基于對(duì)流層散射的艦載超視距偵察技術(shù)分析

王 澍

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

早在20世紀(jì)50年代，利用對(duì)流層散射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸就引起廣泛的研究，由于通信距離遠(yuǎn)、抗核爆炸能力強(qiáng)、通信保密好、不易被干擾等優(yōu)點(diǎn)，受到各國重視［1］。到20世紀(jì)末，為了探測到數(shù)百千米外的航母編隊(duì)艦載、機(jī)載雷達(dá)信號(hào)，利用對(duì)流層散射實(shí)現(xiàn)超視距被動(dòng)探測有了較快的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新裝備，如烏克蘭的“鎧甲”系統(tǒng)、捷克的SDD電磁信號(hào)監(jiān)視系統(tǒng)以及俄羅斯的“米涅拉爾”艦載主／被動(dòng)超視距雷達(dá)系統(tǒng)等。

烏克蘭的“鎧甲”信號(hào)情報(bào)監(jiān)視系統(tǒng)的知名度較高，是一種車載微波超視距偵察設(shè)備，2000年完成研制并批量生產(chǎn)，出口到很多國家。系統(tǒng)由2～3個(gè)站組成，采用分頻段天線，窄波束搜索，單脈沖比幅測向，系統(tǒng)靈敏度達(dá)－115dBm，頻段覆蓋130MHz～18GHz，對(duì)頻段低端的特定雷達(dá)信號(hào)，偵察距離可達(dá)600km，采用三角定位原理完成對(duì)目標(biāo)的定位，圖1為“鎧甲”系統(tǒng)的圖片。

圖1 “鎧甲”信號(hào)情報(bào)監(jiān)視系統(tǒng)圖片

在艦載超視距探測方面，20世紀(jì)末俄羅斯研制了“米涅拉爾”主／被動(dòng)超視距雷達(dá)，其主動(dòng)雷達(dá)利用大氣波導(dǎo)效應(yīng)探測視距外目標(biāo)，在良好的大氣波導(dǎo)條件下，主動(dòng)雷達(dá)探測距離可達(dá)200km左右。被動(dòng)探測則利用對(duì)流層散射實(shí)現(xiàn)，對(duì)L波段特定的雷達(dá)信號(hào)，探測距離可達(dá)450km左右，還可多艦協(xié)同實(shí)現(xiàn)三角定位。圖2為安裝了“米涅拉爾”的俄軍艦圖片，天線位于軍艦駕駛室上方的鐘形天線罩內(nèi)。

圖2 安裝了“米涅拉爾”的軍艦圖片

上述系統(tǒng)屬于20世紀(jì)末或21世紀(jì)初的產(chǎn)品，多采用模擬接收體制，頻域上瞬時(shí)帶寬較窄，方位上采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)窄波束搜索，因此對(duì)信號(hào)的截獲概率較低。近年來，隨著數(shù)字接收技術(shù)的不斷發(fā)展，一些新的處理技術(shù)，如數(shù)字波束形成（DBF）技術(shù)，相關(guān)積累處理技術(shù)，使得偵察靈敏度、頻帶寬度、截獲概率都有顯著提高，可望實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的被動(dòng)探測能力。

1 對(duì)流層散射特征

受地球曲率的影響，在平坦的地表面或海面，雷達(dá)對(duì)海上目標(biāo)的探測距離只能達(dá)到通視距離：

式中：D為電磁波的視距（km）；h1和h2分別為雷達(dá)天線架設(shè)的高度和被探測目標(biāo)的高度（m）。

以艦載雷達(dá)為例，假定目標(biāo)高度25m、雷達(dá)天線高度25m，由式（1）得到D＝41.2km。因此，一般艦載雷達(dá)對(duì)海探測距離在40km左右，而艦載偵察設(shè)備對(duì)敵方艦載雷達(dá)的偵察距離也大體相同。

利用大氣波導(dǎo)和對(duì)流層散射都可以實(shí)現(xiàn)超視距偵察功能［2］，但二者的機(jī)理和效果是不同的。

由于大氣中不同高度的溫度和濕度不同，在一定的大氣條件下，電磁波可能產(chǎn)生超折射，形成大氣波導(dǎo)現(xiàn)象，電磁波以連續(xù)折射方式傳播，同在金屬波導(dǎo)管中傳播的情況相似，這種現(xiàn)象在海上比較常見，大氣波導(dǎo)的頂部離海面高約40m。電磁波在大氣波導(dǎo)中的傳播損耗較小，傳播距離較遠(yuǎn)，借助這種現(xiàn)象，既可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測，也可以對(duì)遠(yuǎn)距離雷達(dá)實(shí)施被動(dòng)偵察。

