任席闖

（91469部隊，北京 100841）

大氣波導(dǎo)條件下電磁波出現(xiàn)異常傳播，電子偵察和通信設(shè)備有效區(qū)域呈現(xiàn)異常變化趨勢[1]。準(zhǔn)確評估大氣環(huán)境對敵我雙方電子設(shè)備的影響，對于輔助戰(zhàn)術(shù)指揮員進行正確戰(zhàn)術(shù)部署和選擇恰當(dāng)?shù)淖鲬?zhàn)戰(zhàn)術(shù)，以獲取戰(zhàn)場電磁優(yōu)勢、掌握戰(zhàn)場制電磁權(quán)具有極其重要的指導(dǎo)意義。傳統(tǒng)探測大氣波導(dǎo)通常借助于雷達、探空氣球或火箭等，利用波導(dǎo)模型進行預(yù)測，不易實現(xiàn)對大氣波導(dǎo)的實時探測[2]。激光和雷達波的傳輸具有一定的共性，若能用激光的手段探測大氣波導(dǎo)，則既具有保密性和安全性，又能實現(xiàn)實時探測。

1 大氣波導(dǎo)及影響

1.1 大氣波導(dǎo)現(xiàn)象

大氣波導(dǎo)是雷達波段超視距傳輸?shù)囊环N現(xiàn)象，在海洋大氣環(huán)境中通常存在3類大氣波導(dǎo)：表面波導(dǎo)（又稱面基波導(dǎo)）、懸空波導(dǎo)（又稱抬升波導(dǎo)）和蒸發(fā)波導(dǎo)。除蒸發(fā)波導(dǎo)外，前2類大氣波導(dǎo)也可能會出現(xiàn)在陸地大氣環(huán)境中，但由于受大氣邊界層穩(wěn)定度以及邊界層內(nèi)水汽垂直分布的影響，陸地大氣環(huán)境中的大氣波導(dǎo)遠沒有海洋大氣環(huán)境中的大氣波導(dǎo)出現(xiàn)得頻繁、持久和顯著。

下邊界接地的波導(dǎo)稱為表面波導(dǎo)，表面波導(dǎo)的特點是陷獲層頂?shù)拇髿庑拚凵渲笖?shù)小于地面的大氣修正折射指數(shù)，表面波導(dǎo)的厚度是自陷獲層頂?shù)降孛娴拇怪本€段的長度，一般在300 m以下。下邊界懸空的波導(dǎo)稱為懸空波導(dǎo)，通常出現(xiàn)在3 000 m高度以下。懸空波導(dǎo)的特點是陷獲層頂?shù)拇髿庑拚凵渲笖?shù)大于地面的大氣修正折射指數(shù)。

蒸發(fā)波導(dǎo)是因海面蒸發(fā)使?jié)穸仍诤苄〉拇怪备叨确秶鷥?nèi)發(fā)生銳減而形成的一類特殊的表面波導(dǎo)。緊貼海面的氣層，因海面蒸發(fā)可以達到飽和狀態(tài)，而在其以上高度的空氣通常達不到飽和狀態(tài)，濕度在很小的垂直高度范圍內(nèi)發(fā)生銳減，使得大氣修正折射指數(shù)自海面向上迅速遞減，到一定高度后，大氣修正折射指數(shù)達到最小，該高度稱為蒸發(fā)波導(dǎo)高度（或厚度）。

1.2 大氣波導(dǎo)的影響

在一定的氣象條件下，貼近海面大氣層中傳輸?shù)碾姶挪ㄊ艽髿庹凵渎实挠绊?，會出現(xiàn)次折射、超折射和波導(dǎo)等異常折射現(xiàn)象。其中，超折射和波導(dǎo)現(xiàn)象可以使電磁波的傳輸距離延伸，特別是波導(dǎo)現(xiàn)象，可使雷達觀測到數(shù)倍于雷達正常探測距離處的目標(biāo)，已有研究結(jié)果表明海上蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象出現(xiàn)的概率較高，一般在0.5～0.7之間，因此熟悉大氣波導(dǎo)的實時存在與分布情況，對于雷達系統(tǒng)的超視距探測和武器系統(tǒng)的目標(biāo)指示具有很強的指導(dǎo)意義。

2 大氣波導(dǎo)的傳統(tǒng)探測技術(shù)

國外從20世紀(jì)四五十年代開始研究大氣波導(dǎo)對雷達探測造成的影響。例如美國、法國、澳大利亞等除了對對流層波導(dǎo)傳播進行了眾多的實驗研究外，在理論上也取得了較好的研究成果，出現(xiàn)了波導(dǎo)模理論、幾何光學(xué)理論和拋物線方程方法等理論，并成功研制了不少預(yù)報系統(tǒng)。

幾何光學(xué)理論，是用幾何光學(xué)理論對電磁波進行射線追蹤，定量地描述電波在各種大氣條件下的軌跡；波導(dǎo)模理論對大氣介質(zhì)作了一個水平均勻分層的假設(shè)，來求解麥克斯韋方程；拋物線方程方法是使用球坐標(biāo)系來考察點源輻射的電磁波球形擴散行為以得到拋物線方程，現(xiàn)在通常用分步傅里葉方法求解。

