海洋无线电装备电波环境信息保障技术

康士峰，曹仲晴，李建儒

（中国电波传播研究所，山东青岛266107）

专题——电波环境与传播新技术研究

海洋无线电装备电波环境信息保障技术

康士峰，曹仲晴，李建儒

（中国电波传播研究所，山东青岛266107）

主要分析了海洋电波环境对海上雷达、通信、导航、电子对抗等无线电系统的影响，论述了海上信息化装备电波环境保障系统的组成和功能，提出了技术途径和实现方法。

海洋；电波环境；无线电装备；信息保障

海洋占地球总面积的70.8%，海洋对人类和生物界的形成、演化和社会发展起着巨大的作用，我国拥有绵长的海岸线、广阔的海域和众多的岛屿，维护海洋权益、保护海洋资源、探索海洋开发利用对我国国防建设和经济发展具有特别重要的意义。海洋电波环境是指影响信号传播的海洋大气水文环境以及人为或自然背景辐射的电磁干扰或噪声的集合，该空间包括岸-海、水下、海表、岛礁、大气（海洋边界层、对流层、中高层、电离层）等。其时空变化对电波产生的吸收、散射、折射等传播效应将导致无线电信号的衰减、射线弯曲、闪烁衰落、多径时延、去极化、反常传播等，海洋电波环境对雷达、通信、导航、遥感、测控等无线电系统和装备具有重要影响，如海杂波会影响雷达目标信号检测；电波折射会引起系统覆盖区域的变化、降低定位精度（测距、测速、测角）；信号衰减和衰落会恶化系统信噪（杂）比，导致信息系统作用距离减小、传输质量下降或者中断；反常传播可导致系统间干扰，产生系统作用盲区。同时，利用散射和大气波导也可实现远距离超视距信息传输和目标探测。随着电子信息系统硬件水平的不断提高，电波环境已成为影响和制约无线电信息装备作战效能的关键因素，已成为与气象水文、地理信息一样重要的战场环境。

中国近海包括渤海、黄海、东海和台湾以东海域，自北向南呈弧状分布，太阳辐射在不同纬度上的差异使得中国近海自南向北分属热带、亚热带和温带三个不同气候带。因此，我国海域的海洋环境十分复杂，海洋电波环境也存在很大差异，呈现不同特点，例如南海地处低纬度地区，属于热带海洋气候，对流层和电离层环境复杂多变，既是对流层降雨和大气波导高发区，也处于电离层变化驼峰区。对海洋环境自身物理特性和运动变化及其对全球气候的影响、海洋资源等已进行了长期观测和研究，例如海洋水体温度和盐度的变化、海洋水文气象要素的调查、海洋风浪和重力波的运动、海洋潮汐涨落、台风形成、海洋能源探测、海洋渔业资源分布等，为舰船航海安全、渔业生产、资源利用等提供了一定的支持和保障。目前对海洋环境只能利用有限的岸基/岛礁海洋观测站、海洋调查船或志愿船、海洋浮标进行观测，对大范围海洋的观测必须依赖于空/天基遥感，环境探测参数的时空分辨率和数据精度受到局限，需要不断提高海洋环境观测的实时性和精细化水平。在此基础上，海洋电波环境观测与研究通过对海洋环境及其电波传播效应进行机理分析、海上测试、统计建模、数值仿真、效应评估，为海上无线电信息系统和装备的应用提供了技术支撑和保障。文中分析了海洋电波环境对海上电子信息装备的影响，论述了海洋电波环境特别是海洋大气波导探测、预报、效应评估的重要作用，提出了海洋电波环境信息技术的发展途径，可为我国海洋环境信息保障体系的建设提供参考。

1 海洋电波环境及其对信息化装备的影响

海洋电波环境的空间范围包括海下、海面、对流层大气、临近空间、电离层及外层空间，具有不同尺度及时变特性，影响着海洋区域各类信息化系统和装备的运行。包括军民用岸基/船载/潜基/空基/天基雷达、通信、导航、遥感、测控、电子对抗等系统，影响海上视距/超视距目标探测、水下/海上远距离通信、海洋遥感、导航定位、遥测遥控、电子战等功能的实现，见表1。

