浅析低空探测岸基雷达

浅析低空探测岸基雷达

1大气导数传播通过雷达进行低探测，通常会发现异常的波形传播。其中一种显著的现象是:在一定的气象条件下,在大气边界层尤其是在近地层中传播的电磁波,受大气折射的影响,其传播轨迹弯向地面,当曲率超过地球曲率时,电磁波会部分地被陷获在一定厚度的大气薄层内,就像电磁波在金属波导管中传播一样,这种现象称为电磁波的大气波导(duct)传播,形成波导传播的大气薄层称为大气波导层。在合适的频率和发射角下,大气波导现象使得雷达有可能观测到数倍于雷达正常探测距离处的目标,实现所谓的超视距探测;也有可能导致雷达盲区产生,增加雷达杂波信号,给雷达对目标的识别和定位产生不利影响。岸基雷达在进行低空探测时,所遇到的外界环境极其复杂,大气传播过程中的吸收、折射、多路径效应,海、地、气象杂波等诸多因素都会影响到低空目标的测量准确性,特别是在出现大气波导情况下,复杂的远区海杂波干扰会严重影响对真实目标的检测。如何有效地消除其影响,使岸基雷达低空探测性能达到最佳,对从事雷达工作的工程技术人员来说是一种挑战。2单因素流2.1大气滤波传播梯度对于岸基雷达来说,电波传播主要受大气吸收、折射、反射和散射的影响。在所有的这些因素中,折射的影响在各个频段上都是显著的,实际的大气属于不均匀介质,其大气分层、压强、温度和湿度都随高度变化,这种变化通常使大气折射指数n随高度增大而减小,n定义为:n=c/v(1)式中:c表示电磁波在真空中的传播速度,v表示电磁波在传播媒介中的传播速度。通常折射指数的水平变化相对于垂直变化可忽略,对流层低层的折射指数n大约在1.000250到1.000400之间,接近于1。为方便引入折射率N:N=(n-l)×106(2)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修正的大气修正折射指数m和大气修正折射率M,它们的表达式如(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为地球半径,取地球平均半径为6370km;h是地面以上的高度,单位m。由(2～4)式可得:M=N+ha×106≈N+0.157h(5)Μ=Ν+ha×106≈Ν+0.157h(5)对(5)式求导,可得修正折射率得梯度:dMdh=dNdh+0.157(6)dΜdh=dΝdh+0.157(6)当大气修正折射率垂直梯度dMdh＞0.157dΜdh＞0.157时,电磁波的传播轨迹将背着地球而凸起弯曲,此时大气为负折射(sub-refraction);当dMdh=0.157dΜdh=0.157时,电磁波的传播轨迹不发生弯曲,沿直线传播,此时大气无折射(non-refraction)或称零折射;当dMdh＜0.157dΜdh＜0.157时,电磁波的传播轨迹将凹着弯向地球,此时大气为正折射;正折射包括标准折射(normalrefraction)、超折射(supper-refraction)、临界折射(criticalrefraction)、陷获折射(trappedrefraction)等。当dMdh＜0dΜdh＜0(或dNdh＜−0.157m−1)dΝdh＜-0.157m-1)时,电磁波被折射向地球传播,如果这个梯度延伸到地面,源于大气层内的电磁波被陷获成沿地表传播,就象在波导管中一样,因而形成大气波导传播。当dMdh=0dΜdh=0(或dNdh=−0.157m−1)dΝdh=-0.157m-1)所对应的高度被定为波导高度,因此,dNdh=−0.157m−1dΝdh=-0.157m-1又称临界折射率梯度。表1给出了各种折射类型的存在条件。2.2大气波导形成条件对于频率在1～100GHz范围内的电磁波,大气折射率N可表示成T、P、e之间的函数: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是绝对大气温度(单位:K),P是大气压强(单位:hPa),e是水气压强(单位:hPa),A、B是经验常数(其中A=77.6,B=4810,在1～100GHz范围内都有效)。由(7)式对h求导可以得到: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)当dNdh＜−0.157m−1dΝdh＜-0.157m-1时,电磁波被陷获在大气波导层内进行传播,对应的大气条件,由(8)式可知,式中右边第一项为大气压强的函数,从地面到11km的大气高度中,气压随高度变化可用式(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是地面大气压强(单位:hPa),γ是温度直减率,h是地面以上的高度(单位:m),由(9)式求导可得: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)式可得气压和气压梯度随高度变化的关系示意图,如图1。