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        基于對(duì)流層散射的艦載超視距偵察技術(shù)分析

        2013-10-13 08:01:38
        艦船電子對(duì)抗 2013年5期
        關(guān)鍵詞:大氣信號(hào)

        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(guó)重視[1]。到20世紀(jì)末,為了探測(cè)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(cè)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(chē)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(guó)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)距離可達(dá)200km左右。被動(dòng)探測(cè)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(cè)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(lái),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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(jiàn),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(cè),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(shuō),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)槿绱耍瑢?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(cè)結(jié)果,包括短期中值傳輸損耗和長(zhǎng)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(guò)的值;而長(zhǎng)期中值損耗則是指在較長(zhǎng)的時(shí)間(日、月、年)內(nèi),50%的短期中值損耗超過(guò)的值。很多國(guó)家的學(xué)者都曾給出不同的算法,中國(guó)和美國(guó)學(xué)者分別提出的3種預(yù)測(cè)方法受到國(guó)際電信聯(lián)盟(CCIR)的推薦,中國(guó)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guó)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(guó)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(guó)某地一天內(nèi)的小時(shí)中值傳輸損耗實(shí)測(cè)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(lái)說(shuō)無(wú)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(guò)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(lái)預(yù)測(cè)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(wèn)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(shuō),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(wèn)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(shuō),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(cè)。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(shuō),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(shì)。

        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(lái)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(méi)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(wú)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(kāi)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(guò)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(wèn)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。

        [1]劉圣民,熊兆飛.對(duì)流層散射通信技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1982.

        [2]林春應(yīng),孫長(zhǎng)喜.對(duì)雷達(dá)的超視距偵察[J].艦船電子對(duì)抗,2007,30(2):12-15.

        [3]張明高.對(duì)流層散射傳播[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

        [4]肖景民,王元坤.電波傳播工程計(jì)算[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1989.

        [5]熊皓.無(wú)線電波傳播[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000.

        [6]楊廣平.微波超視距無(wú)源探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2010,32(6):1-4.

        [7]宋雪梅,朱旭東.對(duì)流層散射實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)超視距傳輸?shù)难芯浚跩].現(xiàn)代雷達(dá),2011,33(7):9-12.

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