汪文杰, 許佳立, 黃賢青, 賈東寧, 2

基于海洋安全的大氣波導(dǎo)觀測(cè)方法研究

汪文杰1, 許佳立1, 黃賢青1, 賈東寧1, 2

(1. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237; 2. 中國(guó)海洋大學(xué), 山東 青島 266010)

海上船舶一旦遇到大氣波導(dǎo), 可使船載電子信息系統(tǒng)之間的短波通信距離增大數(shù)倍, 同時(shí)通信距離范圍內(nèi)的部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)電磁盲區(qū)。本文圍繞海洋安全保障需求, 開(kāi)展了大氣波導(dǎo)協(xié)同觀測(cè)技術(shù)研究, 闡述了海上大氣波導(dǎo)對(duì)超視距傳輸與探測(cè)的重要性。通過(guò)對(duì)大氣波導(dǎo)的形成機(jī)制和影響機(jī)理進(jìn)行研究, 系統(tǒng)化概述了蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的觀測(cè)原理及常規(guī)觀測(cè)方法。通過(guò)分析研究傳統(tǒng)大氣波導(dǎo)的觀測(cè)方法, 發(fā)現(xiàn)其在觀測(cè)手段、觀測(cè)精度、觀測(cè)范圍和觀測(cè)成本方面存在局限性?；诖? 本文提出一種多物理場(chǎng)協(xié)同探測(cè)的大氣波導(dǎo)觀測(cè)方法, 通過(guò)集合海上浮標(biāo)網(wǎng)、船聯(lián)網(wǎng)、星聯(lián)網(wǎng)和岸基網(wǎng)等各類觀測(cè)儀器和設(shè)備, 可實(shí)現(xiàn)海上大氣參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取, 構(gòu)建海上大氣波導(dǎo)預(yù)報(bào)系統(tǒng), 形成海上大氣波導(dǎo)大范圍、高精度、實(shí)時(shí)性預(yù)報(bào), 為海上超視距雷達(dá)探測(cè)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

大氣波導(dǎo); 海洋安全; 電磁傳播; 超視距探測(cè); 協(xié)同觀測(cè)

大氣波導(dǎo)是一種雷達(dá)波超視距傳輸?shù)默F(xiàn)象, 是由一定的對(duì)流層氣象條件產(chǎn)生的具有垂直分布和水平擴(kuò)展性的一種特殊大氣層結(jié)構(gòu)。在海洋環(huán)境中, 由于受海面以上水汽垂直分布以及大氣邊界層穩(wěn)定度的影響, 使得大氣波導(dǎo)在海洋中出現(xiàn)的頻率和持久度要遠(yuǎn)高于其在陸地環(huán)境中出現(xiàn)的情況[1-2], 例如海上蒸發(fā)波導(dǎo), 其出現(xiàn)的概率高達(dá)85%以上。隨著世界各國(guó)對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展越來(lái)越重視, 海洋安全逐漸成為海洋經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要支撐。因此, 利用海上大氣波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的超視距探測(cè)與超視距接收將有利于為海洋安全保障。

本文主要利用大氣波導(dǎo)的雙面性, 從超視距雷達(dá)探測(cè)和利用盲區(qū)隱身突防兩個(gè)角度解析了海上蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo)對(duì)海洋安全的重要性, 并詳細(xì)闡述了這幾種大氣波導(dǎo)的探測(cè)原理與傳統(tǒng)觀測(cè)方法, 通過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有觀測(cè)方法存在一定的局限性, 無(wú)論是觀測(cè)精度還是觀測(cè)范圍都無(wú)法滿足超視距傳輸需求。為此, 本文提出了一種基于多物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)的海上大氣波導(dǎo)觀測(cè)方法, 該方法集合了海上眾多觀測(cè)儀器設(shè)備, 不僅提高了觀測(cè)精度, 還實(shí)現(xiàn)了大范圍觀測(cè), 解決了傳統(tǒng)觀測(cè)方法存在的局限性。通過(guò)實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)海域的大氣波導(dǎo)參數(shù), 如波導(dǎo)高度、強(qiáng)度、厚度和范圍等, 可指導(dǎo)海上船舶進(jìn)行超視距雷達(dá)精準(zhǔn)探測(cè)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

關(guān)于大氣波導(dǎo)的研究最早可追溯至20世紀(jì)30年代,當(dāng)時(shí)雷達(dá)技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用, 由大氣波導(dǎo)引發(fā)的奇怪現(xiàn)象也逐漸受到世界各國(guó)的重視。20世紀(jì)70年代, 隨著軍事競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)一步需求, 世界上又掀起了研究大氣波導(dǎo)的高潮。由于大氣波導(dǎo)具有超視距發(fā)現(xiàn)、易形成電磁盲區(qū)、跳躍盲區(qū)[3]并增加雷達(dá)測(cè)高、測(cè)距、測(cè)角、測(cè)速的誤差以及增強(qiáng)雷達(dá)雜波等特點(diǎn), 如圖1所示, 因此, 各國(guó)開(kāi)始競(jìng)相開(kāi)展海上大氣波導(dǎo)觀測(cè)技術(shù)相關(guān)研究, 以便掌握大氣波導(dǎo)的強(qiáng)度和位置, 進(jìn)而為海上目標(biāo)探測(cè)、發(fā)現(xiàn)和識(shí)別提供技術(shù)支持, 把握海上安全主動(dòng)權(quán)。

