海上超视距传播的探测

中国人民解放军海军潜艇学院 孙晓磊 李光明 谢杰荣

针对目前海上广泛存在的超微波超视距传播现象，利用民用信号接收设备对海上目标进行监视时信号接收距离以及范围的异常变化，可以实时探测超视距传播的形成。通过在沿海地区广泛布设民用信号接收设备，组网构建覆盖周边海域的超视距传播探测系统，为海上超微波信号的超视距侦察监视提供有力支撑，对于提升沿海超微波侦察监视系统的效能具有重要意义。

海上超视距传播主要是指超短波、微波等信号在大气折射率变化时，通过大气波导或者对流层散射进行超视距传播。对于超视距传播的探测，早在20 世纪60 年代就开始了研究，并且通过布设各种传感器，利用飞机、卫星等对大气折射率进行监测，建立了高级大气折射率影响预测系统，可以根据气象信息预测海上大气波导的形成等，该系统涉及大量的传感器，花费巨大，目前各类通信、雷达系统的作用范围仿真均基于该系统结合电子地图而开展。国内中国海洋大学、武汉大学、西安电子科技大学等高校在20 世纪90 年代开展了超视距传播探测的研究，主要是通过在海上或海岸施放传感器，或者通过GPS 掩星反演海上大气折射率，从而探测大气折射率变化，预测大气波导形成，这些方法探测的范围较小，并且准确率受到传感器精度的影响。

通过海上民用信号的接收进行超视距传播的探测，由于民用信号大多集中在超微波频段，并且这些信号广泛存在于海面以及海面上空，其接收设备价格低廉，性能优良，因此对于超视距传播的探测具有代价低、实时性好、探测范围大等优点，其缺点就是在台风天气下没有信号，无法进行有效探测。民用信号主要是指AIS、ADS-B、ACARS 等信号，民用信号接收设备具有对海空目标运行轨迹、航行状态以及目标属性等的监视能力。民用信号接收设备可以根据海空目标接收距离以及范围的异常变化，为超视距传播探测提供实时探测能力，我们可以根据探测结果，调整定向天线的方位或俯仰，提升沿海超微波侦察监视系统的效能。

1 超视距传播机理

超视距传播主要是指超微波经由对流层不均匀结构体的散射超视距传播或者出现大气波导时，超微波沿着大气波导的超远距离传播。对流层大气对无线电波传播的影响与大气本身的介电特性有关，主要反映在其相对介电常数或折射指数的变化，通常定义大气折射率来表征流层大气对传播效应的影响。

对流层中不同的大气折射，对应着不同的大气折射率或者修正折射率梯度，出现不同的电波传播，折射率的梯度和条件如表1 所示[1]。

表1 大气折射率梯度和条件Tab.1 Atmospheric refractive index gradient and conditions

1.1 对流层散射传播机理

对流层是各种无线通信系统的主要作用空间，其中的大气可对无线电波产生折射、发射和吸收效应，大气湍流还可引起无线电波的散射。对流层散射是大气折射率的不均匀分布和局部随机起伏引起的，但是至今该现象的物理机制仍然众说纷纭，目前被广泛认可的主要有三种传播机制，即湍流非相干散射、不规则层相干反射以及稳定层相干反射[2]。1960 年，Yeh 给出了对流层散射传播损耗公式[1]，如式（1）所示：

湍流非相干散射理论是由Booker 等人于1950 年提出的，该理论认为大气湍流中的各不均匀体对无线电波产生的二次辐射是超短波、微波超视距传播的主要原因[1]。在场强为E0的电波照射下，以Q点为中心的体积元dV将被极化而变得类似于一个元偶极子，向周围空间再辐射电波，按电磁理论，在距其r2远处的R点产生的相应的场强如式（2）所示：

稳定层相干理论认为，对流层可以按照介电常数随高度的变化分成一系列薄层，每层内介电常数值近似为常数，而在层与层之间的边界位置介电常数发生锐变，这些薄层会对无线电波进行部分反射，并且各反射分量间的振幅与相位有关，彼此相干，它们在接收点的相干叠加即为接收场。

湍流非相干散射理论由于理论性较强并且大多数试验论证与之相吻合，成为研究对流层散射传播的主流理论。不规则层非相干反射理论没有严格的理论依据，但是其计算结果与许多实验结果相一致。稳定层相干反射理论也缺乏严格的理论基础，但也有部分试验结果与之相符。因此通常认为，对流层散射是三种传播共同作用的结果，只是某种传播起着主导作用。

1.2 大气波导传播机理

大气波导形成的机理主要是水分蒸发和逆温过程形成陷获折射的气象条件，在适当的传播角度下，超微波信号陷获其中，传播损耗明显减小，从而让无线电波实现远距离超视距传播。大气波导可以分为蒸发波导、表面波导和抬升波导三种类型，而表面波导又有无基础层的表面波导和含基础层的表面波导两种类型[3]。

蒸发波导是海上常见的大气波导，当海水蒸发的时候，大气湿度随着高度的升高而骤降，从而形成较大的湿度梯度变化，这时就形成了蒸发波导的条件，蒸发波导本质上属于特殊的无基础层的表面波导类型。蒸发波导出现的概率相当高，对于海上无线电波的传播意义重大，是大气波导研究的重点。其传播模型如式（3）所示[4]：