表1 电波环境空间与效应

以雷达系统及其海杂波、海上大气波导环境为例进行分析。岸基/船载雷达用于探测、监视、跟踪、识别海面和空中目标，一般工作于超短波和微波频段。雷达海面回波即海杂波将对海面和空中目标回波信号产生干扰，频段越高、分辨率越低，杂波干扰越严重。同时雷达波束经海面反射还将产生多径传播效应，使雷达波瓣发生干涉分裂，增强或减弱目标处的雷达波强度，影响雷达的探测距离。海上机载下视雷达海杂波影响更为严重，必须采取有效的杂波抑制方法如对回波进行时空二维自适应处理（STAP）来减小杂波的影响。深入认识雷达海杂波特性可以最大程度地发挥雷达在海洋电波环境中的目标探测性能，如动目标显示（MTI）滤波器设计需要掌握区别于目标运动特性的杂波动态谱特性，恒虚警率（CFAR）处理器设计需要掌握不同频段海面的杂波幅度统计特性规律。海杂波的回波强度可以采用雷达散射截面或后向散射系数来表示，由于海洋环境存在动态随机变化，传统上采用统计经验建模方法得到雷达杂波起伏的统计均值、中值或百分位值以及概率密度、累积分布等，它是雷达参数、海面物理和几何特性的函数，其中雷达参数包括波长、极化、分辨率、入射方向和擦地角等。通过雷达海杂波特性研究，进一步优化设计雷达系统硬件模块和信号处理算法，确定雷达环境自适应工作模式。另外，海洋大气中不同强度的对流层降雨现象十分频繁，降雨对电波传播的体散射效应也会产生雨杂波干扰，影响空中目标雷达探测。

海洋大气还会对电波传播产生超折射效应，显著改变电波传播的路径，使电波路径发生弯曲，如图1所示。特别是低仰角情况下大气折射更加严重，甚至产生海洋大气波导现象，对雷达探测目标的距离和仰角造成误差，影响雷达的探测精度，必要情况下必须进行误差修正。

图1 电波射线大气折射路径

式中：p为大气压力，hPa；T为大气热力学温度，K；e为水汽分压，hPa。

大气参量是随空间和时间变化的随机函数。随机不均匀介质中的电波传播问题归结为求解随机波方程，对流层大气对电波传播的影响主要体现在大气不均匀性对电波的折射和散射效应，折射类型和条件见表2。大气折射率N或大气修正折射率M对高度z的梯度关系式为：

表2 大气折射类型与条件

对流层大气波导是在对流层大气中形成的一种可以实现电磁波超视距远距离传播的特殊超折射大气层状结构，在一定条件下，可以利用它实现超短波、微波频段的超视距探测和通信，扩大无线电信息系统的作用距离或覆盖范围。同时大气波导也可能改变正常电波传播路径，在某些空间区域产生探测空洞或通信盲区。海洋大气波导特别是蒸发波导经常发生或永久存在，在海洋大气波导存在的情况下，雷达超视距探测或微波通信距离可以数倍于视距（如达到200～500 km），如图2所示。

图2 海上雷达电波超视距传播

对流层大气波导形成雷达超视距目标探测需要满足的基本条件包括：天线和目标应位于波导层内或紧靠波导层附近，雷达发射波和目标回波可以耦合入大气波导；波长应小于最大陷获波长或频率应高于最低截止频率；电波传播仰角应小于某一临界仰角。

例如，对于C波段雷达，若发射功率为300 kW、天线增益为30 dB、高度为10 m、脉冲宽度为1.5 μs、系统损耗为3 dB、接收机噪声系数为5 dB、目标雷达散射截面为100 m2、虚警概率为10-8，则在标准大气和表面波导环境中，雷达对高度-距离空间的覆盖区域如图3所示。

图3 雷达目标探测区域及覆盖盲区

在标准大气环境中，由于地海表面反射和散射造成的多径干涉效应，雷达波即使在近距离视距区域也可能存在波瓣分裂盲区。在表面波导环境中，雷达可以探测到超视距远距离的目标，但也可能会产生不同形态的表面波导顶部盲区，同时电波反复折射还会形成跳跃状盲区。在不同的大气波导层结特征高度和强度条件下，雷达超视距范围及探测盲区也将有所不同。

对流层大气波导效应可以充分运用于战场作战规划或指挥辅助决策，一般情况下攻击机在穿透对方防御阵地时尽量保持低空飞行，以使自己保持在对方雷达波束覆盖范围下方，然而对于低空波导条件，对方可以对在大气波导中飞行的目标比对在较高高度飞行的目标获得更远的探测能力。因此，掌握低空波导是否存在及其存在高度信息可以使作战时选择最佳的穿透高度，即飞行高度位于大气波导之上。在飞行侦察任务中一般要求低空飞行且高度尽可能低，使飞行器位于对方雷达盲区范围内，但是在大气波导情况下，并不是高度越低越好，若飞行高度位于波导内则比高于波导情况被敌方探测到的概率还要大。

海上电子对抗中同样需要考虑大气波导效应的影响。例如，在标准大气环境中，电子干扰机必须位于较高的有利位置才能获得较远的、有效的电子干扰距离。当存在大气波导环境时，电子干扰机可以调整自身位置到适当的大气波导层内，其释放的干扰效果就会大大增强。另一方面，由于大气波导并没有严格的边界，雷达从大气波导内向雷达盲区泄露或经海面反射出的电波能量对雷达目标探测来说可能显得太微弱，但是对电子支援系统信号检测来说强度则可能是足够的，因此在这种情况下容易使雷达或目标暴露。

