康士峰，曹仲晴，李建儒

（中國電波傳播研究所，山東青島266107）

專題——電波環(huán)境與傳播新技術(shù)研究

海洋無線電裝備電波環(huán)境信息保障技術(shù)

康士峰，曹仲晴，李建儒

（中國電波傳播研究所，山東青島266107）

主要分析了海洋電波環(huán)境對海上雷達、通信、導航、電子對抗等無線電系統(tǒng)的影響，論述了海上信息化裝備電波環(huán)境保障系統(tǒng)的組成和功能，提出了技術(shù)途徑和實現(xiàn)方法。

海洋；電波環(huán)境；無線電裝備；信息保障

海洋占地球總面積的70.8%，海洋對人類和生物界的形成、演化和社會發(fā)展起著巨大的作用，我國擁有綿長的海岸線、廣闊的海域和眾多的島嶼，維護海洋權(quán)益、保護海洋資源、探索海洋開發(fā)利用對我國國防建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展具有特別重要的意義。海洋電波環(huán)境是指影響信號傳播的海洋大氣水文環(huán)境以及人為或自然背景輻射的電磁干擾或噪聲的集合，該空間包括岸-海、水下、海表、島礁、大氣（海洋邊界層、對流層、中高層、電離層）等。其時空變化對電波產(chǎn)生的吸收、散射、折射等傳播效應將導致無線電信號的衰減、射線彎曲、閃爍衰落、多徑時延、去極化、反常傳播等，海洋電波環(huán)境對雷達、通信、導航、遙感、測控等無線電系統(tǒng)和裝備具有重要影響，如海雜波會影響雷達目標信號檢測；電波折射會引起系統(tǒng)覆蓋區(qū)域的變化、降低定位精度（測距、測速、測角）；信號衰減和衰落會惡化系統(tǒng)信噪（雜）比，導致信息系統(tǒng)作用距離減小、傳輸質(zhì)量下降或者中斷；反常傳播可導致系統(tǒng)間干擾，產(chǎn)生系統(tǒng)作用盲區(qū)。同時，利用散射和大氣波導也可實現(xiàn)遠距離超視距信息傳輸和目標探測。隨著電子信息系統(tǒng)硬件水平的不斷提高，電波環(huán)境已成為影響和制約無線電信息裝備作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵因素，已成為與氣象水文、地理信息一樣重要的戰(zhàn)場環(huán)境。

中國近海包括渤海、黃海、東海和臺灣以東海域，自北向南呈弧狀分布，太陽輻射在不同緯度上的差異使得中國近海自南向北分屬熱帶、亞熱帶和溫帶三個不同氣候帶。因此，我國海域的海洋環(huán)境十分復雜，海洋電波環(huán)境也存在很大差異，呈現(xiàn)不同特點，例如南海地處低緯度地區(qū)，屬于熱帶海洋氣候，對流層和電離層環(huán)境復雜多變，既是對流層降雨和大氣波導高發(fā)區(qū)，也處于電離層變化駝峰區(qū)。對海洋環(huán)境自身物理特性和運動變化及其對全球氣候的影響、海洋資源等已進行了長期觀測和研究，例如海洋水體溫度和鹽度的變化、海洋水文氣象要素的調(diào)查、海洋風浪和重力波的運動、海洋潮汐漲落、臺風形成、海洋能源探測、海洋漁業(yè)資源分布等，為艦船航海安全、漁業(yè)生產(chǎn)、資源利用等提供了一定的支持和保障。目前對海洋環(huán)境只能利用有限的岸基/島礁海洋觀測站、海洋調(diào)查船或志愿船、海洋浮標進行觀測，對大范圍海洋的觀測必須依賴于空/天基遙感，環(huán)境探測參數(shù)的時空分辨率和數(shù)據(jù)精度受到局限，需要不斷提高海洋環(huán)境觀測的實時性和精細化水平。在此基礎(chǔ)上，海洋電波環(huán)境觀測與研究通過對海洋環(huán)境及其電波傳播效應進行機理分析、海上測試、統(tǒng)計建模、數(shù)值仿真、效應評估，為海上無線電信息系統(tǒng)和裝備的應用提供了技術(shù)支撐和保障。文中分析了海洋電波環(huán)境對海上電子信息裝備的影響，論述了海洋電波環(huán)境特別是海洋大氣波導探測、預報、效應評估的重要作用，提出了海洋電波環(huán)境信息技術(shù)的發(fā)展途徑，可為我國海洋環(huán)境信息保障體系的建設(shè)提供參考。