對(duì)流層是指大氣中的低層，通常指地面起到高度（13±5）km的范圍。由于溫度、濕度和氣壓的變化，對(duì)流層中存在大氣湍流運(yùn)動(dòng)。對(duì)流層散射的機(jī)理包括大氣湍流非相干散射、不規(guī)則層非相干反射和穩(wěn)定層相干反射3種機(jī)理，不同頻段主要起作用的機(jī)理也有所不同。由于這些因素大大增加了傳播距離，其典型傳播距離可以達(dá)到600km以上。圖3為對(duì)流層散射傳播的幾何示意圖。

圖3 對(duì)流層散射傳輸幾何示意圖

對(duì)流層中始終充斥著不均勻的散射體，一年四季均可以利用，傳輸?shù)目煽慷雀?；?duì)流層散射以前向散射為主，其它方向散射極弱，也就是說，發(fā)射波束和接收波束必須在同一平面內(nèi)，因此保密性好；從頻域上看，從100MHz直到X波段都可以利用對(duì)流層散射傳輸。

2 對(duì)流層散射傳輸損耗

對(duì)流層散射傳輸損耗和對(duì)流層中的不均勻體的散射特性、天線介質(zhì)耦合效應(yīng)及地面反射效應(yīng)等有關(guān)。一般假定天線的指向都處于最佳狀態(tài)，不考慮天線指向偏離損耗，只考慮基本傳輸損耗、天線介質(zhì)耦合損耗、大氣吸收損耗、地面反射效應(yīng)損耗等。

由于對(duì)流層受地域環(huán)境、地面條件的影響，不同地點(diǎn)、不同時(shí)間的散射傳輸損耗相差較大；而且同一地域在不同時(shí)段、不同溫度濕度條件下，散射體不斷變化，傳輸損耗也相應(yīng)變化。

正因?yàn)槿绱?，?duì)流層散射傳輸損耗一般是根據(jù)理論分析結(jié)合各地的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，給出半經(jīng)驗(yàn)公式，是一種損耗中值的預(yù)測結(jié)果，包括短期中值傳輸損耗和長期中值傳輸損耗。所謂短期中值損耗，通常指幾分鐘到1h內(nèi)，50%的時(shí)間損耗瞬時(shí)值超過的值；而長期中值損耗則是指在較長的時(shí)間（日、月、年）內(nèi)，50%的短期中值損耗超過的值。很多國家的學(xué)者都曾給出不同的算法，中國和美國學(xué)者分別提出的3種預(yù)測方法受到國際電信聯(lián)盟（CCIR）的推薦，中國學(xué)者1988年提出的方法如下［3］：

式中：L（q）為q%時(shí)間不超過的小時(shí)中值傳輸損耗（dB）；f為工作頻率（MHz）；d 為圓弧的路徑長度（km）；θ為收發(fā)信號(hào)射線間夾角（mrad）；H 為最低散射點(diǎn)至收發(fā)天線間連線的垂距（km）；h＝10－6θ2ae／8km；ae為等效地球半徑；Lc為天線介質(zhì)耦合損耗（dB），這是由于發(fā)射信號(hào)的各個(gè)分量在傳播過程中的路徑不同，到達(dá)接收天線的相位也不同，導(dǎo)致天線的口面利用系數(shù)降低；M，γ為和地域有關(guān)的大氣參數(shù)，不同地域相差較大，大致將全球分為7類地區(qū)，按照我國東南沿海海域的計(jì)算條件，M＝26dB，γ＝0.27km－1；C（q）為統(tǒng)計(jì)參數(shù)，它和q的關(guān)系如表1所示。

表1 C（q）的值

Y（90）＝L（50）－L（90）表示傳輸損耗差值。對(duì)于我國海域的氣候類型，有：

如果取q＝50，則式（3）的最后一項(xiàng)為0，即50%時(shí)間不超過的小時(shí)中值傳輸損耗為：

圖4給出基本傳輸損耗中值L（50）和頻率、路徑長度的關(guān)系曲線，未包含天線介質(zhì)耦合損耗Lc，它和收、發(fā)天線增益之和Gt＋Gr增益有關(guān)，假定Gt＋Gr＝60dB，Lc≈1.9dB。若天線增益較低，Lc可以忽略。