自20世紀(jì)90年代以來，基于拋物線方程的海洋大氣邊界層電磁波傳播模型逐漸發(fā)展成熟，將大氣修正折射率廓線代入該模型可以獲得一定區(qū)域內(nèi)的電磁波傳播損耗，進而可以研究電子探測裝置的覆蓋范圍。1998年，Krolik等學(xué)者對上述思路進行了反方向研究，首次提出利用雷達發(fā)射電波經(jīng)海面后的回波即海雜波來預(yù)測大氣折射率或修正折射率剖面，稱為RFC（Refractivity From Clutter）技術(shù)，即海雜波反演折射率技術(shù)。該方法經(jīng)過Krolik、Anderson、LT Rogers、Peter Gersoft等學(xué)者的不斷修正，其實用性大大提高。

在蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)測模型研究方面，思路大都是致力于以一種用氣象參量（海表溫度、水面的溫度、濕度等）為輸入[3]，根據(jù)大氣邊界層理論來計算蒸發(fā)波導(dǎo)高度。從20世紀(jì)80年代H.Jeske發(fā)表這一方法后，人們從諸多方面展開了氣海相互作用理論預(yù)測蒸發(fā)波導(dǎo)高度的研究。在美國IREPS系統(tǒng)中使用了H.Jeske提出的蒸發(fā)波導(dǎo)高度預(yù)測方法，1985年，R.A.Paulus對該方法提出了一個修正的使用模型，這就是PJ模式。1991年John Cook提出了先預(yù)測溫濕剖面，再計算蒸發(fā)波導(dǎo)剖面的方法，并比較了幾個預(yù)測結(jié)果的不準(zhǔn)確度，分析了測量系統(tǒng)對測量結(jié)果帶來的誤差。1992年Musson-Genon、Gaut-hier、Bruth介紹了一種蒸發(fā)波導(dǎo)模式，因為其解析法結(jié)果最好而被用在歐洲的中尺度天氣預(yù)報中。1996年Babin提出了一種新模式，利用高速計算能力的計算機取代邊界層物理學(xué)的經(jīng)驗關(guān)系，并且還使用了最新的研究成果，例如Buck方程、鹽度修正公式等，對低風(fēng)速也有效，不僅如此，還對誤差進行了敏感性分析，使得蒸發(fā)波導(dǎo)高度的預(yù)測更為準(zhǔn)確。

最近，由美海軍研究實驗室（NRL）開發(fā)研制的海洋大氣耦合中尺度預(yù)報系統(tǒng)（COAMPS）已經(jīng)投入業(yè)務(wù)使用，其功能之一就是預(yù)報蒸發(fā)波導(dǎo)高度和大氣折射指數(shù)，評估大氣環(huán)境對電磁波傳播的影響。美海軍艦隊數(shù)值海洋氣象中心20世紀(jì)80年代業(yè)務(wù)使用全球表面接觸界面（GSCLI）蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報模式，該模式是一種整體邊界層相似模式，是一種診斷模式，需要以美海軍業(yè)務(wù)全球預(yù)報系統(tǒng)（NOGAPS）輸出的預(yù)報量作為模式的輸入進行診斷分析。

我國在20世紀(jì)60年代開始對波導(dǎo)的出現(xiàn)情況進行了觀測研究，后來一度終止，從90年代又重新開始，迄今為止，我國的研究人員已在大氣波導(dǎo)的形成機理、電磁波傳播模型研究、大氣波導(dǎo)和蒸發(fā)波導(dǎo)對電磁波傳播影響等方面進行了

較為深入的分析，具體包括蒸發(fā)波導(dǎo)條件下電磁場分布情況、雷達探測性能分析、雷達探測距離的影響及超視距的評估、大氣波導(dǎo)條件下雷達測距和測高影響及盲區(qū)分布等。

總體來講，國內(nèi)波導(dǎo)領(lǐng)域的研究人員對拋物線方程等電磁波傳播模型及大氣波導(dǎo)，尤其是海上蒸發(fā)波導(dǎo)對雷達探測性能的影響等方面研究較深，但是大氣波導(dǎo)環(huán)境研究還不充分，尤其是蒸發(fā)波導(dǎo)空間分布的不均勻性等方面。要得到海洋大氣近地層中蒸發(fā)波導(dǎo)修正折射率廓線，仍顯不足，例如折射率經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、利用氣象學(xué)研究的天氣預(yù)測模式進行修正折射率預(yù)報以及使用空基、地基GPS觀測資料反演大氣折射率剖面都無法實時提供在垂直方向上高分辨率的修正折射率廓線，而海雜波反演還要在傳播模型、環(huán)境模型、海雜波模型以及反演算法等方面進行深入研究以解決其普適性較弱的問題[4-5]，同時由于要獲取實時的大氣環(huán)境信息，因此雷達需要頻繁開機，這樣不利于軍事上的保密。因此在我國，仍需對低空大氣波導(dǎo)環(huán)境，特別是大氣折射率三維空間變化，開展進一步的研究，更好地為軍事和民用通信等服務(wù)。