1 海洋電波環(huán)境及其對信息化裝備的影響

海洋電波環(huán)境的空間范圍包括海下、海面、對流層大氣、臨近空間、電離層及外層空間，具有不同尺度及時變特性，影響著海洋區(qū)域各類信息化系統(tǒng)和裝備的運行。包括軍民用岸基/船載/潛基/空基/天基雷達、通信、導航、遙感、測控、電子對抗等系統(tǒng)，影響海上視距/超視距目標探測、水下/海上遠距離通信、海洋遙感、導航定位、遙測遙控、電子戰(zhàn)等功能的實現(xiàn)，見表1。

表1 電波環(huán)境空間與效應

以雷達系統(tǒng)及其海雜波、海上大氣波導環(huán)境為例進行分析。岸基/船載雷達用于探測、監(jiān)視、跟蹤、識別海面和空中目標，一般工作于超短波和微波頻段。雷達海面回波即海雜波將對海面和空中目標回波信號產(chǎn)生干擾，頻段越高、分辨率越低，雜波干擾越嚴重。同時雷達波束經(jīng)海面反射還將產(chǎn)生多徑傳播效應，使雷達波瓣發(fā)生干涉分裂，增強或減弱目標處的雷達波強度，影響雷達的探測距離。海上機載下視雷達海雜波影響更為嚴重，必須采取有效的雜波抑制方法如對回波進行時空二維自適應處理（STAP）來減小雜波的影響。深入認識雷達海雜波特性可以最大程度地發(fā)揮雷達在海洋電波環(huán)境中的目標探測性能，如動目標顯示（MTI）濾波器設(shè)計需要掌握區(qū)別于目標運動特性的雜波動態(tài)譜特性，恒虛警率（CFAR）處理器設(shè)計需要掌握不同頻段海面的雜波幅度統(tǒng)計特性規(guī)律。海雜波的回波強度可以采用雷達散射截面或后向散射系數(shù)來表示，由于海洋環(huán)境存在動態(tài)隨機變化，傳統(tǒng)上采用統(tǒng)計經(jīng)驗建模方法得到雷達雜波起伏的統(tǒng)計均值、中值或百分位值以及概率密度、累積分布等，它是雷達參數(shù)、海面物理和幾何特性的函數(shù)，其中雷達參數(shù)包括波長、極化、分辨率、入射方向和擦地角等。通過雷達海雜波特性研究，進一步優(yōu)化設(shè)計雷達系統(tǒng)硬件模塊和信號處理算法，確定雷達環(huán)境自適應工作模式。另外，海洋大氣中不同強度的對流層降雨現(xiàn)象十分頻繁，降雨對電波傳播的體散射效應也會產(chǎn)生雨雜波干擾，影響空中目標雷達探測。

海洋大氣還會對電波傳播產(chǎn)生超折射效應，顯著改變電波傳播的路徑，使電波路徑發(fā)生彎曲，如圖1所示。特別是低仰角情況下大氣折射更加嚴重，甚至產(chǎn)生海洋大氣波導現(xiàn)象，對雷達探測目標的距離和仰角造成誤差，影響雷達的探測精度，必要情況下必須進行誤差修正。

圖1 電波射線大氣折射路徑

式中：p為大氣壓力，hPa；T為大氣熱力學溫度，K；e為水汽分壓，hPa。

大氣參量是隨空間和時間變化的隨機函數(shù)。隨機不均勻介質(zhì)中的電波傳播問題歸結(jié)為求解隨機波方程，對流層大氣對電波傳播的影響主要體現(xiàn)在大氣不均勻性對電波的折射和散射效應，折射類型和條件見表2。大氣折射率N或大氣修正折射率M對高度z的梯度關(guān)系式為：