由图1可知,大气压强随高度的增加而减小(dPdh<0)(dΡdh<0),故(8)式右边第一项只有使dNdhdΝdh为负值才可能。(8)式右边第二项是温度随高度的变化关系,在正常情况下,大气的温度也是随高度的增加而减小的(dTdh<0)(dΤdh<0),由于此项前是负号,有使dNdhdΝdh为正值和使dMdhdΜdh增大的效果。要使dNdhdΝdh有较大的负值,大气温度随高度的改变量为正值,也就是说,温度随高度的增加而增加或随高度的增加而不变。(8)式的第三项是水气压随高度的变化关系,根据海面发生大气波导现象的条件,dedhdedh必须有较大的负值,即水气压在此层中要随高度增加而迅速减小,否则很难满足dNdhdΝdh为大的负值要求。总之,海面易于满足陷获产生波导的条件;在大气波导层中,温度随高度的变化必须为正值,水气压随高度的变化应递减,并且递减值相当大。2.3导波式按照波导出现的高度及波导层结和地球表面的关系对流层波导可分为贴地波导和悬空波导。2.3.1边界层大气修正转化率根据波导出现的高度及其与地面之间的关系,可以把贴地波导分成表面波导、基于表面大气波导、蒸发波导三种类型。前2种波导一般发生在300m高度以下的边界层大气中,其显著特点是波导层顶的大气修正折射率小于地面的大气修正折射率;第3种类型大气波导为蒸发波导,蒸发波导是海洋大气环境中经常出现的一种特殊表面波导,它是由于海面水汽蒸发使得在海上很小高度范围内的大气湿度随高度锐减而成的,这种波导的厚度较薄,一般在30米以下,当雷达天线及目标均在波导中时就会出现波导传播,由于其出现概率非常高,对低架设高度的岸基雷达及舰载雷达的正常工作影响很大。2.3.2物理机制的差异如果气象条件使捕获层出现在高空,这样大气波导底抬升到地球表面以上,形成了悬空大气波导。它受到地理条件、气象条件和波导形成的物理机制差异的制约。悬空波导是下边界悬空的大气波导,一般发生在3000m高度以下的对流层低层大气中。它通常是由一个悬空陷获层叠加到一个悬空基础层之上而构成。悬空波导的一个显著特点是波导层顶的大气修正折射率大于地面的大气修正折射率。悬空波导的下边界高度一般距离地面数十米或数百米,在此高度之上一般出现逆温层。2.4大气微波传播的可能性当存在大气波导时,电磁波却不一定都能形成波导传播,因为在特定气象条件下产生的大气波导能否将在大气中传播的电磁波捕获到波导层中形成波导还要取决于该电磁波的波长(频率)、发射源与大气波导所处的相对位置以及发射源的发射角度。在大气中传播的电磁波若要形成波导传播,其波长(频率)与大气波导厚度及大气折射指数梯度三者之间必须满足一定的关系。假定波导层内的大气折射指数N随高度线性递减,即波导层内的dNdhdΝdh为小于-0.157的一个负值常数,若电磁波在波导底层以一定的仰角射入波导层形成传播波导,则可得到水平极化波最大自由空间波长λhmax和垂直极化波的最大自由空间波长λvmax,并且有λhmax=3λimax。对于贴地波导(蒸发波导),假定地面(海面)的大气折射率n0≈1.0,我们可以推导出海面发射的水平极化波能形成波导传播的最大波长λhmax(单位:m)和波导厚度d(单位:m)及波导层内大气修正折射率垂直梯度dMdhdΜdh之间的关系为:λhmax=2.5×10−3[−dMdh]1/2d3/2(11)λhmax=2.5×10-3[-dΜdh]1/2d3/2(11)式(11)给出的是可受大气波导影响而形成波导传播的电磁波最大波长(对应的频率为最低陷获频率),波长小于该最大值范围(频率高于该最小值范围)内的电磁波均可受大气波导的影响。最大波长和波导厚度的关系如图2所示,其中A=dMdhA=dΜdh。由图2可知,大气波导厚度远大于电磁波波长时,才能捕获电磁波形成波导传播;大气波导的厚度愈厚,可形成波导传播的电磁波波长范围的上限愈长;大气波导的强度愈强,可形成波导传播的电磁波波长范围的上限愈长。通常情况下X波段、C波段、S波段雷达发射的电磁波是很容易受大气波导影响而形成波导传播的。当然实现波导传播还与穿透角有关,当电波在大气波导中的仰角大于穿透角时,不发生波导传播。当发射源天线处于波导内部时,穿透角可用式(12)来计算:θc=2×103ΔMc−−−−−−−−−−√(12)θc=2×103ΔΜc(12)式中:ΔMc是大气波导强度。