海上超視距傳播的探測

中國人民解放軍海軍潛艇學院 孫曉磊 李光明 謝杰榮

針對目前海上廣泛存在的超微波超視距傳播現象，利用民用信號接收設備對海上目標進行監視時信號接收距離以及范圍的異常變化，可以實時探測超視距傳播的形成。通過在沿海地區廣泛布設民用信號接收設備，組網構建覆蓋周邊海域的超視距傳播探測系統，為海上超微波信號的超視距偵察監視提供有力支撐，對于提升沿海超微波偵察監視系統的效能具有重要意義。

海上超視距傳播主要是指超短波、微波等信號在大氣折射率變化時，通過大氣波導或者對流層散射進行超視距傳播。對于超視距傳播的探測，早在20 世紀60 年代就開始了研究，并且通過布設各種傳感器，利用飛機、衛星等對大氣折射率進行監測，建立了高級大氣折射率影響預測系統，可以根據氣象信息預測海上大氣波導的形成等，該系統涉及大量的傳感器，花費巨大，目前各類通信、雷達系統的作用范圍仿真均基于該系統結合電子地圖而開展。國內中國海洋大學、武漢大學、西安電子科技大學等高校在20 世紀90 年代開展了超視距傳播探測的研究，主要是通過在海上或海岸施放傳感器，或者通過GPS 掩星反演海上大氣折射率，從而探測大氣折射率變化，預測大氣波導形成，這些方法探測的范圍較小，并且準確率受到傳感器精度的影響。

通過海上民用信號的接收進行超視距傳播的探測，由于民用信號大多集中在超微波頻段，并且這些信號廣泛存在于海面以及海面上空，其接收設備價格低廉，性能優良，因此對于超視距傳播的探測具有代價低、實時性好、探測范圍大等優點，其缺點就是在臺風天氣下沒有信號，無法進行有效探測。民用信號主要是指AIS、ADS-B、ACARS 等信號，民用信號接收設備具有對?？漳繕诉\行軌跡、航行狀態以及目標屬性等的監視能力。民用信號接收設備可以根據?？漳繕私邮站嚯x以及范圍的異常變化，為超視距傳播探測提供實時探測能力，我們可以根據探測結果，調整定向天線的方位或俯仰，提升沿海超微波偵察監視系統的效能。

1 超視距傳播機理

超視距傳播主要是指超微波經由對流層不均勻結構體的散射超視距傳播或者出現大氣波導時，超微波沿著大氣波導的超遠距離傳播。對流層大氣對無線電波傳播的影響與大氣本身的介電特性有關，主要反映在其相對介電常數或折射指數的變化，通常定義大氣折射率來表征流層大氣對傳播效應的影響。

對流層中不同的大氣折射，對應著不同的大氣折射率或者修正折射率梯度，出現不同的電波傳播，折射率的梯度和條件如表1 所示[1]。

表1 大氣折射率梯度和條件Tab.1 Atmospheric refractive index gradient and conditions

1.1 對流層散射傳播機理

對流層是各種無線通信系統的主要作用空間，其中的大氣可對無線電波產生折射、發射和吸收效應，大氣湍流還可引起無線電波的散射。對流層散射是大氣折射率的不均勻分布和局部隨機起伏引起的，但是至今該現象的物理機制仍然眾說紛紜，目前被廣泛認可的主要有三種傳播機制，即湍流非相干散射、不規則層相干反射以及穩定層相干反射[2]。1960 年，Yeh 給出了對流層散射傳播損耗公式[1]，如式（1）所示：

湍流非相干散射理論是由Booker 等人于1950 年提出的，該理論認為大氣湍流中的各不均勻體對無線電波產生的二次輻射是超短波、微波超視距傳播的主要原因[1]。在場強為E0的電波照射下，以Q點為中心的體積元dV將被極化而變得類似于一個元偶極子，向周圍空間再輻射電波，按電磁理論，在距其r2遠處的R點產生的相應的場強如式（2）所示：

穩定層相干理論認為，對流層可以按照介電常數隨高度的變化分成一系列薄層，每層內介電常數值近似為常數，而在層與層之間的邊界位置介電常數發生銳變，這些薄層會對無線電波進行部分反射，并且各反射分量間的振幅與相位有關，彼此相干，它們在接收點的相干疊加即為接收場。

湍流非相干散射理論由于理論性較強并且大多數試驗論證與之相吻合，成為研究對流層散射傳播的主流理論。不規則層非相干反射理論沒有嚴格的理論依據，但是其計算結果與許多實驗結果相一致。穩定層相干反射理論也缺乏嚴格的理論基礎，但也有部分試驗結果與之相符。因此通常認為，對流層散射是三種傳播共同作用的結果，只是某種傳播起著主導作用。

1.2 大氣波導傳播機理

大氣波導形成的機理主要是水分蒸發和逆溫過程形成陷獲折射的氣象條件，在適當的傳播角度下，超微波信號陷獲其中，傳播損耗明顯減小，從而讓無線電波實現遠距離超視距傳播。大氣波導可以分為蒸發波導、表面波導和抬升波導三種類型，而表面波導又有無基礎層的表面波導和含基礎層的表面波導兩種類型[3]。

蒸發波導是海上常見的大氣波導，當海水蒸發的時候，大氣濕度隨著高度的升高而驟降，從而形成較大的濕度梯度變化，這時就形成了蒸發波導的條件，蒸發波導本質上屬于特殊的無基礎層的表面波導類型。蒸發波導出現的概率相當高，對于海上無線電波的傳播意義重大，是大氣波導研究的重點。其傳播模型如式（3）所示[4]：