表2 大氣折射類型與條件

對流層大氣波導是在對流層大氣中形成的一種可以實現(xiàn)電磁波超視距遠距離傳播的特殊超折射大氣層狀結(jié)構(gòu)，在一定條件下，可以利用它實現(xiàn)超短波、微波頻段的超視距探測和通信，擴大無線電信息系統(tǒng)的作用距離或覆蓋范圍。同時大氣波導也可能改變正常電波傳播路徑，在某些空間區(qū)域產(chǎn)生探測空洞或通信盲區(qū)。海洋大氣波導特別是蒸發(fā)波導經(jīng)常發(fā)生或永久存在，在海洋大氣波導存在的情況下，雷達超視距探測或微波通信距離可以數(shù)倍于視距（如達到200～500 km），如圖2所示。

圖2 海上雷達電波超視距傳播

對流層大氣波導形成雷達超視距目標探測需要滿足的基本條件包括：天線和目標應位于波導層內(nèi)或緊靠波導層附近，雷達發(fā)射波和目標回波可以耦合入大氣波導；波長應小于最大陷獲波長或頻率應高于最低截止頻率；電波傳播仰角應小于某一臨界仰角。

例如，對于C波段雷達，若發(fā)射功率為300 kW、天線增益為30 dB、高度為10 m、脈沖寬度為1.5 μs、系統(tǒng)損耗為3 dB、接收機噪聲系數(shù)為5 dB、目標雷達散射截面為100 m2、虛警概率為10-8，則在標準大氣和表面波導環(huán)境中，雷達對高度-距離空間的覆蓋區(qū)域如圖3所示。

圖3 雷達目標探測區(qū)域及覆蓋盲區(qū)

在標準大氣環(huán)境中，由于地海表面反射和散射造成的多徑干涉效應，雷達波即使在近距離視距區(qū)域也可能存在波瓣分裂盲區(qū)。在表面波導環(huán)境中，雷達可以探測到超視距遠距離的目標，但也可能會產(chǎn)生不同形態(tài)的表面波導頂部盲區(qū)，同時電波反復折射還會形成跳躍狀盲區(qū)。在不同的大氣波導層結(jié)特征高度和強度條件下，雷達超視距范圍及探測盲區(qū)也將有所不同。

對流層大氣波導效應可以充分運用于戰(zhàn)場作戰(zhàn)規(guī)劃或指揮輔助決策，一般情況下攻擊機在穿透對方防御陣地時盡量保持低空飛行，以使自己保持在對方雷達波束覆蓋范圍下方，然而對于低空波導條件，對方可以對在大氣波導中飛行的目標比對在較高高度飛行的目標獲得更遠的探測能力。因此，掌握低空波導是否存在及其存在高度信息可以使作戰(zhàn)時選擇最佳的穿透高度，即飛行高度位于大氣波導之上。在飛行偵察任務中一般要求低空飛行且高度盡可能低，使飛行器位于對方雷達盲區(qū)范圍內(nèi)，但是在大氣波導情況下，并不是高度越低越好，若飛行高度位于波導內(nèi)則比高于波導情況被敵方探測到的概率還要大。

海上電子對抗中同樣需要考慮大氣波導效應的影響。例如，在標準大氣環(huán)境中，電子干擾機必須位于較高的有利位置才能獲得較遠的、有效的電子干擾距離。當存在大氣波導環(huán)境時，電子干擾機可以調(diào)整自身位置到適當?shù)拇髿獠▽觾?nèi)，其釋放的干擾效果就會大大增強。另一方面，由于大氣波導并沒有嚴格的邊界，雷達從大氣波導內(nèi)向雷達盲區(qū)泄露或經(jīng)海面反射出的電波能量對雷達目標探測來說可能顯得太微弱，但是對電子支援系統(tǒng)信號檢測來說強度則可能是足夠的，因此在這種情況下容易使雷達或目標暴露。