表面波导的形成通常与大气逆温现象密切相关，当干暖气团从陆地流动到湿冷的海面上空时，近海面就会形成大气温度上冷下热，湿度下湿上干的环境，这种逆温环境使大气折射率出现较大负梯度，从而陷获一定频率的无线电波，实现超视距传播，其传播模型是由悬空的陷获层形成的符合实际数据的经验模型，其传播损耗如式（4）所示[4]：

抬升波导是一种陷获层的下边界在空中的悬空波导结构，它与表面波导形成的气象条件相似，它们之间在一定条件下可以相互转化，由于波导层较高，对高空无线电波的传播影响较大。抬升波导的情况比较复杂，目前还没有建立相应的传播模型。

2 超视距传播的探测

2.1 民用信号的接收概况

利用部署在某地的民用信号接收设备，在正常气象条件下，利用抛物面天线，对海上舰船目标的最大探测距离约为200km，对空中目标的最大探测距离达到550km。民用信号接收设备对空目标的监视范围是天线中心大约60°的范围，其空中目标的态势分布非常明显，副瓣的侦察监视距离大约300km，但是非常奇怪的是，位于该天线主瓣方向附近的民航飞机，却基本难以监测，这从侧面说明，该天线在主瓣方向上的俯仰角非常小，并未对准该空域高度的飞机航线，从而导致了侦察监视盲区。该系统对海上目标的侦察监视范围明显比空中目标的大，基本上可以达到180°，其主瓣方向为正东方向。对海侦察天线的方向图不是特别明显，尤其是主瓣与副瓣的分界线比较模糊，从民用信号接收设备的监视范围，也可以大致评估探测天线的基本性能。

2.2 基于对流层散射的超视距传播探测

在民用信号接收设备的侦察监视中，经过长期监视的积累，发现在监视区域下方1000 多公里的位置，根据飞机的飞行高度、设备位置的高度以及民用信号接收设备的监视范围，我们基本可以确定，是对流层散射形成的超视距传播现象。尤其是部分连续飞行轨迹，完全超出ADS-B 信号的接收范围，传播距离接近1000km，根据民航ADS-B 信号的大致功率可知其散射的传输损耗非常小，根据对流层散射的机理，可以确定其是稳定层相干反射为主的对流层散射传播。

根据分析以及实际的监视结果可以看出，在设备位置和出现连续轨迹的两点中间空域，存在可以反射信号的稳定层，但是其高度无法进行探测，但是也可以为超微波侦察系统的超视距侦察提供有力的技术支持。该稳定层长期存在，可为我们的超微波侦察系统提供超视距探测的媒质，尤其是以上两个位置为我们对该区域的空中目标侦察提供了有利的条件。

海面上空气象条件非常复杂，除了我们常见的稳定层外，还会出现由于海面上空的温湿度变化、冷暖剧烈变化等造成的不规则层非相干散射传播，该不规则层的出现没有明显规律，并且出现的时间不长，是海面上空对流层散射超视距传播的主要方式。

2.3 基于大气波导的超视距传播探测

由于海面舰船目标的位置低，民用信号接收设备对海面目标的侦察距离严重受限，导致其探测的距离经常会出现异常变化，最远可达上千公里。经过观察，可以发现每年的7 月～11 月，在天气晴朗的夜晚，尤其是19:00 ～22:00 时间段，民用信号接收设备经常出现探测距离的极大延伸或者范围极大扩展，由于监视范围的扩大或者距离延长，AIS 信号捕获的目标成倍增加，这个时候，关联的侦察系统，也会出现侦察距离或者侦察信号的增强，由于海面的舰船目标繁多，这就为海面大气波导的形成范围探测提供了非常有利的条件。

当民用信号接收设备出现海面目标探测距离异常变化的时候，我们发现其他系统的侦察监视能力也会相应大幅提升，当海上大气波导形成时，某微波信号从平时的不到5dB，明显增强到24dB 左右，其信号稳定度还与大气波导的强度有着重要的关联。通过民用信号接收设备的大气波导探测能力，可以提高对大气波导覆盖范围海面目标的侦察能力。由于AIS 信号频段低，当利用AIS 信号接收设备探测大气波导形成时，实际上更高频段的大气波导强度更高，其信号传播的损耗更小，接收的效果更好。因此，利用AIS 接收设备探测大气波导传播的形成，可以覆盖160MHz 以上频段信号的大气波导传播的探测。

3 结论

民用信号在海面以及海面上空的广泛应用，为周边海域的超视距传播探测提供了有力的技术手段，当前我们国家还没有建立高级大气折射率影响预测系统，因此，在沿海广泛布设民用信号接收设备，通过组网形成覆盖周边海域的超微波超视距传播实时探测系统，是一种快捷、廉价、有效的方式，可以为第一岛链延伸到第二岛链的超微波侦察监视提供实时、可靠的技术支持。当然，如何利用海上超视距传播探测，规避敌方对我方超微波通信系统的侦察干扰，是今后需要继续研究的重要课题。

引用

[1] 李学森,余健,邱德厚.岸基雷达的大气波导特性及其影响分析[J].电子信息对抗技术,2012,27(1):73-77+82.

[2] 宋雪梅,朱旭东.对流层散射实现雷达信号超视距传输的研究[J].现代雷达,2011,33(7):9-11.

[3] 屈利平,张海勇,王华,等.基于散射/波导模式的舰船超视距通信分析与应用研究[J].通信技术,2021,54(1):9-18.

[4] 王明明,陆敏.大气波导对舰载及岸基雷达的影响[J].雷达与对抗,2012,32(2):6-8.