目前, 國(guó)外對(duì)大氣波導(dǎo)的探測(cè)方法主要包括衛(wèi)星探測(cè)、低空系留氣球探測(cè)、氣象梯度塔探測(cè)、微波折射儀探測(cè)、微波輻射計(jì)探測(cè)、多普勒擴(kuò)頻雷達(dá)探測(cè)等方式。其中, 美國(guó)于1976年開(kāi)發(fā)出集成大氣折射率預(yù)報(bào)系統(tǒng)。美國(guó)在20世紀(jì)80年代投入的典型雷達(dá)診斷系統(tǒng)包括EMPE、AREPS、RPO以及RFPPAS等[4], 此類系統(tǒng)依托大氣波導(dǎo)的有利傳播條件來(lái)提升艦載雷達(dá)系統(tǒng)、偵測(cè)系統(tǒng)、岸基雷達(dá)系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)等裝備的性能。美國(guó)對(duì)大氣波導(dǎo)的研究一直致力于其在軍事上的應(yīng)用, 部分學(xué)者通過(guò)X波段信標(biāo)接收機(jī)陣列系統(tǒng)推導(dǎo)蒸發(fā)波導(dǎo)的高度, 并與大氣垂直表面層模型一起使用, 以獲得蒸發(fā)波導(dǎo)高度的精確值[5]。1995年, 美國(guó)Micro Lab1號(hào)[6]低軌衛(wèi)星上天, 首次實(shí)現(xiàn)了利用地球掩星對(duì)大氣波導(dǎo)的觀測(cè)。前蘇聯(lián)也在各大洋中做了大量實(shí)驗(yàn)性工作, 結(jié)果表明在特定情況下, 由海上蒸發(fā)波導(dǎo)引起的電磁特殊效應(yīng)可使雷達(dá)探測(cè)范圍延伸至1 000 km以外, 澳大利亞[7]通信愛(ài)好者也多次收聽(tīng)到1 000 km外的超短波信號(hào)。除此之外, 日本、英國(guó)、法國(guó)、荷蘭和印度等國(guó)家都相繼開(kāi)展了大氣波導(dǎo)觀測(cè)技術(shù)研究, 并取得一定成果。

圖1 大氣折射示意圖

中國(guó)在大氣波導(dǎo)方面的研究工作起步較晚, 最初的研究工作其主要方式是通過(guò)釋放探空氣球或發(fā)射探空火箭進(jìn)行觀測(cè), 從而獲取大氣溫度、濕度、氣壓等相關(guān)參數(shù)隨高度的變化情況, 進(jìn)而探明對(duì)應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)波導(dǎo)傳播的條件。2000年前后, 中國(guó)學(xué)者開(kāi)展基于模型的研究, 焦林等[8]提出了一種基于拋物線方程法的波導(dǎo)盲區(qū)位置確定方法, 并開(kāi)發(fā)了盲區(qū)預(yù)測(cè)系統(tǒng)?？凳糠宓萚9]提出了一種基于目標(biāo)函數(shù)的雷達(dá)天線高度優(yōu)化方法, 針對(duì)特定區(qū)域不同目標(biāo)函數(shù)給出了雷達(dá)天線高度的優(yōu)化結(jié)果。左雷等[3]對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)和表面波導(dǎo)條件下的雷達(dá)盲區(qū)形成機(jī)理及特性進(jìn)行了分析, 并形成了大氣波導(dǎo)對(duì)艦載雷達(dá)盲區(qū)影響的初步成果。近年來(lái)也有相關(guān)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始應(yīng)用地基雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)等觀測(cè)設(shè)備開(kāi)展雷達(dá)波反演與仿真計(jì)算研究[10-11], 相關(guān)研究結(jié)果表明國(guó)外大氣波導(dǎo)的計(jì)算模型并不適應(yīng)中國(guó)海域[12], 應(yīng)該根據(jù)中國(guó)海域的季節(jié)特點(diǎn)來(lái)選擇最佳的波導(dǎo)計(jì)算模型并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化, 開(kāi)發(fā)滿足中國(guó)海域特殊環(huán)境特點(diǎn)的波導(dǎo)模型。

雖然各國(guó)對(duì)大氣波導(dǎo)的探測(cè)方法呈現(xiàn)多元化, 但由于不同的探測(cè)方式所獲取的信息參數(shù)不同, 采用的計(jì)算模型也不同, 故均存在一定局限性。其中, 衛(wèi)星探測(cè)大氣波導(dǎo)是通過(guò)地面接收站接收的衛(wèi)星信號(hào)來(lái)探測(cè)大氣波導(dǎo)存在與否; 低空系留氣球和氣象梯度塔探測(cè)方式采用探測(cè)大氣濕度、溫度、氣壓等參數(shù)的方式間接獲得大氣折射率; 而微波折射儀和微波輻射計(jì)等設(shè)備則是直接探測(cè)大氣折射率來(lái)獲取大氣波導(dǎo)相關(guān)參數(shù)[13]。隨著衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)和相關(guān)探測(cè)儀器的進(jìn)一步發(fā)展, 國(guó)際上出現(xiàn)了一些新的大氣波導(dǎo)探測(cè)方法:

1) 利用GPS氣象學(xué)獲得海上氣象參數(shù)廓線, 開(kāi)展大氣波導(dǎo)探測(cè)研究, 即利用低軌衛(wèi)星的星載GPS接收機(jī)和岸基雷達(dá)接收站的探測(cè)結(jié)果反演氣溫、氣壓、濕度等參數(shù), 用于大氣波導(dǎo)探測(cè);