2 海洋電波環(huán)境探測、預報和評估

海洋電波環(huán)境對海上無線電信息系統(tǒng)和武器裝備的影響十分顯著，因此，需要深入認識和掌握海洋電波環(huán)境的特性和規(guī)律。海洋氣象與水文要素的探測是海洋電波環(huán)境研究的基礎(chǔ)，通過對海洋大氣溫度、濕度、氣壓、風速風向、輻射和云雨、海溫、波高等要素進行系統(tǒng)、連續(xù)或特定海域的觀測，可為電波環(huán)境建模和預測預報提供數(shù)據(jù)資料。大氣與海洋參數(shù)的探測主要有直接探測和遙感（間接）探測兩種類型。直接探測方法利用傳感器感應元件與環(huán)境變化相互作用的物理或化學原理，直接測量環(huán)境參數(shù)；遙感探測則依據(jù)聲、光、電信號在大氣和海洋環(huán)境中傳播所經(jīng)歷的信號特性變化，反演與之相關(guān)的大氣和海洋要素。遙感探測可分為主動遙感和被動遙感兩種方式，主動遙感方法利用測量環(huán)境對聲光電信號的吸收、散射、反射或折射等傳播效應進行反演，被動遙感則直接測量與環(huán)境要素直接相關(guān)的聲光電信號計算環(huán)境參數(shù)和特性。

雷達海面雜波研究的主要途徑是通過岸基/船載、機載等測試平臺開展實際測量和分析建模。岸基/船載微波散射計適合研究中小尺度均勻海面，分析地海面電磁散射特性的物理機制并建模；機載或星載散射計則適合于研究大范圍大尺度海面散射的統(tǒng)計特性。在雷達技術(shù)進步和軍事需求的牽引下，海雜波研究的重點需要更大程度地滿足武器裝備發(fā)展和環(huán)境自適應作戰(zhàn)模式，例如，隨著高精度毫米波雷達的應用，高分辨率和小擦地角雜波的海面散射特性同雷達波束單元海面照射的局部特征和動態(tài)變化特性關(guān)系很大，散射機制呈現(xiàn)與低分辨率情況存在較大的差別，需要采用不同的數(shù)值算法和統(tǒng)計模型來分析。

對流層大氣波導的產(chǎn)生和變化與海-氣邊界層的氣象水文參數(shù)密切相關(guān)，且具有明顯的不同時空尺度和海域局部特征，如圖4所示。大氣波導形成的物理機制主要包括水汽蒸發(fā)過程和各種逆溫過程，主要海-氣作用及天氣學過程類型包括：海水快速蒸發(fā)；反氣旋性下沉運動；大氣鋒面下沉運動；陸地夜間輻射冷卻；平流運動如海陸風過程等。大氣波導探測需要直接或間接獲取大氣折射率垂直剖面并根據(jù)垂直梯度特征進行判別。其中，蒸發(fā)波導可利用小型微波折射率儀、氣象梯度儀、低空大氣探測系統(tǒng)等測量設(shè)備進行探測；表面波導和懸空波導則可采用小型微波折射率儀、低空大氣探測系統(tǒng)和高空大氣探測系統(tǒng)進行探測。

圖4 海洋大氣層及大氣波導

近年來許多新技術(shù)已應用到對流層大氣波導探測中，如基于GNSS信號對低層大氣結(jié)構(gòu)的探測反演和利用雷達海面回波反演大氣波導剖面等。大氣波導直接探測和遙感探測技術(shù)各有優(yōu)缺點，直接測量的精度較高，但是一次只能實現(xiàn)單點探測，且耗費人力物力。遙感測量可以實現(xiàn)快速、區(qū)域反演探測，應用方便，但精度較差。隨著遙感反演技術(shù)的發(fā)展，遙感測量反演精度逐步提高，大氣波導遙感探測技術(shù)在大氣波導探測領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。

國際上在利用數(shù)值天氣模式和天基遙感信息預測預報近海面大氣溫濕結(jié)構(gòu)、海面溫度、風速風向等方面已開展了大量研究。美國海軍研究生院（NPS）研發(fā)的預報系統(tǒng)利用衛(wèi)星遙感信息估算云頂高度，進而預報懸空波導的位置、尺度和強度等特征。隨著中尺度數(shù)值天氣預報技術(shù)的不斷進步和對海-氣耦合過程認識的不斷深化，考慮模式初始化、大氣邊界參數(shù)化方案和次網(wǎng)格尺度的影響，利用中尺度海-氣耦合模式預報大氣折射率三維空間結(jié)構(gòu)、預報海洋大氣環(huán)境對電波傳播的影響已經(jīng)可以實現(xiàn)。利用中尺度模式預報大氣折射條件將是定量獲取三維空間大氣環(huán)境折射指數(shù)、預報海洋大氣環(huán)境對電磁波傳播影響的最有希望的手段之一，例如美國海軍業(yè)務化區(qū)域大氣預報系統(tǒng)（NORAPS）已用于對流層大氣折射率預報。