但实际情况是发射的电磁波具有一定的波束宽度,导致波导传播的雷达临界发射仰角为θ临界=ϕ2+θc‚ϕθ临界=ϕ2+θc‚ϕ为垂直波束宽度。总之,要实现大气波导传播,必须满足四个必要条件:(1)近地层某一高度处必须存在大气波导,即存在dM/dh<0的大气层结;(2)电磁波的波长必须小于最大陷获波长λmax或频率必须高于最低陷获频率fmin;(3)电磁波的发射源必须位于大气波导层内;(4)电磁波的发射仰角必须小于临界发射仰角θ临界。3波传播的部位通过对各种类型的大气波导特点分析可知,影响岸基雷达电磁波传播的主要是蒸发波导。蒸发波导对电磁波传播的影响主要表现在对电磁波的陷获效应上,这种效应对雷达电磁波的影响主要是形成超视距传播和影响雷达的电磁盲区,如图3所示。3.1增加测误差蒸发波导能将部分电磁波捕获在波导之内形成波导传播,从而实现超视距探测。超视距传播现象的存在会产生超折射回波,使原来雷达探测不到的目标物在雷达荧光屏上显示出来,增加了雷达探测的极限距离。但是由于这种现象的存在,会增加雷达探测误差,特别是测高误差,增加雷达错情率。岸基雷达一般都会根据目标的斜距和仰角来进行测高,常用的计算公式为:H≈Zr+R2/2re+Rsinθ(13)式中:Zr为天线高度,re=8.5×106m,为标准折射时等效地球半径。例如:某C波段岸基三坐标雷达,在蒸发波导厚度d=30m,雷达天线高度h=20m,λ=0.05m,电磁波以发射仰角θ=0.25°发射时,在波导传播路径上60～150km的目标和高度之间的关系示如图4所示。当雷达工作在大气波导中时,主要使视在回波指示的高度和目标实际高度发生偏差,由图4可知,对于100km处海面目标,由于大气波导效应影响,可能被误认为1km左右的空中目标。3.2蒸发滤波器对雷达电磁覆盖律由于雷达体制、天线类型、功率限制和信号检测能力等自身设计方面原因,雷达本身存在一定的盲区,如雷达的顶空盲区、波瓣盲区等。在雷达的实际应用中,复杂的大气环境对电磁波传播具有重要的影响,它不仅改变雷达探测的性能,同时改变雷达的电磁盲区。蒸发波导对雷达电磁盲区的影响主要表现在两方面:一方面蒸发波导改变了正常条件下雷达电磁盲区的分布,如由于大气波导的陷获作用,电磁波形成超视距传播,雷达对低空探测电磁盲区的位置和范围发生变化形成新的大气波导盲区;另一方面大气波导导致形成新的大气波导盲区,如典型的大气波导形成沿波导顶部一定范围内的雷达盲区孔和在海表面附近区域形成的跳跃盲区。3.3模型试验的基础条件蒸发波导能将部分电波捕获在波导之内形成波导传播,从而使电波在波导内实现超视距传播,扩大了位于波导内的探测、截收、通信、制导和电子对抗等电子系统的有效作用距离,为远距探测、预警和实现超视距作战提供了条件。3.4超折射回波与地物回波的关系蒸发波导现象发生时常常伴随超折射现象,超折射现象所产生的回波称为超折射回波。当大气中发生超折射时,就会在雷达平面位置显示器上平时无地物回波的距离上出现地物回波。超折射回波实质上仍是地物回波,只是看到的地物回波的范围扩大了,数量增加了。这些在大气波导现象下经常会出现在雷达显示屏上的远处的陆地杂波或海面杂波图像,大大增加了雷达杂波信号强度,降低了雷达的检测分辨性能。4提高岸基雷达低空探测能力的对策在弄清楚大气波导产生的机理基础上,根据前面大气波导对岸基雷达电磁波传播影响分析可知,在大气波导条件下的岸基雷达低空探测能力受到很大影响,因此,岸基雷达设计中需具备相应措施加以应对,减少受其影响程度。4.1雷达天线的铺设高度要实现大气波导传播,电磁波的发射源必须位于大气波导层内,架高雷达天线可降低陷入弱波导的概率,因为雷达天线及目标均在波导中时才会出现波导传播。当雷达发射波长一定时,雷达天线的高度与蒸发波导的高度存在一定的关系,具体关系如(14)式,可以通过改变雷达天线的架设高度来避开蒸发波导的影响。h=d−(λmax0.0029d3/2)2(14)h=d-(λmax0.0029d3/2)2(14)式中:h是雷达天线所在的高度(单位:m),d是波导高度(单位:m)。对于典型的P波段(λ=1m)和C波段(λ=0.05m)雷达进行仿真,其结果如图5所示。由仿真结果可以看出:对于高度为20m蒸发波导,波段雷达天线的架设高度只要超过10m,C波段雷达天线架设高度只要超过20m,能避开大部分蒸发波导的不利影响。P波段雷达在架设时一般要考虑地(海)面反射的影响,架设高度不能太高,但是由于雷达天线本身都有5m～8m的高度,因此架设高度基本上都在10m