刘勇，张利军，王红光，马强

（1.中国人民解放军92941部队，葫芦岛 125000；2.中国电波传播研究所，青岛 266107）

雷达对海洋环境下视距内低空飞行目标的探测跟踪，经常发生跟踪不稳定、探测距离近等问题。究其原因，除了多路径、海杂波等因素外，蒸发波导也是一个重要因素。在海洋环境下，雷达探测跟踪视距内目标时形成的盲区可分为顶空盲区、低空盲区、波瓣间盲区、视距外盲区以及障碍物遮蔽盲区等。针对雷达的特性，对顶空盲区、低空盲区、视距外盲区、障碍物遮蔽盲区等盲区的成因、机理分析等已有较多的文献进行了报道，而蒸发波导对视距内的波瓣盲区影响分析则少见报道。因此本文重点研究在海洋环境下雷达探测跟踪视距内目标时，蒸发波导对其产生盲区的影响，分析其机理。

1 雷达传播损耗与盲区分布分析计算方法

为探讨视距内蒸发波导对海环境下雷达探测波瓣盲区影响问题，先介绍雷达的传播损耗与盲区的计算方法。

1.1 雷达传播损耗计算方法

雷达天线至目标的传播路径损耗的计算可用广泛使用的抛物方程方法计算。利用抛物方程近似的波动方程方法，可对任意大气环境，尤其适合于大气波导环境的电波传播预测。参考文献［1-2］中对于大气波导环境的电波传播预测具有较详实的描述，其中在考虑地球曲率的条件下，标准的抛物方程步进解如下：

式中，u(x,z)为定义的x轴方向传播的波函数，x为水平方向，z为垂直的高度方向；k0为自由空间波数；n为位置(x,z)处的折射率；ae为地球半径；p为变换域变量；Δx为距离方向上的步进；ℑ和ℑ-1分别为傅立叶变换和逆变换。其中初始场u(0,z)可由天线方向图得到。由于其能够提供距离上相关的波动方程的全波解，且其解可采用分步傅立叶算法，易于在计算机上实现，因此抛物方程方法在计算电磁波传播领域获得广泛应用。在获得不同距离以及不同高度处的波函数u(x,z)后，传播因子F可用下式计算：

进而得到传播路径损耗：

式中，d为雷达到目标的距离；λ为雷达电磁波的波长。

依据计算获得的传播损耗，在给定雷达系统参数以及目标参数情形下可以快速计算雷达探测不同距离、不同高度处目标的回波功率。

1.2 雷达盲区计算方法

依据雷达对目标的回波接收功率与雷达接收机灵敏度的关系用来评估雷达的盲区分布。如果雷达性能评估中仅仅考虑大气环境变化对雷达探测的影响，可根据雷达的系统参数以及最小可检测信号功率计算允许的最大传播路径损耗，即Lmax，其表达式：

利用分贝单位表示，有：

如果实际传播环境下的传播损耗小于允许的最大路径损耗，则雷达可探测到目标；反之传播损耗大于允许的最大路径损耗，则形成雷达的探测盲区。

假定如下计算条件：标准大气环境，频率为6 GHz，高斯天线类型，垂直波束宽度为3°，0°仰角，雷达天线架设高度为100 m，海面环境。图1所示给出了该计算条件下雷达探测的顶空盲区、低空盲区、视距盲区以及波瓣盲区等。其中，图示深色区域则表示传播损耗小于Lmax，位于该处的目标能够被探测到；白色区域则表示传播损耗大于Lmax，位于该处的目标不能被探测到，形成雷达的探测盲区。容易知道，顶空盲区由天线波瓣在仰角上的限制造成；低空盲区由雷达天线架设高度以及波束俯仰扫描角度的限制造成；视距盲区由地球曲率造。以往诸多文献考虑大气波导效应形成超视距传播，进而导致视距盲区消失以及形成新的波导顶部盲区。而大气波导对视距以内的波瓣盲区影响则少见报道。本文重点关注蒸发波导环境对雷达视距探测盲区的影响特征。

图1 雷达盲区分布

2 蒸发波导对雷达探测视距内盲区影响分析

2.1 不同蒸发波导高度下雷达探测视距内盲区分布分析

根据1.2节提供的雷达盲区计算方法，针对雷达探测掠海飞行的飞行器情形，对雷达盲区分布进行仿真。本文选取一种典型条件进行，可取目标RCS为0.5 m2，设雷达天线高度20 m，天线仰角0°，频率为6 GHz，根据典型雷达发射功率、天线增益、系统损耗、噪声系数、接收机灵敏度、目标特性等参数，根据式（5）计算雷达允许的最大路径损耗。