對流層大氣波導是一種由特定對流層氣象條件產(chǎn)生的具有一定水平擴展性和垂直分布的特殊大氣層結(jié)，在滿足一定傳播角度和頻率的前提條件下，電波可以在其中通過折射和反射作用實現(xiàn)超視距傳播。大氣波導不僅可以擴展雷達的探測距離和范圍，同時它對大氣波導邊界附近的發(fā)射機和接收機也有較大影響。例如，當雷達位于大氣波導內(nèi)或波導邊緣時，正常條件下可以被探測到的空中目標。在大氣波導存在時，如果位于波導之上，則可能無法被發(fā)現(xiàn)；目標即使位于波導之內(nèi)，由于波導內(nèi)形成的多徑傳播效應，也可能無法被探測到。以上這些復雜的電波傳播效應需要結(jié)合實際的電波環(huán)境參數(shù)進行定量評估。

電波傳播損耗預測目前主要是基于測試數(shù)據(jù)的經(jīng)驗性統(tǒng)計預測和基于拋物波方程的數(shù)值方法預測。在電波傳播預測預報模型和算法基礎(chǔ)上，使用電波環(huán)境效應預測結(jié)果，可以綜合評估傳播損耗、多徑干涉和雜波干擾等影響。例如，結(jié)合雷達系統(tǒng)參數(shù)、目標檢測概率和虛警概率的要求可得到最小可檢測信號功率，再根據(jù)雷達最小可檢測信號功率得到可允許的最大路徑損耗，然后利用傳播損耗空間分布得到隨高度變化的雷達最大作用距離覆蓋圖。另外，針對海洋水下電磁目標探測和通信，需要研究海洋環(huán)境電波傳播和目標電磁擾動理論、海洋背景電磁噪聲時空分布特性并建立典型區(qū)域海洋電磁環(huán)境模型等。

3 海洋電波環(huán)境信息保障技術(shù)

我國廣闊海域尚缺乏海洋電波環(huán)境探測、預報和評估的必要基礎(chǔ)設(shè)施和基本保障能力，獲得海洋電波環(huán)境時空變化特征、評估大氣電波環(huán)境對海上我軍信息化裝備和民用信息系統(tǒng)的影響，可為作戰(zhàn)決策部門和信息系統(tǒng)運行提供有力的技術(shù)支撐。由于海洋電波環(huán)境及其效應對海上無線電信息系統(tǒng)和裝備性能影響很大，因此構(gòu)建海洋電波環(huán)境信息技術(shù)體系對保障我國海洋權(quán)益、資源開發(fā)和提升復雜海洋環(huán)境條件下我軍信息化協(xié)同作戰(zhàn)能力具有重要現(xiàn)實意義。

海洋電波環(huán)境信息技術(shù)體系構(gòu)建應包括基礎(chǔ)層和應用層兩大部分?；A(chǔ)層作為海洋電波環(huán)境研究與應用的重要支撐，需要依托海洋局、氣象局或自主、專項建設(shè)的海洋環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施和海洋電波環(huán)境監(jiān)測手段（如岸基、島礁、船載、無人機平臺），形成多源數(shù)據(jù)信息共享的軍民融合體制，組成多手段、立體化、高時空分辨區(qū)域覆蓋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對海洋電波環(huán)境全要素進行實時、連續(xù)、長期的數(shù)據(jù)采集，形成海洋電波環(huán)境數(shù)據(jù)庫，利用觀測數(shù)據(jù)和海洋學、氣象學、電波傳播理論建立海洋電波環(huán)境預測模型，結(jié)合數(shù)值模式和算法預報海洋電波環(huán)境狀態(tài)演變和影響。應用層則以海洋維權(quán)、軍事作戰(zhàn)、經(jīng)濟發(fā)展需求為牽引，在基礎(chǔ)層的支持下，構(gòu)建海上無線電信息系統(tǒng)電波環(huán)境保障應用，對海洋電波環(huán)境的影響效應進行量化評估并提出輔助規(guī)劃和決策信息，以硬件嵌入或軟件集成的方式，使電子信息裝備自適應海洋電波環(huán)境變化，使系統(tǒng)達到最佳性能狀態(tài)。同時，通過對海洋電波環(huán)境及其效應的準確預報，對未來海上信息系統(tǒng)的應用提供任務規(guī)劃和效能評價。