表面波導的形成通常與大氣逆溫現象密切相關，當干暖氣團從陸地流動到濕冷的海面上空時，近海面就會形成大氣溫度上冷下熱，濕度下濕上干的環境，這種逆溫環境使大氣折射率出現較大負梯度，從而陷獲一定頻率的無線電波，實現超視距傳播，其傳播模型是由懸空的陷獲層形成的符合實際數據的經驗模型，其傳播損耗如式（4）所示[4]：

抬升波導是一種陷獲層的下邊界在空中的懸空波導結構，它與表面波導形成的氣象條件相似，它們之間在一定條件下可以相互轉化，由于波導層較高，對高空無線電波的傳播影響較大。抬升波導的情況比較復雜，目前還沒有建立相應的傳播模型。

2 超視距傳播的探測

2.1 民用信號的接收概況

利用部署在某地的民用信號接收設備，在正常氣象條件下，利用拋物面天線，對海上艦船目標的最大探測距離約為200km，對空中目標的最大探測距離達到550km。民用信號接收設備對空目標的監視范圍是天線中心大約60°的范圍，其空中目標的態勢分布非常明顯，副瓣的偵察監視距離大約300km，但是非常奇怪的是，位于該天線主瓣方向附近的民航飛機，卻基本難以監測，這從側面說明，該天線在主瓣方向上的俯仰角非常小，并未對準該空域高度的飛機航線，從而導致了偵察監視盲區。該系統對海上目標的偵察監視范圍明顯比空中目標的大，基本上可以達到180°，其主瓣方向為正東方向。對海偵察天線的方向圖不是特別明顯，尤其是主瓣與副瓣的分界線比較模糊，從民用信號接收設備的監視范圍，也可以大致評估探測天線的基本性能。

2.2 基于對流層散射的超視距傳播探測

在民用信號接收設備的偵察監視中，經過長期監視的積累，發現在監視區域下方1000 多公里的位置，根據飛機的飛行高度、設備位置的高度以及民用信號接收設備的監視范圍，我們基本可以確定，是對流層散射形成的超視距傳播現象。尤其是部分連續飛行軌跡，完全超出ADS-B 信號的接收范圍，傳播距離接近1000km，根據民航ADS-B 信號的大致功率可知其散射的傳輸損耗非常小，根據對流層散射的機理，可以確定其是穩定層相干反射為主的對流層散射傳播。

根據分析以及實際的監視結果可以看出，在設備位置和出現連續軌跡的兩點中間空域，存在可以反射信號的穩定層，但是其高度無法進行探測，但是也可以為超微波偵察系統的超視距偵察提供有力的技術支持。該穩定層長期存在，可為我們的超微波偵察系統提供超視距探測的媒質，尤其是以上兩個位置為我們對該區域的空中目標偵察提供了有利的條件。

海面上空氣象條件非常復雜，除了我們常見的穩定層外，還會出現由于海面上空的溫濕度變化、冷暖劇烈變化等造成的不規則層非相干散射傳播，該不規則層的出現沒有明顯規律，并且出現的時間不長，是海面上空對流層散射超視距傳播的主要方式。

2.3 基于大氣波導的超視距傳播探測

由于海面艦船目標的位置低，民用信號接收設備對海面目標的偵察距離嚴重受限，導致其探測的距離經常會出現異常變化，最遠可達上千公里。經過觀察，可以發現每年的7 月～11 月，在天氣晴朗的夜晚，尤其是19:00 ～22:00 時間段，民用信號接收設備經常出現探測距離的極大延伸或者范圍極大擴展，由于監視范圍的擴大或者距離延長，AIS 信號捕獲的目標成倍增加，這個時候，關聯的偵察系統，也會出現偵察距離或者偵察信號的增強，由于海面的艦船目標繁多，這就為海面大氣波導的形成范圍探測提供了非常有利的條件。

當民用信號接收設備出現海面目標探測距離異常變化的時候，我們發現其他系統的偵察監視能力也會相應大幅提升，當海上大氣波導形成時，某微波信號從平時的不到5dB，明顯增強到24dB 左右，其信號穩定度還與大氣波導的強度有著重要的關聯。通過民用信號接收設備的大氣波導探測能力，可以提高對大氣波導覆蓋范圍海面目標的偵察能力。由于AIS 信號頻段低，當利用AIS 信號接收設備探測大氣波導形成時，實際上更高頻段的大氣波導強度更高，其信號傳播的損耗更小，接收的效果更好。因此，利用AIS 接收設備探測大氣波導傳播的形成，可以覆蓋160MHz 以上頻段信號的大氣波導傳播的探測。

3 結論

民用信號在海面以及海面上空的廣泛應用，為周邊海域的超視距傳播探測提供了有力的技術手段，當前我們國家還沒有建立高級大氣折射率影響預測系統，因此，在沿海廣泛布設民用信號接收設備，通過組網形成覆蓋周邊海域的超微波超視距傳播實時探測系統，是一種快捷、廉價、有效的方式，可以為第一島鏈延伸到第二島鏈的超微波偵察監視提供實時、可靠的技術支持。當然，如何利用海上超視距傳播探測，規避敵方對我方超微波通信系統的偵察干擾，是今后需要繼續研究的重要課題。

引用

[1] 李學森,余健,邱德厚.岸基雷達的大氣波導特性及其影響分析[J].電子信息對抗技術,2012,27(1):73-77+82.

[2] 宋雪梅,朱旭東.對流層散射實現雷達信號超視距傳輸的研究[J].現代雷達,2011,33(7):9-11.

[3] 屈利平,張海勇,王華,等.基于散射/波導模式的艦船超視距通信分析與應用研究[J].通信技術,2021,54(1):9-18.

[4] 王明明,陸敏.大氣波導對艦載及岸基雷達的影響[J].雷達與對抗,2012,32(2):6-8.