從圖4可以看出，基本傳輸損耗和頻率的三次方成正比，頻率提高1倍，傳輸損耗增加約9dB，距離每增加100km，傳輸損耗增加約6～8dB。

除此之外，還有大氣吸收損耗和地面反射效應(yīng)損耗。多數(shù)文獻(xiàn)認(rèn)為，頻率低于10GHz時(shí)大氣吸收損耗可以不計(jì)，但若距離過遠(yuǎn)，吸收損耗并不能完全忽略，可參考文獻(xiàn)［4］給出的大氣吸收損耗的近似公式。

文獻(xiàn)［5］指出，在光滑的地球表面，當(dāng)天線架設(shè)高度大于30個(gè)波長時(shí)，由于地面反射效應(yīng)引起的天線低架損耗一般可以忽略不計(jì)。

圖4 基本傳輸損耗中值L（50）和頻率、距離的關(guān)系曲線

3 信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性

由于受氣流和溫度的影響，散射體處于不斷變化的狀態(tài)，信號(hào)傳輸呈現(xiàn)快衰落和慢衰落現(xiàn)象。

快衰落是由于不均勻體的隨機(jī)變化導(dǎo)致的多路徑效應(yīng)引起的，在幾秒鐘、幾分鐘時(shí)間內(nèi)，電平快速變化，信號(hào)包絡(luò)瞬時(shí)值的分布函數(shù)為廣義瑞利分布，衰落的深度約10dB量級(jí)。

慢衰落完全是由氣象狀態(tài)所決定的，其變化周期有幾小時(shí)、幾天或季度。由于早晚、冬夏的大氣結(jié)構(gòu)不同，傳輸損耗也不同。通常一天中，信號(hào)最強(qiáng)的時(shí)間是在午夜到早晨之間，信號(hào)最弱的時(shí)間是12～18時(shí)之間。一年之中，信號(hào)電平最強(qiáng)的月份是6～9月，最弱的月份是12～4月。

文獻(xiàn)［6］給出我國某地一天內(nèi)的小時(shí)中值傳輸損耗實(shí)測結(jié)果，在110km的傳輸線路上，小時(shí)到小時(shí)的損耗變化幅度一般在5dB以內(nèi)，晝夜變化幅度達(dá)30dB，而在220km和410km的線路，小時(shí)到小時(shí)的變化幅度一般在3dB以內(nèi)，晝夜變化幅度只有約10dB。從其變化規(guī)律可以看出，晝夜變化的幅度和傳輸距離有關(guān)，距離遠(yuǎn)的變化幅度小，這對(duì)于遠(yuǎn)距離偵察來說無疑是有利的。

慢衰落的幅度滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布，即功率的分貝數(shù)接近正態(tài)分布，信號(hào)電平小于x的概率：

式中：xm為信號(hào)電平的平均值，也是中值；σ為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

概率積分為：

實(shí)際常用的是傳輸可靠度q（x）%，它是信號(hào)電平超過x的概率，根據(jù)式（7），有：

相對(duì)于中值的電平變化，Y＝x－xm的分布為：

利用式（10）可以根據(jù)系統(tǒng)靈敏度來預(yù)測偵察的可靠度，較高的靈敏度余量可以使得接收的可靠度更高，但是即使偵察接收機(jī)靈敏度低于要求的靈敏度達(dá)10dB時(shí)，也有可能以一定的概率截獲雷達(dá)信號(hào)。

4 艦載偵察設(shè)備實(shí)現(xiàn)超視距偵察應(yīng)重視的技術(shù)問題

4.1 超視距偵察的技術(shù)局限性

對(duì)流層散射的基本傳輸損耗和頻率的三次方成正比，頻率越高，傳輸損耗越大。在600km的距離上，對(duì)于1GHz頻段的雷達(dá)信號(hào)，不考慮天線安裝高度，基本傳輸損耗約220～230dB。若雷達(dá)發(fā)射功率1MW，雷達(dá)天線增益25dB，則到達(dá)偵察天線口面的等效功率為－115dBm，這樣的靈敏度要求還是比較容易實(shí)現(xiàn)的。若雷達(dá)信號(hào)頻率提高到6GHz，基本傳輸損耗將增加23dB，其它參數(shù)不變，到達(dá)偵察天線口面的等效功率只有－138dBm，這樣弱的信號(hào)偵收難度就大一些。也就是說，對(duì)于工作在C波段以上頻率的雷達(dá)，偵收距離要近得多。