2) 利用雷達(dá)接收的海雜波反演大氣波導(dǎo)剖面;

3) 利用激光雷達(dá)測(cè)得大氣環(huán)境參數(shù), 用于海上大氣波導(dǎo)探測(cè);

4) 利用數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和數(shù)據(jù)融合與同化技術(shù), 結(jié)合海洋遙感衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣波導(dǎo)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào);

5) 利用岸基已有的電站, 如電視、電臺(tái)和移動(dòng)通信基站等接收的信號(hào)對(duì)大氣波導(dǎo)進(jìn)行反演, 從而獲得大氣波導(dǎo)相關(guān)參數(shù)[14]。

2 大氣波導(dǎo)傳統(tǒng)觀測(cè)方法研究

海洋大氣環(huán)境中一般會(huì)出現(xiàn)三種形式的大氣波導(dǎo): 蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)。由于海洋表面大氣濕度在垂直方向變化急劇, 故蒸發(fā)波導(dǎo)出現(xiàn)的概率最高, 而表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)出現(xiàn)的概率相對(duì)較低。因此, 掌握這三種大氣波導(dǎo)的形成機(jī)理和探測(cè)原理對(duì)大氣波導(dǎo)的進(jìn)一步研究至關(guān)重要[15]。下面將詳細(xì)分析蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的探測(cè)原理, 通過(guò)分析各種觀測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)一步完善大氣波導(dǎo)觀測(cè)理論體系, 同時(shí)提出一種多物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)的探測(cè)方法, 該方法集合各類海洋觀測(cè)儀器、設(shè)備以及衛(wèi)星數(shù)據(jù), 可實(shí)現(xiàn)大氣波導(dǎo)的高精度、全覆蓋、全天候、實(shí)時(shí)性觀測(cè)與預(yù)報(bào), 從整體上把握中國(guó)制海權(quán)。

2.1 蒸發(fā)波導(dǎo)

由于海面上蒸發(fā)的水汽會(huì)在貼近海平面一定高度的氣體層達(dá)到飽和, 導(dǎo)致其濕度在很小的高度范圍內(nèi)產(chǎn)生很大的垂直梯度, 從而形成波導(dǎo)傳播的條件, 由此產(chǎn)生的波導(dǎo)稱為蒸發(fā)波導(dǎo)。這是一類比較特殊的表面波導(dǎo), 不受時(shí)間和空間的限制, 可以在任何時(shí)間、所有海域產(chǎn)生蒸發(fā)波導(dǎo), 是出現(xiàn)概率最高的一種大氣波導(dǎo)。蒸發(fā)波導(dǎo)高度通常在離海面40 m以下[16], 這一高度正好覆蓋了大多數(shù)艦載微波雷達(dá)的天線高度, 可以有效利用蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)[17-18]。

目前, 蒸發(fā)波導(dǎo)的探測(cè)方法主要包括直接測(cè)量法、遙感反演法和數(shù)值模擬法。其中, 直接測(cè)量法目前主要以激光探測(cè)為主, 利用幾何光學(xué)理論對(duì)大氣中電磁波進(jìn)行射線追蹤, 從而進(jìn)行大氣波導(dǎo)的推導(dǎo); 遙感反演法主要通過(guò)獲取雷達(dá)海雜波和GPS信號(hào), 并分析其中所包含的大氣參數(shù)要素, 進(jìn)而推導(dǎo)出蒸發(fā)波導(dǎo)折射情況; 數(shù)值模擬法則主要通過(guò)波導(dǎo)理論模型來(lái)計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)的存在, 采用的波導(dǎo)模型主要有: Paulus-Jeske模型[19]、MGB模型[20]、偽折射率模型[21]、RSHMU模型和拋物線模型等[22-23]。

激光探測(cè)主要是利用激光的電磁波特性, 其在大氣中傳播時(shí)會(huì)受到大氣折射率的影響發(fā)生折射, 激光折射率與激光波長(zhǎng)、大氣溫度、大氣濕度和大氣壓強(qiáng)有關(guān), 其關(guān)系如下:

=1+(,,,). (1)

由于激光在大氣中的折射率和消光系數(shù)的變化率與上述大氣參數(shù)密切相關(guān), 因此可以通過(guò)激光的折射率和消光系數(shù)變化率來(lái)推導(dǎo)蒸發(fā)波導(dǎo)的特性, 基本理論框架如圖2所示。通過(guò)建立激光在大氣中傳輸特性和蒸發(fā)波導(dǎo)之間的邏輯關(guān)系, 便可利用激光的回波信號(hào)對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。同時(shí), 由于激光傳輸具有單向性的特點(diǎn), 使得激光探測(cè)蒸發(fā)波導(dǎo)更具隱蔽性, 在海上復(fù)雜電磁環(huán)境下, 可以在雷達(dá)保持靜默條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)的探測(cè)。采用雷達(dá)進(jìn)行海上目標(biāo)探測(cè)易被干擾, 而激光的單向傳輸特性使其不易被干擾和截獲。