2 海洋电波环境探测、预报和评估

海洋电波环境对海上无线电信息系统和武器装备的影响十分显著，因此，需要深入认识和掌握海洋电波环境的特性和规律。海洋气象与水文要素的探测是海洋电波环境研究的基础，通过对海洋大气温度、湿度、气压、风速风向、辐射和云雨、海温、波高等要素进行系统、连续或特定海域的观测，可为电波环境建模和预测预报提供数据资料。大气与海洋参数的探测主要有直接探测和遥感（间接）探测两种类型。直接探测方法利用传感器感应元件与环境变化相互作用的物理或化学原理，直接测量环境参数；遥感探测则依据声、光、电信号在大气和海洋环境中传播所经历的信号特性变化，反演与之相关的大气和海洋要素。遥感探测可分为主动遥感和被动遥感两种方式，主动遥感方法利用测量环境对声光电信号的吸收、散射、反射或折射等传播效应进行反演，被动遥感则直接测量与环境要素直接相关的声光电信号计算环境参数和特性。

雷达海面杂波研究的主要途径是通过岸基/船载、机载等测试平台开展实际测量和分析建模。岸基/船载微波散射计适合研究中小尺度均匀海面，分析地海面电磁散射特性的物理机制并建模；机载或星载散射计则适合于研究大范围大尺度海面散射的统计特性。在雷达技术进步和军事需求的牵引下，海杂波研究的重点需要更大程度地满足武器装备发展和环境自适应作战模式，例如，随着高精度毫米波雷达的应用，高分辨率和小擦地角杂波的海面散射特性同雷达波束单元海面照射的局部特征和动态变化特性关系很大，散射机制呈现与低分辨率情况存在较大的差别，需要采用不同的数值算法和统计模型来分析。

对流层大气波导的产生和变化与海-气边界层的气象水文参数密切相关，且具有明显的不同时空尺度和海域局部特征，如图4所示。大气波导形成的物理机制主要包括水汽蒸发过程和各种逆温过程，主要海-气作用及天气学过程类型包括：海水快速蒸发；反气旋性下沉运动；大气锋面下沉运动；陆地夜间辐射冷却；平流运动如海陆风过程等。大气波导探测需要直接或间接获取大气折射率垂直剖面并根据垂直梯度特征进行判别。其中，蒸发波导可利用小型微波折射率仪、气象梯度仪、低空大气探测系统等测量设备进行探测；表面波导和悬空波导则可采用小型微波折射率仪、低空大气探测系统和高空大气探测系统进行探测。

图4 海洋大气层及大气波导

近年来许多新技术已应用到对流层大气波导探测中，如基于GNSS信号对低层大气结构的探测反演和利用雷达海面回波反演大气波导剖面等。大气波导直接探测和遥感探测技术各有优缺点，直接测量的精度较高，但是一次只能实现单点探测，且耗费人力物力。遥感测量可以实现快速、区域反演探测，应用方便，但精度较差。随着遥感反演技术的发展，遥感测量反演精度逐步提高，大气波导遥感探测技术在大气波导探测领域将发挥越来越重要的作用。

国际上在利用数值天气模式和天基遥感信息预测预报近海面大气温湿结构、海面温度、风速风向等方面已开展了大量研究。美国海军研究生院（NPS）研发的预报系统利用卫星遥感信息估算云顶高度，进而预报悬空波导的位置、尺度和强度等特征。随着中尺度数值天气预报技术的不断进步和对海-气耦合过程认识的不断深化，考虑模式初始化、大气边界参数化方案和次网格尺度的影响，利用中尺度海-气耦合模式预报大气折射率三维空间结构、预报海洋大气环境对电波传播的影响已经可以实现。利用中尺度模式预报大气折射条件将是定量获取三维空间大气环境折射指数、预报海洋大气环境对电磁波传播影响的最有希望的手段之一，例如美国海军业务化区域大气预报系统（NORAPS）已用于对流层大气折射率预报。

对流层大气波导是一种由特定对流层气象条件产生的具有一定水平扩展性和垂直分布的特殊大气层结，在满足一定传播角度和频率的前提条件下，电波可以在其中通过折射和反射作用实现超视距传播。大气波导不仅可以扩展雷达的探测距离和范围，同时它对大气波导边界附近的发射机和接收机也有较大影响。例如，当雷达位于大气波导内或波导边缘时，正常条件下可以被探测到的空中目标。在大气波导存在时，如果位于波导之上，则可能无法被发现；目标即使位于波导之内，由于波导内形成的多径传播效应，也可能无法被探测到。以上这些复杂的电波传播效应需要结合实际的电波环境参数进行定量评估。