傳輸損耗還和收發(fā)信號(hào)射線間夾角θ的三次方成正比，而θ又直接和收發(fā)天線的波束仰角和安裝高度有關(guān)。文獻(xiàn)［7］認(rèn)為，夾角θ每升高1°，傳輸損耗約增加10dB，文中還分析了最佳仰角問題，它和天線仰角波束寬度等因素有關(guān)，典型值為零點(diǎn)幾度。由此看出，要對(duì)敵方雷達(dá)進(jìn)行超視距偵察，其限制條件是雷達(dá)必須具有水平波束，也就是說，偵收敵方的對(duì)海（或低空）大功率警戒雷達(dá)效果較好，若雷達(dá)的波束指向空中，則較難偵測。另一方面，若敵方雷達(dá)架設(shè)在高山上，自然夾角θ降低，傳輸損耗下降，偵收效果好。從這個(gè)意義上說，敵方預(yù)警機(jī)的雷達(dá)是最容易偵收的目標(biāo)，雷達(dá)高度達(dá)數(shù)千米，視距本身就達(dá)300km以上，而且信號(hào)射線間夾角θ較低，傳輸損耗小，偵收距離可達(dá)1 000km左右。

由于對(duì)流層散射的衰落特性，在超視距范圍的目標(biāo)，傳播損耗的起伏達(dá)10～30dB，要求接收機(jī)能夠適應(yīng)信號(hào)的衰落特性，而且不易受到其它強(qiáng)度較大信號(hào)的照射而飽和，影響弱信號(hào)的偵收，接收機(jī)應(yīng)具有較寬的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍，在這方面，采用陣列接收的DBF技術(shù)具有一定的優(yōu)勢。

4.2 適應(yīng)艦船的安裝條件

和陸用超視距偵察設(shè)備的使用環(huán)境相比，艦載偵察設(shè)備所面對(duì)的環(huán)境要惡劣得多。首先，陸用裝備的架設(shè)條件相對(duì)固定，其天線仰角波束寬度只需2°～3°即可，天線增益高，靈敏度高，天線仰角指向可以按照最佳仰角設(shè)計(jì)；而且偵察天線可架設(shè)在海拔較高的山上，充分利用陣地高度來有效擴(kuò)展視距范圍，增加偵察距離；陸用超視距偵察通常只要面對(duì)前方一定防區(qū)范圍，不需要四面兼顧，天線多采用旋轉(zhuǎn)陣面或旋轉(zhuǎn)拋物面形式。

而艦載偵察設(shè)備就沒有這樣好的條件，由于艦艇的縱橫搖晃影響天線波束的指向，必須對(duì)天線座采取縱橫搖補(bǔ)償措施。新一代艦船往往采用集成桅桿的隱身設(shè)計(jì)，希望將各種傳感器天線集成在桅桿的四面，以便全方位偵察信號(hào)，截獲概率高，但成本上升。為了克服艦船搖擺，要么加大俯仰面的波束寬度，這將導(dǎo)致天線增益和偵察距離的顯著下降；要么用相控陣技術(shù)自適應(yīng)調(diào)整波束仰角指向，無疑也會(huì)加大成本。

4.3 加強(qiáng)濾波及組合干擾的抑制

和陸基偵察設(shè)備情況不同，海上電磁環(huán)境復(fù)雜，特別是編隊(duì)出航時(shí)本艦及友鄰艦艇雷達(dá)開機(jī)，周邊信號(hào)密度大。由于靈敏度極高，視距內(nèi)的各種信號(hào)可能在接收機(jī)前端通過交調(diào)形成組合干擾，產(chǎn)生虛假響應(yīng)，讓操作員難以分辨，因此在前端應(yīng)采取必要的濾波、陷波措施。后端處理時(shí)還應(yīng)盡量設(shè)法判斷并消除組合干擾產(chǎn)生的虛假響應(yīng)。為減小交調(diào)引起組合干擾的影響，接收機(jī)的中頻帶寬應(yīng)合理選擇。

關(guān)于天線旁瓣問題，就單個(gè)陣面而言，必須具有良好旁瓣抑制功能，如果4個(gè)陣面同時(shí)工作，原則上可以直接處理，因?yàn)閷?duì)一個(gè)陣面而言的旁瓣信號(hào)，對(duì)另一個(gè)陣面可能就是主瓣。

4.4 提高信號(hào)處理能力

采用相關(guān)積累處理技術(shù)對(duì)于提高偵察系統(tǒng)靈敏度是有效的，傳統(tǒng)偵察設(shè)備的信號(hào)分選算法不能滿足超視距偵察的需求。超視距目標(biāo)的特點(diǎn)是脈沖數(shù)較少、起伏較大、信號(hào)丟失多。多目標(biāo)環(huán)境下多個(gè)離散脈沖組加上旁瓣抑制的剩余雜亂脈沖混合而成的密集脈沖序列，使得信號(hào)分選、參數(shù)提取和數(shù)據(jù)融合算法變得復(fù)雜。

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