圖2 激光探測(cè)大氣波導(dǎo)理論框架

遙感反演法通過(guò)分析接收到的電磁波信號(hào)所承載的大氣要素信息來(lái)求解大氣折射狀況。其中, 雷達(dá)海雜波反演信號(hào)主要通過(guò)艦載雷達(dá)和岸基雷達(dá)等設(shè)備獲得, 因?yàn)榇祟愒O(shè)備安裝高度大部分位于蒸發(fā)波導(dǎo)高度范圍之內(nèi), 能夠準(zhǔn)確捕獲海雜波信息, 通過(guò)將接收到信號(hào)和電磁波傳播模式正向模擬結(jié)構(gòu)作比較, 即可獲得大氣折射情況, 從而推導(dǎo)出蒸發(fā)波導(dǎo)的存在。其中最常采用的算法和技術(shù)包括最小二乘法、模擬退火法、最大后驗(yàn)概率算法、降維技術(shù)、遺傳算法和射線追蹤技術(shù)[24]。

GPS反演則是利用岸基固定GPS探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)推導(dǎo), 通過(guò)分析GPS探測(cè)系統(tǒng)接收的電磁信號(hào), 求解出GPS信號(hào)因蒸發(fā)波導(dǎo)存在而產(chǎn)生的時(shí)延, 將時(shí)延作為參數(shù)輸入到蒸發(fā)波導(dǎo)計(jì)算模型中, 通過(guò)分析時(shí)延與氣象要素剖面關(guān)系進(jìn)行蒸發(fā)波導(dǎo)反演。因岸基GPS系統(tǒng)分布廣泛、位置固定, 因而可以實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)波導(dǎo)全天候、高可靠、大范圍觀測(cè)。

數(shù)值模擬探測(cè)主要是通過(guò)一種基于相似理論的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? 首先通過(guò)海上的智能浮標(biāo)、漂流浮標(biāo)、船載設(shè)備、低空系留氣球以及梯度塔等相關(guān)探測(cè)儀器獲取海上大氣濕度、溫度和壓強(qiáng)等氣象參數(shù), 并以此作為輸入導(dǎo)入到相關(guān)波導(dǎo)模型中推導(dǎo)出大氣折射率, 最后通過(guò)大氣折射率預(yù)測(cè)大氣波導(dǎo)及其他特征參數(shù)[25]。具體可分別根據(jù)(2)、(3)式計(jì)算出大氣折射率并診斷波導(dǎo)是否存在, 當(dāng)滿足(3)式時(shí)即可判別存在大氣波導(dǎo), 最后根據(jù)(4)式來(lái)判斷大氣波導(dǎo)強(qiáng)度, 公式如下:

其中,為考慮到地球曲率的影響加以訂正的大氣折射指數(shù);為海表大氣溫度, 單位為K;為水汽壓, 單位為hPa;為大氣壓, 單位為hPa;為海拔高度, 單位為m;0為地球平均半徑, 取值6.371×106m。Δ表示的是波導(dǎo)強(qiáng)度, 即波導(dǎo)陷獲層頂部與波導(dǎo)底部大氣修正折射指數(shù)之差。

由于蒸發(fā)波導(dǎo)的波導(dǎo)高度一般在40 m以下, 通過(guò)地基雷達(dá)接收站觀測(cè)蒸發(fā)波導(dǎo)受波導(dǎo)高度影響較大, 相關(guān)學(xué)者開(kāi)始通過(guò)改進(jìn)的離散混合傅里葉變換方法求解用于蒸發(fā)波導(dǎo)的拋物線模型, 并基于此模型開(kāi)發(fā)了大規(guī)模的波導(dǎo)損耗模型, 最終獲取了接收天線高度和波導(dǎo)高度對(duì)波導(dǎo)傳播損耗的影響關(guān)系[26]。

2.2 低空波導(dǎo)(表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo))

不同于蒸發(fā)波導(dǎo)貼近海面的特殊性, 表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的性質(zhì)及觀測(cè)方法基本相同, 只在形成機(jī)理上略有區(qū)別: 表面波導(dǎo)是由大陸上暖而干燥的氣團(tuán)進(jìn)入到相對(duì)冷而潮濕的海面形成的, 其波導(dǎo)厚度一般在300 m以下; 抬升波導(dǎo)主要是由副熱帶高壓氣體的運(yùn)動(dòng)形成的, 在副熱帶和熱帶海域的高層大氣中存在大面積的強(qiáng)烈下沉運(yùn)動(dòng), 當(dāng)干而熱的氣團(tuán)下降到一定高度碰到冷而濕的海氣時(shí), 會(huì)直接覆蓋在海氣邊界層上方形成逆溫, 從而形成抬升波導(dǎo), 抬升波導(dǎo)的高度一般在3 000 m以下。因表面波導(dǎo)向上爬升一定高度后即成為抬升波導(dǎo), 因此, 本文不再區(qū)分表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的觀測(cè)區(qū)別, 一并進(jìn)行研究, 并統(tǒng)稱為低空波導(dǎo)。

