大气波导对某系统作战效能的影响分析

0 前言

某型系统在进行试验时，跟踪雷达俯仰精度超差。后经某电波传播研究所确认，试验时，试验区存在较强的大气波导是跟踪雷达俯仰精度超差的根本原因。因此掌握大气波导对系统作战效能产生的影响，将有利于针对战场环境制定相应的作战方案，从而提高装备的作战能力。

1 大气波导

大气波导是指电磁波受大气折射的影响，使传播轨迹发生弯曲。正常折射条件下电磁波在大气中是弯向地球的，当弯向地球的电磁波轨迹的曲率超过地球的曲率时，电磁波将部分陷获在地球表面和一定高度的大气层内传播，就如同电磁波在金属波导中传播一样，这种现象就是大气波导现象。

大气波导可分为悬空波导、表面波导和蒸发波导。不同的气象条件会形成不同种类的大气波导，特别是蒸发波导是由水蒸气的蒸发所形成的，几乎所有海域的任意时间都有可能出现。以东经100°～140°，北纬0°～40°的海域为例，海上蒸发波导的出现概率高达85%以上，高度一般在15m 左右。而其他类型的低空大气波导依据地区不同其出现概率也在10%～40%，厚度在60～150m之间。

当存在大气波导时，电磁波却不一定都能形成波导传播，因为在特定气象条件下产生的大气波导能否将在大气中传播的电磁波捕获到波导层中形成波导还要取决于该电磁波的波长（频率）、发射源与大气波导所处的相对位置以及发射源的发射角度。电磁波受大气波导的影响产生的条件是：

（1）近地层某一高度必须存在大气波导。

（2）电磁波的频率必须高于最低陷获频率。

（3）电磁波的发射源必须位于大气波导层内。

（4）电磁波的发射仰角小于临界仰角产生全反射，大于临界仰角产生折射。

2 大气波导对跟踪雷达精度的影响

结合系统在进行试验时，跟踪雷达俯仰精度超差这一问题现象，分析大气波导对跟踪雷达精度的影响。

做出检飞时跟踪雷达俯仰角与真值的一次差曲线，如图1 所示，可以看出跟踪雷达的俯仰精度误差在远距误差较大，阶跃下降，在近距误差逐渐变小。

图1 跟踪雷达俯仰角一次差曲线（三次进入）

根据试验当天气象数据对大气波导进行分析，给出当天的大气波导分布情况，在试验区域内存在有较强的蒸发波导，高度约20m，同时存在表面波导，高度约100～150m。

蒸发波导，表面波导的存在会使电磁波在不同的介质中传播，当电磁波在两个不同的介质中传播时会发生折射现象，如图2 所示。当电磁波从密介质进入疏介质时，随入射角逐渐变大，折射也会变大，当入射角增大到临界角时，折射角将达到90°，这时疏介质中将不再发生折射现象；当入射角大于临界角时电磁波全部返回密介质中发生全反射现象。全反射的条件是：

图2 电磁波全反射

（1）电磁波必须由密介质射向疏介质。

（2）入射角必须大于或等于临界角。

雷达跟踪目标时，大气波导会使电磁波发生折射或反射，导致雷达跟踪俯仰角大于真实目标俯仰角。远距时电磁波受蒸发波导折射和表面波导反射的共同影响，因此雷达的俯仰角误差大；近距时电磁波主要受蒸发波导折射影响，因此俯仰角误差逐渐减小。这与图1 的俯仰角一次差曲线趋势基本一致。

依据电磁波在大气波导中传输的物理现象，通过对蒸发波导和表面波导的影响分析，说明雷达在远距俯仰误差较大，阶跃下降和近距误差较小的原因。

2.1 远距俯仰误差较大，出现阶跃下降

由于同时存在蒸发波导和表面波导两种波导，雷达电磁波要从高、中、低三种不同密度的介质中传输，如图3 所示。由于目标飞行高度为80m，在蒸发波导之上，表面波导之下，雷达跟踪目标时电磁波在蒸发波导内只存在折射，在表面波导内存在全反射和折射。

图3 表面波导使电磁波反射

远距时，电磁波首先通过低层的蒸发波导区A（密介质），通过a 点折射，进入表面波导区B（疏介质）；电磁波在表面波导区B 继续传输，当到达表面波导边界b 点，被全反射向下传播，到达目标c 点。目标反射回波沿原路径返回，到达雷达天线，导致雷达观察到d 点的虚假目标，所测俯仰角为α，而目标真正的俯仰角为θ，从图3 中可以看出，雷达所测角度大于实际角度；两种波导叠加时的俯仰角比仅有蒸发波导或表面波导单独存在时的俯仰角还要高，所以远距俯仰误差较大。

文章来源：《系统科学学报》 网址: http://www.xtkxxb.cn/qikandaodu/2021/0220/369.html