3 大氣波導(dǎo)的光學(xué)探測手段

激光在大氣中傳播同樣受到大氣折射率的影響，激光在空氣中的折射率n通常與激光波長λ、大氣壓強P、溫度T和空氣濕度e有關(guān)，可以表示成：

由于激光消光系數(shù)的變化率和折射率的變化率都與溫度、濕度、壓強和波長相關(guān)，通過分析空間消光系數(shù)的變化率可以了解空間折射率的變化率，而折射率的變化正是波導(dǎo)產(chǎn)生的原因，因此可以用激光探測消光系數(shù)的方法為波導(dǎo)現(xiàn)象的出現(xiàn)提供判據(jù)。圖1為激光探測大氣波導(dǎo)的理論框架。

圖1 激光探測大氣波導(dǎo)的理論框架

不同于傳統(tǒng)大氣波導(dǎo)的探測，利用激光探測大氣波導(dǎo)，通過對激光回波信號進行實時分析即可完成大氣波導(dǎo)的遙感探測，具有全方位、高實時性、高靈活性、高保密性、低成本等優(yōu)點，更能適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境波導(dǎo)探測的軍事需求。具體具有如下優(yōu)點。

3.1 實現(xiàn)雷達靜默下對大氣波導(dǎo)的實時探測

利用激光探測大氣波導(dǎo)，可以實現(xiàn)雷達靜默條件下對大氣波導(dǎo)的實時探測。在戰(zhàn)場復(fù)雜的電磁環(huán)境下，微波雷達可能受到干擾和攻擊，用雷達波探測大氣波導(dǎo)容易暴露目標(biāo)。由于激光傳輸具有單方向性和良好的保密性，用激光雷達探測大氣波導(dǎo)不容易被截獲，因此具有隱蔽性，在戰(zhàn)場上可以不用雷達開機，借助激光探測即可知道波導(dǎo)出現(xiàn)情況，為雷達的通信和探測提供依據(jù)。

圖2 近海面激光傳輸路徑效果圖

3.2 為大氣激光通信提供技術(shù)支持

激光探測大氣波導(dǎo)，可以為大氣激光通信提供技術(shù)支持。激光在大氣傳輸中，同樣會出現(xiàn)因為折射率的突變使傳輸路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在海上近海面大氣層（高度小于50 m），由于氣海溫差的存在導(dǎo)致垂直層面溫度分布的不同，從而使得各高度層面上空氣折射率不同。

圖2所示激光的傳輸會出現(xiàn)兩種不同的路徑偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，與雷達波的傳播類似，同樣可以實現(xiàn)超視距傳播。利用激光探測大氣波導(dǎo)，通過分析激光束的回波信號特征即可知道激光在大氣中的傳播特性，為激光通信的對準(zhǔn)、誤碼性能的分析等提供可靠的技術(shù)支持。

3.3 用作對戰(zhàn)場氣象條件的分析和預(yù)測

激光探測大氣波導(dǎo)可以用作對戰(zhàn)場氣象條件的分析和預(yù)測。激光探測大氣波導(dǎo)通過對回波信號分析可以得出氣溶膠的消光系數(shù)。氣溶膠中水汽和沙塵的比例不同會使得氣溶膠具有不同的消光系數(shù)，反過來也可以通過消光系數(shù)分析出氣溶膠的不同組成。根據(jù)氣溶膠中水汽和沙塵的不同比例即可以對戰(zhàn)場氣象條件進行分析和預(yù)測，用來為各種飛機和導(dǎo)彈的發(fā)射提供氣象指標(biāo)，為作戰(zhàn)指揮提供參考。

4 總結(jié)

蒸發(fā)波導(dǎo)現(xiàn)象是電磁波海面?zhèn)鞑サ囊环N特殊現(xiàn)象，其主要形成原因是海面上水汽蒸發(fā)，使得上幾十米高度范圍內(nèi)的大氣濕度隨高度銳減，進而使大氣折射率自海面向上迅速減小出現(xiàn)負(fù)梯度。蒸發(fā)波導(dǎo)情況下電磁波呈現(xiàn)超視距傳輸現(xiàn)象，當(dāng)前探測蒸發(fā)波導(dǎo)多采用分析雷達回波的方法。在戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境下，微波雷達可能受到干擾和攻擊，用雷達波探測大氣波導(dǎo)容易暴露目標(biāo)。由于激光傳輸具有單方向性，如果采用激光探測大氣波導(dǎo)則不容易被截獲，在戰(zhàn)場環(huán)境下可以實現(xiàn)雷達靜默下的波導(dǎo)探測。用激光手段探測大氣波導(dǎo)現(xiàn)象目前仍是一種新型的手段，正處于完善階段，隨著光電技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，該技術(shù)作為一種保密性好的探測手段也將會得到重視和發(fā)展。