电波传播损耗预测目前主要是基于测试数据的经验性统计预测和基于抛物波方程的数值方法预测。在电波传播预测预报模型和算法基础上，使用电波环境效应预测结果，可以综合评估传播损耗、多径干涉和杂波干扰等影响。例如，结合雷达系统参数、目标检测概率和虚警概率的要求可得到最小可检测信号功率，再根据雷达最小可检测信号功率得到可允许的最大路径损耗，然后利用传播损耗空间分布得到随高度变化的雷达最大作用距离覆盖图。另外，针对海洋水下电磁目标探测和通信，需要研究海洋环境电波传播和目标电磁扰动理论、海洋背景电磁噪声时空分布特性并建立典型区域海洋电磁环境模型等。

3 海洋电波环境信息保障技术

我国广阔海域尚缺乏海洋电波环境探测、预报和评估的必要基础设施和基本保障能力，获得海洋电波环境时空变化特征、评估大气电波环境对海上我军信息化装备和民用信息系统的影响，可为作战决策部门和信息系统运行提供有力的技术支撑。由于海洋电波环境及其效应对海上无线电信息系统和装备性能影响很大，因此构建海洋电波环境信息技术体系对保障我国海洋权益、资源开发和提升复杂海洋环境条件下我军信息化协同作战能力具有重要现实意义。

海洋电波环境信息技术体系构建应包括基础层和应用层两大部分。基础层作为海洋电波环境研究与应用的重要支撑，需要依托海洋局、气象局或自主、专项建设的海洋环境基础设施和海洋电波环境监测手段（如岸基、岛礁、船载、无人机平台），形成多源数据信息共享的军民融合体制，组成多手段、立体化、高时空分辨区域覆盖监测网络，对海洋电波环境全要素进行实时、连续、长期的数据采集，形成海洋电波环境数据库，利用观测数据和海洋学、气象学、电波传播理论建立海洋电波环境预测模型，结合数值模式和算法预报海洋电波环境状态演变和影响。应用层则以海洋维权、军事作战、经济发展需求为牵引，在基础层的支持下，构建海上无线电信息系统电波环境保障应用，对海洋电波环境的影响效应进行量化评估并提出辅助规划和决策信息，以硬件嵌入或软件集成的方式，使电子信息装备自适应海洋电波环境变化，使系统达到最佳性能状态。同时，通过对海洋电波环境及其效应的准确预报，对未来海上信息系统的应用提供任务规划和效能评价。

海洋电波环境信息保障系统应实现对电波环境实时监测和预报数据的分析处理、态势分析、影响评估以及辅助决策支持等功能，如图5所示。

图5 电波环境保障系统组成

电波环境作战辅助决策分系统基于电波环境信息和效应评估模型预测的传播参数，结合雷达、通信、电子侦察、电子对抗等信息化系统作战应用，分析电波环境对海上信息化系统性能的影响。主要包括电波环境影响态势信息、作战预案制定、战术应用规划。电波环境效应评估分系统基于电波环境分析预报数据，结合信息化装备参数，评估电波环境对无线电传播的各种效应。主要包括大气波导传播损耗和射线描迹预；对流层散射信道特性；降雨衰减；电离层扰动影响和闪烁衰落；短波电离层传播损耗、射线描迹。电波环境分析预报分系统对电波环境信息数据进行处理和分析，根据海洋信息化装备环境保障需要，对某一范围某一时段电波环境变化作出分析预报。主要包括大气波导、湍流区域信息；对流层三维大气折射率、降水环境信息；电离层扰动、闪烁信息；电离层电子密度剖面信息。电波环境信息保障系统数据库主要包括电波环境历史数据、实时监测的原始数据。主要包括太阳、地磁、电离层、对流层、海洋和海下等环境数据，各类雷达装备、通信装备、侦测装备、对抗装备、导航定位装备等系统的工作频率、发射功率、天线参数等，为信息化系统装备提供数据支持。

4 结语

海洋电波环境对无线电信息系统具有重要影响，发展海洋电波环境保障技术，建立海洋信息化装备电波环境保障系统，分析预测海洋电波环境变化对海上信息化武器装备的影响，为海上作战指挥和信息化装备战术应用、作战效能仿真、评估等提供辅助决策支持和评估手段，对海上作战任务规划、评估信息化武器装备能力、执行信息化作战使命、保护海洋作战资源、提升基于信息系统体系作战能力具有重要的支撑作用，对海军基于信息系统体系作战能力的生成和提升具有重要意义。

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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，研究员，主要研究方向为电波环境分析与预报、超视距传播、微波遥感等。