由于低空波導(dǎo)的下邊界層發(fā)生變化, 不再是海平面, 而是具有一定高度的大氣層, 電磁波被陷獲在一定高度的大氣層中傳播, 地基接收站無(wú)法接收到電磁信號(hào), 因此低空波導(dǎo)無(wú)法像蒸發(fā)波導(dǎo)那樣利用地基雷達(dá)接收海雜波來(lái)反演大氣波導(dǎo)。目前, 對(duì)于低空波導(dǎo)主要利用GNSS系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè), GNSS系統(tǒng)主要包括美國(guó)的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和中國(guó)的北斗系統(tǒng)等, 可通過(guò)GNSS機(jī)接收到的衛(wèi)星仰角、方位角等信息來(lái)判定大氣波導(dǎo)的存在。原理為通過(guò)地面接收站接收到的衛(wèi)星的仰角信息來(lái)判斷此時(shí)的衛(wèi)星是否在視距范圍之內(nèi), 如果在視距范圍之外便接收到衛(wèi)星的信息則說(shuō)明發(fā)生了波導(dǎo)傳播, 再根據(jù)它們之間的射線幾何關(guān)系便可判斷大氣波導(dǎo)的長(zhǎng)度, 原理如圖3所示。根據(jù)圖3中的幾何關(guān)系可以看出: 當(dāng)<時(shí), 為可視范圍; 當(dāng)>時(shí), 若接收站接收到了衛(wèi)星信號(hào), 則說(shuō)明在此空間范圍內(nèi)存在大氣波導(dǎo)[27]。

根據(jù)圖3的幾何關(guān)系可以推導(dǎo)出:

圖3 大氣波導(dǎo)長(zhǎng)度計(jì)算示意圖

其中,為地球球心,為地球半徑,為天線高度,為GNSS衛(wèi)星,為天線,為GNSS衛(wèi)星到地球中心距離,為GNSS衛(wèi)星仰角,為截止角度。

2.3 大氣波導(dǎo)傳統(tǒng)觀測(cè)方法存在不足

1) 觀測(cè)精度不高

在大氣波導(dǎo)探測(cè)方面普遍存在的現(xiàn)象是探測(cè)精度不高, 對(duì)于蒸發(fā)波導(dǎo)主要通過(guò)低空系留氣球和梯度塔等設(shè)備進(jìn)行觀測(cè), 只能對(duì)定點(diǎn)高度進(jìn)行探測(cè), 無(wú)法保證在垂直方向上的探測(cè)精度。目前, 世界各國(guó)正在努力提高大氣波導(dǎo)的探測(cè)精度, 其中不萊梅大學(xué)的von Engeln等[28]研究人員利用歐洲的中尺度大氣預(yù)報(bào)模式數(shù)據(jù)進(jìn)行了一次全球大氣波導(dǎo)研究, 并推導(dǎo)出大氣波導(dǎo)在不同區(qū)域出現(xiàn)的概率、波導(dǎo)高、波導(dǎo)厚度等參數(shù), 由于該大氣模式預(yù)報(bào)和探空數(shù)據(jù)的精度只有200～300 m, 只能發(fā)現(xiàn)一些厚度較大的波導(dǎo)層, 因此無(wú)法進(jìn)行精細(xì)化預(yù)報(bào)。在衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演大氣波導(dǎo)技術(shù)上當(dāng)受到不同高度的波導(dǎo)影響時(shí)也會(huì)出現(xiàn)精度偏低的情況, 因?yàn)閱尾ǘ卫走_(dá)雜波只對(duì)特定高度范圍內(nèi)的波導(dǎo)反演具有較高精度, 當(dāng)遇到復(fù)合波導(dǎo)層時(shí)則須利用多波段雷達(dá)雜波反演技術(shù)推導(dǎo)大氣波導(dǎo)[29]。

2) 觀測(cè)范圍有限

目前對(duì)于大氣波導(dǎo)的觀測(cè)儀器主要包括探空氣球、梯度塔以及遙感衛(wèi)星等, 而探空氣球和梯度塔作為常規(guī)觀測(cè)工具雖然精度較衛(wèi)星稍高, 但其觀測(cè)的范圍非常小, 屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)觀測(cè)。且梯度塔和低空系留氣球多建設(shè)在海岸線, 只能對(duì)陸地和近海海域的大氣環(huán)境進(jìn)行觀測(cè), 而對(duì)于遠(yuǎn)海海域還是一片空白, 無(wú)法對(duì)遠(yuǎn)海的電磁環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè), 使得遠(yuǎn)海環(huán)境無(wú)法得到保障。雖然采用遙感衛(wèi)星觀測(cè)大氣波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)大范圍觀測(cè), 但其垂直分辨相對(duì)較低, 因此考慮到精度的制約, 該技術(shù)一直停留在定性分析上, 并未得到實(shí)際應(yīng)用。而對(duì)于其他地基雷達(dá)觀測(cè)站一般存在分布間距大、觀測(cè)參數(shù)單一等缺點(diǎn), 亦無(wú)法滿足海上大氣波導(dǎo)大范圍觀測(cè)需求。

3) 觀測(cè)成本高

原始的大氣波導(dǎo)觀測(cè)方法都是通過(guò)探空氣球進(jìn)行觀測(cè)的, 多采用投放式, 大多無(wú)法回收, 導(dǎo)致收益比較低。而若用無(wú)線電探空儀、微波折射儀和地基雷達(dá)觀測(cè)站等設(shè)備進(jìn)行觀測(cè), 則其測(cè)量和制作成本又很高, 不適合大面積布放。采用衛(wèi)星信息參數(shù)反演大氣波導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)大面積觀測(cè), 但其運(yùn)行維護(hù)成本高, 存在技術(shù)不成熟和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn), 且一般只供軍方使用, 民用衛(wèi)星普及率還很低, 亦無(wú)法滿足觀測(cè)需求[30]。

