大气波导对雷达的影响研究

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1、大气波导对雷达的影响研究C：国防科学一、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200MHz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

2、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

3、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：N?77.6Pe?3.73?1052（1）TT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

4、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：M?N?得Z?106（2）R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dMdN??0.157（3）dhdhdMdN>0，或者>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dhdhdMdN射称为负折射；当-0.077<<0，或者0.08<<0.157时，电磁波将弯向地面凹着传播，dhdhdMdN此时的大气折射称为正常折射（标准折射）；当-0.157<<-0.0

5、77，或者0<<0.08时，dhdh当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dMdN<-0.157，或者<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dhdh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

6、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

7、，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