海洋電波環(huán)境信息保障系統(tǒng)應實現(xiàn)對電波環(huán)境實時監(jiān)測和預報數(shù)據(jù)的分析處理、態(tài)勢分析、影響評估以及輔助決策支持等功能，如圖5所示。

圖5 電波環(huán)境保障系統(tǒng)組成

電波環(huán)境作戰(zhàn)輔助決策分系統(tǒng)基于電波環(huán)境信息和效應評估模型預測的傳播參數(shù)，結(jié)合雷達、通信、電子偵察、電子對抗等信息化系統(tǒng)作戰(zhàn)應用，分析電波環(huán)境對海上信息化系統(tǒng)性能的影響。主要包括電波環(huán)境影響態(tài)勢信息、作戰(zhàn)預案制定、戰(zhàn)術(shù)應用規(guī)劃。電波環(huán)境效應評估分系統(tǒng)基于電波環(huán)境分析預報數(shù)據(jù)，結(jié)合信息化裝備參數(shù)，評估電波環(huán)境對無線電傳播的各種效應。主要包括大氣波導傳播損耗和射線描跡預；對流層散射信道特性；降雨衰減；電離層擾動影響和閃爍衰落；短波電離層傳播損耗、射線描跡。電波環(huán)境分析預報分系統(tǒng)對電波環(huán)境信息數(shù)據(jù)進行處理和分析，根據(jù)海洋信息化裝備環(huán)境保障需要，對某一范圍某一時段電波環(huán)境變化作出分析預報。主要包括大氣波導、湍流區(qū)域信息；對流層三維大氣折射率、降水環(huán)境信息；電離層擾動、閃爍信息；電離層電子密度剖面信息。電波環(huán)境信息保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要包括電波環(huán)境歷史數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測的原始數(shù)據(jù)。主要包括太陽、地磁、電離層、對流層、海洋和海下等環(huán)境數(shù)據(jù)，各類雷達裝備、通信裝備、偵測裝備、對抗裝備、導航定位裝備等系統(tǒng)的工作頻率、發(fā)射功率、天線參數(shù)等，為信息化系統(tǒng)裝備提供數(shù)據(jù)支持。

4 結(jié)語

海洋電波環(huán)境對無線電信息系統(tǒng)具有重要影響，發(fā)展海洋電波環(huán)境保障技術(shù)，建立海洋信息化裝備電波環(huán)境保障系統(tǒng)，分析預測海洋電波環(huán)境變化對海上信息化武器裝備的影響，為海上作戰(zhàn)指揮和信息化裝備戰(zhàn)術(shù)應用、作戰(zhàn)效能仿真、評估等提供輔助決策支持和評估手段，對海上作戰(zhàn)任務規(guī)劃、評估信息化武器裝備能力、執(zhí)行信息化作戰(zhàn)使命、保護海洋作戰(zhàn)資源、提升基于信息系統(tǒng)體系作戰(zhàn)能力具有重要的支撐作用，對海軍基于信息系統(tǒng)體系作戰(zhàn)能力的生成和提升具有重要意義。

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Information Assurance Technology for Radio Environment of Radio Equipment over Sea

KANG Shi-feng,CAO Zhong-qing,LI Jian-ru
(China Research Institute of Radiowave Propagation,Qingdao 266107,China)

The paper analyzed effects of ocean radio environment on radar,communication,navigation and ECM, discussed composition and function of radio environment assurance system for information-based equipment over sea and proposed technological approaches and methods.

ocean;radio environment;radio equipment;information assurance technology

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.001

TJ85

A

1672-9242(2017)07-0001-06

2017-04-25；

2017-05-08

康士峰（1966—），男，博士，研究員，主要研究方向為電波環(huán)境分析與預報、超視距傳播、微波遙感等。