綜上, 大氣波導(dǎo)傳統(tǒng)觀測(cè)方法雖然技術(shù)已進(jìn)入實(shí)踐應(yīng)用, 但仍存在觀測(cè)精度低、觀測(cè)范圍小和觀測(cè)成本高等缺陷, 急需一種簡(jiǎn)單、高效、實(shí)時(shí)和低成本的觀測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣波導(dǎo)的觀測(cè)。

3 大氣波導(dǎo)多物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)方法研究

針對(duì)傳統(tǒng)大氣波導(dǎo)觀測(cè)方法存在的不足, 同時(shí)為滿足海上作業(yè)需求, 提出一種以浮標(biāo)網(wǎng)、船聯(lián)網(wǎng)、星聯(lián)網(wǎng)和岸基網(wǎng)為觀測(cè)設(shè)備的多物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)方法, 海上作業(yè)指揮流程圖如圖4所示。該立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)充分利用海上智能漂流浮標(biāo)、船載智能終端設(shè)備、GNSS系統(tǒng)、地基雷達(dá)接收站和電臺(tái)等觀測(cè)設(shè)備, 構(gòu)建了從點(diǎn)到線、從線到面、再?gòu)拿娴襟w的“空-天-地-?！绷Ⅲw觀測(cè)體系, 形成了海氣界面以上3 000 m內(nèi)的大氣空間“溫-濕-壓”等氣象參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí), 本研究利用船載計(jì)算終端和海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超級(jí)計(jì)算機(jī), 充分發(fā)揮邊緣計(jì)算和云計(jì)算優(yōu)勢(shì), 實(shí)現(xiàn)了大氣波導(dǎo)觀測(cè)方式的設(shè)備協(xié)同、數(shù)據(jù)協(xié)同和計(jì)算協(xié)同。因協(xié)同觀測(cè)方法充分利用了海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋星簇、海氣表面、海洋模擬器等大科學(xué)計(jì)劃, 獲得了涵蓋西太平洋、南印度洋以及中國(guó)海等海域的大量海洋氣象數(shù)據(jù), 海洋模擬器可做到大氣預(yù)報(bào)精度27 km×27 km, 洋流預(yù)報(bào)精度9 km×9 km。其中為助力我國(guó)“海上絲綢之路”的發(fā)展, 針對(duì)“兩洋一?！眳^(qū)域進(jìn)行了精細(xì)化預(yù)報(bào), 可做到大氣預(yù)報(bào)精度9 km×9 km, 洋流預(yù)報(bào)精度3 km×3 km, 充分解決了傳統(tǒng)單點(diǎn)式觀測(cè)方法精度不高、觀測(cè)范圍有限和觀測(cè)成本高等缺點(diǎn)。

圖4 超視距探測(cè)流程圖

大氣波導(dǎo)傳統(tǒng)觀測(cè)方法和協(xié)同觀測(cè)方法的對(duì)比分析如表1所示。從表1可以看出, 由于協(xié)同觀測(cè)方法依托“空-天-地-?！绷Ⅲw觀測(cè)網(wǎng)絡(luò), 開(kāi)展大氣波導(dǎo)仿真模擬, 因此其在預(yù)報(bào)精度和范圍方面都優(yōu)于傳統(tǒng)觀測(cè)方法。同時(shí), 協(xié)同觀測(cè)方法不增設(shè)大氣波導(dǎo)專用觀測(cè)設(shè)備, 而是利用現(xiàn)有觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù), 只在數(shù)據(jù)傳輸方面有所損耗, 因此觀測(cè)成本相對(duì)較低。大氣波導(dǎo)協(xié)同觀測(cè)方法的初始場(chǎng)數(shù)據(jù)均通過(guò)終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗之后再實(shí)時(shí)回傳至服務(wù)器, 數(shù)據(jù)的時(shí)效性較高, 且依托全球海洋模式系統(tǒng)可對(duì)未來(lái)15 d的波導(dǎo)條件進(jìn)行預(yù)報(bào), 為海上航行安全提供了強(qiáng)有力的支撐。

表1 大氣波導(dǎo)觀測(cè)方法對(duì)比分析

截止目前, 海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋大數(shù)據(jù)平臺(tái)擁有40 PB的存儲(chǔ)容量, 且實(shí)驗(yàn)室組建的科考船共享航次、浮標(biāo)網(wǎng)、潛標(biāo)網(wǎng)等觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系持續(xù)不斷的將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至大數(shù)據(jù)中心, 通過(guò)緊密結(jié)合現(xiàn)有存量數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)增量數(shù)據(jù), 完成了海洋氣象數(shù)據(jù)智能獲取與傳輸、重構(gòu)與融合、存儲(chǔ)與管理關(guān)鍵技術(shù)研究, 實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)氣象數(shù)據(jù)的服務(wù)管理。鑒于大氣波導(dǎo)協(xié)同觀測(cè)方法獲取的數(shù)據(jù)分布范圍廣、價(jià)值密度低等特點(diǎn), 通過(guò)人工智能技術(shù)對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能過(guò)濾、智能篩選和智能壓縮, 提高了數(shù)據(jù)傳輸效率, 降低了數(shù)據(jù)傳輸成本。最后, 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 以協(xié)同觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)獲取的“兩洋一?！睌?shù)據(jù)為輸入, 通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)單元和預(yù)期誤差, 對(duì)大氣波導(dǎo)模型進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練, 不斷優(yōu)化大氣波導(dǎo)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng), 解決不同波導(dǎo)模型在中國(guó)海域不適用問(wèn)題[12], 為適合中國(guó)海域的特殊波導(dǎo)模型研究提供了數(shù)據(jù)支撐和模型支撐。

