波导的出现增强了雷达的杂波，从而增加了目标识别和跟踪的困难，因此必须采用相应的雷达杂波抑制方法，否则将会影响雷达性能，甚至使雷达无法工作。

四、结论
文章分析了大气波导对雷达的影响，这些影响既有有利的一面，也有不利的一面，有利的一面是可以增加雷达的探测距离，不利的一面它能使雷达产生波导盲区，增加雷达的测量误差，增加部分雷达的杂波。

由于大气波导对雷达的显著影响，必将使波导条件下的海战样式和方法发生改变，例如，可以利用大气波导进行水面舰艇的超视距导弹攻击，利用蒸发波导，采用小艇或潜艇攻击大型舰艇等新战法，进一步进行大气波导对雷达的影响及其应用研究具有重要的意义，尤其是能够解决我海军迫切需要解决的探测能力弱的问题，将使我军在现有装备的基础上，战斗力得到有效提升。