利用给出的雷达盲区计算方法，计算不同蒸发波导高度情形下的雷达盲区分布，如图2所示。由图可见：由于蒸发波导的存在，导致雷达探测距离在近海面具有较大的延伸，即形成超视距传播，尤其当波导高度为20 m、30 m的情形，同时在一些高度上也使得探测距离有所减少，波瓣盲区影响雷达探测距离也不同。

图2 不同蒸发波导高度条件下的雷达盲区分布

2.2 不同蒸发波导高度下雷达探测视距内盲区影响分析

根据2.1给出的不同蒸发波导高度条件下雷达探测波瓣盲区分布情况，现以100 m高度目标的探测为例，给出100 m高度上的传播损耗随着距离的变化，如图3所示。

图3 不同蒸发波导高度条件下传播损耗随着距离的变化

由图3中不同蒸发波导高度下的传播损耗变化可以看到，由于多径干涉的深衰落位置明显不同（图3（a）-（d）中位置①、②、③为多径干涉下产生的深衰落位置），进而造成视距内截然不同的雷达探测盲区。以蒸发波导高度0 m情形下图示标号的三个深衰落位置为参考，表1给出了不同情形下的深衰落位置变化。由表中数据可以看到：蒸发波导高度10 m、20 m、30 m相对于无蒸发波导来说，深衰落位置①相对后移1.8 km、4 km、7.4 km；深衰落位置②相对后移3.7 km、9.5 km、11.9 km；深衰落位置③相对后移8.9 km、41.6 km。其中蒸发波导高度30 m时，相对于其它蒸发波导高度深衰落位置③消失。

表1 深衰落的位置

表2 目标高度100 m时的雷达盲区位置变化

表2给出了该目标高度下不同蒸发波导高度时的雷达盲区变化。其中蒸发波导高度10 m以及无蒸发波导高度的盲区区域对应表1中的深衰落位置附近区域，而蒸发波导高度20 m以及30 m由于深衰落位置后移使得深衰落位置①以前的其它距离上出现新的盲区。由表中数据可以看到：雷达探测盲区Ⅰ主要分布在19～21 km之间，盲区区域Ⅱ主要分布在24～29 km之间，盲区区域Ⅲ主要分布在34～48 km之间。

综上分析可知：随着蒸发波导的不同，其具体的盲区区域有较大差别。随着蒸发波导高度的增加，雷达盲区的跨越区域也有所增加，在不同的盲区位置其区域跨度的距离也随之变化，据此可以分析不同蒸发波导高度条件下雷达探测波瓣盲区的分布情况，为雷达的探测应用提供支持。

3 对比验证

利用蒸发波导监测设备监测的某一海域的蒸发波导分布情况和雷达实际工作情况可以对第2节的分析开展比对验证。2016年7月某海域雷达工作后盲区实际分布为：（1）29.5～31.6 km；（2）27.5～29 km；（3）22.2～24 km；（4）16.3～17.3 km；（5）11.3～14.3 km。在该过程中监测到蒸发波导高度为8.6 m；利用实测的蒸发波导环境计算的盲区位置为：（1）32.8～40 km；（2）22.4～24 km；（3）16.7～17.2 km；（4）13.2～13.3 km。上述结果表明：雷达实测盲区与理论计算盲区在17 km、23 km附近基本一致。需要指出的是：盲区计算中飞行目标的RCS选取固定值，没有考虑其姿态变化带来的RCS变化，因此盲区计算结果也出现了一些不一致的情形。

4 结论

蒸发波导是海洋环境中经常存在的一种波导类型，对雷达探测掠海小目标具有较大影响。除了蒸发波导超视距传播带来的波导顶部盲区以外，蒸发波导还显著改变了雷达视距内盲区的位置。本文详细分析了不同蒸发波导高度对雷达探测掠海小目标的影响。相对无蒸发波导时，随着波导高度的增加，雷达盲区的位置区域相对后移，且盲区跨越区域有所增加。在海上雷达跟踪目标过程中出现的丢点现象以及丢点位置与上述分析密切相关，在事后分析数据时必须考虑雷达工作环境。