最終, 利用大數(shù)據(jù)、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)大氣參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)有效的分析和整合, 為海上大氣波導(dǎo)觀測(cè)提供了高時(shí)空分辨率數(shù)據(jù)支撐[31], 構(gòu)建了大氣波導(dǎo)協(xié)同觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu), 為海上超視距雷達(dá)探測(cè)提供指導(dǎo), 系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 大氣波導(dǎo)協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)框架

其中, 對(duì)于波導(dǎo)高度的求解, 本文提出的協(xié)同觀測(cè)方法與傳統(tǒng)波導(dǎo)模型的預(yù)測(cè)方法略有不同。傳統(tǒng)波導(dǎo)高度預(yù)測(cè)大多通過(guò)構(gòu)建大氣折射率廓線來(lái)推導(dǎo)波導(dǎo)高度, 對(duì)氣象要素瞬時(shí)值依賴較高, 而氣象瞬時(shí)值往往難以準(zhǔn)確快速獲得, 導(dǎo)致波導(dǎo)模型預(yù)測(cè)與實(shí)際情況偏差較大。而大氣波導(dǎo)協(xié)同方法則是根據(jù)海洋大氣近地層相似理論, 利用海氣界面宏觀觀測(cè)物理量來(lái)計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)及其特征量, 并引入風(fēng)速、溫度以及濕度普適函數(shù)來(lái)進(jìn)行波導(dǎo)高度計(jì)算。最終通過(guò)求解溫度、大氣壓和水汽壓的廓線并結(jié)合大氣修正折射率公式即可確定波導(dǎo)高度。

溫度垂直廓線如下式:

大氣壓廓線由靜力學(xué)公式和理想氣體定律聯(lián)合積分如下:

水汽壓垂直廓線如下:

該協(xié)同觀測(cè)方法深度融合了立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的物理場(chǎng)數(shù)據(jù), 而浮標(biāo)網(wǎng)、船聯(lián)網(wǎng)、星聯(lián)網(wǎng)和岸基網(wǎng)作為多物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分, 主要負(fù)責(zé)獲取前端空間立體網(wǎng)絡(luò)的感知數(shù)據(jù), 并利用自組網(wǎng)技術(shù)對(duì)獲取的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合, 用于海上大氣波導(dǎo)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào), 多物理場(chǎng)協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 多物理場(chǎng)協(xié)同感知網(wǎng)絡(luò)

1) 浮標(biāo)網(wǎng)

以海上智能漂流浮標(biāo)、氣象浮標(biāo)、固定觀測(cè)浮標(biāo)為載體, 利用人工智能、大數(shù)據(jù)、自組網(wǎng)等新一代信息技術(shù), 基于多傳感器同步觀測(cè)技術(shù)、智能邊緣計(jì)算技術(shù)、多源數(shù)據(jù)智能感知與預(yù)處理技術(shù)、智能數(shù)據(jù)壓縮編碼技術(shù)、自適應(yīng)通信組網(wǎng)技術(shù)以及海氣耦合與數(shù)值計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)研究成果, 構(gòu)建多物理場(chǎng)、自組網(wǎng)、低功耗、低成本、長(zhǎng)時(shí)序智能浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng), 為蒸發(fā)波導(dǎo)檢測(cè)提供設(shè)備支撐[32]。

2) 船聯(lián)網(wǎng)

開(kāi)展基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化智能化標(biāo)準(zhǔn)接口的設(shè)計(jì)、船基數(shù)據(jù)傳輸鏈路的構(gòu)建方式研究, 并設(shè)計(jì)完成海洋觀測(cè)智能終端系統(tǒng), 該系統(tǒng)集合了全球船舶體量龐大的優(yōu)勢(shì), 形成全海域覆蓋的船基觀測(cè)網(wǎng)絡(luò), 該智能終端設(shè)備不僅自身具備觀測(cè)能力, 還可通過(guò)自組網(wǎng)接收其他海洋裝備的觀測(cè)數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)海上大氣溫度、濕度、氣壓等關(guān)鍵大氣波導(dǎo)參數(shù)的全面采集, 為大氣波導(dǎo)預(yù)測(cè)提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

3) 星聯(lián)網(wǎng)

利用已有GNSS系統(tǒng)構(gòu)建衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)絡(luò), 因GNSS接收機(jī)可獲取多星信息, 故可將美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和中國(guó)的北斗(BD)系統(tǒng)接收的信息進(jìn)行有效融合, 使得信息參數(shù)更加準(zhǔn)確。同時(shí), 海上各類觀測(cè)設(shè)備均內(nèi)置GPS定位模塊, 可在獲取溫、濕、風(fēng)、壓等參數(shù)的同時(shí)記錄坐標(biāo)位置, 最終結(jié)合GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)為低空波導(dǎo)提供大范圍、高精度及實(shí)時(shí)性氣象參數(shù)。

4) 岸基網(wǎng)

為減少觀測(cè)成本, 還可充分利用廣泛分布的岸基電站、電臺(tái)等信號(hào)反演大氣波導(dǎo)特征參數(shù)。由于沿海岸線分布的各類電站和電臺(tái)在收發(fā)信號(hào)時(shí)會(huì)受到海上大氣波導(dǎo)的影響, 使得FM或者TM電臺(tái)傳播方式由直線傳播變?yōu)榛【€傳播或階躍傳播, 這將導(dǎo)致電磁信號(hào)的收發(fā)間隔和收發(fā)距離發(fā)生改變, 通過(guò)分析電磁信號(hào)強(qiáng)弱及電臺(tái)實(shí)際分布情況, 即可得知該信號(hào)是由對(duì)流層散射導(dǎo)致還是大氣波導(dǎo)影響導(dǎo)致。通過(guò)岸基觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)捕獲到的異常電磁信號(hào)進(jìn)行反演, 推導(dǎo)電磁信號(hào)中含有的大氣波導(dǎo)特種參量, 即可用于大氣波導(dǎo)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的分析研究。

最后, 本文基于Jeske模型、P-J模型、A模型、偽折射率模型及MGB模型等多種大氣波導(dǎo)數(shù)值模型及海雜波與電臺(tái)信號(hào)反演計(jì)算, 依托前端構(gòu)建的立體感知網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取的大氣波導(dǎo)氣象特征參數(shù), 開(kāi)展了大氣波導(dǎo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知、參數(shù)智能篩選、模型深度優(yōu)化、波導(dǎo)精準(zhǔn)預(yù)報(bào)等關(guān)鍵技術(shù)研究, 并利用海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)未來(lái)15 d內(nèi)海洋氣象條件進(jìn)行精細(xì)化模擬, 模擬系統(tǒng)包括海洋大氣、降水、海溫和海流四個(gè)方面, 對(duì)海上復(fù)雜氣象條件進(jìn)行預(yù)判預(yù)估, 如圖7所示。依托海洋模式預(yù)報(bào)系統(tǒng), 結(jié)合多物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)體系, 構(gòu)建了大氣波導(dǎo)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)未來(lái)海上電磁偵察環(huán)境早感知、早預(yù)報(bào)和早部署, 如圖8所示。

圖7 海洋模式精細(xì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

圖8 大氣波導(dǎo)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

4 結(jié)論

本文以大氣波導(dǎo)在海上航行安全的應(yīng)用為背景, 分析了波導(dǎo)效應(yīng)對(duì)海上超視距探測(cè)與利用電磁盲區(qū)的重要性, 以及如何利用大氣波導(dǎo)為海上空對(duì)空探測(cè)、預(yù)警、通信、截收等方面提供決策依據(jù)。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)大氣波導(dǎo)觀測(cè)方法的深入研究, 本文對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)的觀測(cè)原理進(jìn)行了對(duì)比分析, 研究了傳統(tǒng)觀測(cè)方法在觀測(cè)精度、觀測(cè)范圍和觀測(cè)成本上存在的局限性, 提出了一種新的大氣波導(dǎo)多物理場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)方法, 充分利用了海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)海上垂向3 000 m內(nèi)全偵察環(huán)境實(shí)施高精度多物理量協(xié)同觀測(cè)網(wǎng)絡(luò), 依托大氣波導(dǎo)高通量精細(xì)化預(yù)報(bào)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)海上大氣波導(dǎo)進(jìn)行高精度、大范圍、實(shí)時(shí)性觀測(cè), 強(qiáng)化了海上船舶的超視距探測(cè)能力, 為海上安全提供保障。

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Observation methods of atmospheric duct based on marine safety

WANG Wen-jie1, XU Jia-li1, HUANG Xian-qing1, JIA Dong-ning1, 2

(1. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao), Qingdao 266237, China; 2. Ocean University of China, Qingdao 266010, China)

The short-wave communication distance among shipborne electronic information systems will increase several times once the sea battlefield is exposed to the atmospheric duct. Meanwhile, the electromagnetic blind zone will appear within the communication distance range. Based on the strategic requirements of ocean security, this study carried out the reseacrch on the cooperative observation technology of atmospheric duct, and expounded the importance of atmospheric duct for over-the-horizon transmission and detection. We systematically summarize the observation principle of evaporation duct, surface duct and lifting duct and their conventional observation methods by studying the formation and influence mechanism of the atmospheric duct. In addition, we studid the traditional observation methods of atmospheric duct in depth and find that these methods have some limitations in observation means, accuracy, range and cost. Therefore, an atmospheric duct observation method based on multi-physical field cooperative detection is proposed in this paper, which can obtain real-time atmospheric parameters at sea and build an marine atmospheric duct prediction system by integrating various observation instruments and equipment, such as buoy network, ship network, satellite network and shore-based network. The large-scale, high-precision and real-time atmospheric duct forecasting system formed by our method is greatly significant to master air superiority in over-the-horizon radar detection and stealth penetration operations in the sea.

atmospheric duct; marine safety; electromagnetic transmission; transhorizon detection; collaborative observation

Dec. 30, 2020

O451

A

1000-3096(2022)1-0112-11

10.11759/hykx20201230002

2020-12-30;

2021-04-07

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019JMRH0109)

[Key Research and Development Plan of Shandong Province, No. 2019JMRH0109]

汪文杰(1988—), 碩士, 工程師, 主要從事海洋科學(xué)、海工裝備研發(fā)以及海洋大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域研究, E-mail: wangwenjiebkd@ 163.com; 賈東寧(1978—),通信作者, 博士, 高級(jí)工程師, 主要從事計(jì)算機(jī)信息科學(xué)、高性能計(jì)算與仿真以及國(guó)產(chǎn)超算典型應(yīng)用等領(lǐng)域研究, E-mail: wjwang@qnlm.ac

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)