本發(fā)明屬于艦船電磁兼容性預(yù)測領(lǐng)域，具體涉及一種考慮近海面大氣環(huán)境影響的編隊內(nèi)雷達遠場預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

隨著海軍新型裝備的發(fā)展，艦船編隊已成為海軍艦船的主要運用方式，用于充分發(fā)揮各艦船的作戰(zhàn)能力。隨著各種雷達發(fā)射功率的增大、頻譜的擴寬、用頻裝備數(shù)量的持續(xù)增加等因素，海上編隊內(nèi)電磁環(huán)境越發(fā)越復(fù)雜，平臺間的電磁干擾問題變得異常復(fù)雜。否則，一旦存在電磁干擾，勢必破壞編隊整體的作戰(zhàn)能力，嚴重影響海軍遂行作戰(zhàn)任務(wù)。為使編隊各平臺能在復(fù)雜的編隊內(nèi)電磁環(huán)境下十分可靠而密切協(xié)調(diào)地工作，必須消除整個編隊系統(tǒng)各大功率雷達設(shè)備和高靈敏度敏感設(shè)備相互干擾帶來的影響，即保證整個系統(tǒng)的電磁兼容性。

為此，就需要針對編隊內(nèi)電磁環(huán)境主要因素的雷達，建立雷達編隊內(nèi)遠場計算方法，準(zhǔn)確預(yù)測編隊內(nèi)大功率雷達在高靈敏度敏感設(shè)備處的電磁環(huán)境，進而分析敏感設(shè)備干擾響應(yīng)，為控制電磁干擾，妥善解決電磁兼容性問題奠定基礎(chǔ)?？紤]到艦載雷達安裝高度限制，雷達輻射場在編隊內(nèi)電磁環(huán)境時極易受到近海面反射、散射等影響，在編隊內(nèi)艦載雷達遠場計算模型中必須適當(dāng)考慮近海面反射、散射等影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有電磁干擾分析存在的上述不足，提供一種考慮近海面大氣環(huán)境影響的編隊內(nèi)雷達遠場預(yù)測方法，能夠通過建立考慮了近海面粗糙海面反射、近海面大氣環(huán)境參數(shù)影響的電磁波前向傳播模型預(yù)測觀測點處雷達遠場強度，能為編隊電磁兼容分析提供環(huán)境參數(shù)，用于電磁干擾分析。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

考慮近海面大氣環(huán)境影響的編隊內(nèi)雷達遠場預(yù)測方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)編隊內(nèi)輻射源雷達安裝高度位置和雷達方向性特征，計算雷達初始場分布；

(2)根據(jù)雷達信號特點，建立近海面大氣折射率模型；

(3)根據(jù)輻射源雷達和觀測點相對位置、編隊雷達傳播路徑上的大氣折射率模型，建立編隊雷達電磁信號前向傳播模型，利用二維拋物線算法計算考慮近海面大氣影響的傳播衰減因子；

(4)最后結(jié)合艦載雷達方向圖特征，求解編隊內(nèi)遠場處的電磁環(huán)境，根據(jù)考慮近海面大氣影響的傳播衰減因子，計算觀測點處的預(yù)測場強。

按上述方案，所述步驟(1)具體為：

設(shè)編隊內(nèi)輻射源方向圖函數(shù)為A(α)，天線架設(shè)高度為H_t，那么雷達在x₀位置處沿高高度方向z方向上的初始場分布u(x₀,z)計算公式如下：

ε′_r＝ε_r+j60σλ (1c)

其中：k₀＝2π/λ為自由空間傳播常數(shù)；λ為電磁波波長，為已知量；α為天線仰角，為已知量；R_||or⊥為海面垂直或水平反射系數(shù)；p＝k₀sinα為自由空間傳播常數(shù)在天線仰角方向上的投影；z為雷達高度方向上離地高度；ε′_r為復(fù)相對介電常數(shù)，ε_r＝ε/ε₀為媒質(zhì)的相對介電常數(shù)，為已知量，ε和ε₀分別為媒質(zhì)和真空的介電常數(shù)，σ為海水電導(dǎo)率，為已知量。

按上述方案，所述步驟(2)具體為：

將大氣折射指數(shù)n簡化為只與離地高度z相關(guān)的函數(shù)，即n＝n(z)；

采用大氣折射率N來反映大氣結(jié)構(gòu)，大氣折射率N與大氣折射指數(shù)n之間的關(guān)系為

N＝(n-1)×10⁶ (2)

即n＝N/10⁶+1；

考慮到編隊內(nèi)雷達輻射源遠場計算在水平高度上在幾十米高度范圍內(nèi)，根據(jù)近海面大氣球面分層的特點，對編隊雷達傳播路徑上的大氣折射率建立線性模型，大氣折射率N為只與離地高度z相關(guān)的函數(shù)，即N＝N(z)，具體模型如下：

其中：N₀為地面折射率，為已知量，dN/dz為大氣折射率N在離地高度z上的梯度，z的單位為km；當(dāng)dN/dh≈-40N/km時，就是所謂的標(biāo)準(zhǔn)大氣環(huán)境。

按上述方案，所述步驟(3)具體包括如下步驟：

1)建立編隊雷達電磁信號前向傳播模型；

在二維直角坐標(biāo)系下，若雷達電磁信號為水平極化波，則只有非零的電場分量E_y；若雷達電磁信號為垂直極化波，則只有非零的磁場分量H_y；因為不管電場分量E_y或磁場分量H_y均滿足二維標(biāo)量波動方程，為了獲得通用的前向傳播模型，定義二維標(biāo)量波動量ψ(x,z)＝H_yorE_y；那么在電波傳播過程中，ψ(x,z)滿足以下二維標(biāo)量波動方程：

式中，為媒質(zhì)折射指數(shù)，直角坐標(biāo)系中，求解波動方程(4)所用的諧函數(shù)通常為e^-jkx形式，因此，定義沿x軸正向傳播的波函數(shù)為

將式(5)帶入式(4)中，得到：

考慮到編隊雷達電磁信號傳播過程中，媒質(zhì)折射指數(shù)n(z)幾乎不隨距離x變化，即則將式(6)分解為兩個關(guān)于距離x的拋物方程：

式中，Q稱為偽微分算子，且

式(7a)就是直角坐標(biāo)系下的編隊雷達電磁信號前向傳播的二維拋物線方程，即是編隊雷達電磁信號前向傳播模型；式(7b)是直角坐標(biāo)系下的編隊雷達電磁信號后向傳播的方程，對研究編隊雷達信號傳播衰減沒有意義，不再進行分析；

2)對于式(7a)，利用傅立葉變換，得到(7a)的分布傅立葉解為下式：

其中，Δx為電波傳播方向上網(wǎng)格剖分尺寸，為已知量；

針對式(8)，建立算法流程，具體計算過程如下：

①利用式(1a)，計算雷達初始場分布u(x₀,z)；

②利用傅立葉變換，求解輔助變量T(x₀,p)，F(xiàn)(·)表示傅立葉變換：

③利用傅立葉逆變換，求解輔助變量TT(x₀,z)，F(xiàn)^-1(·)表示傅立葉變換：

TT(x₀,z)＝F^-1(T(x₀,p)) (10)

④計算x₀+Δx處的u(x₀+Δx,z)：

這樣就由雷達初始場分布u(x₀,z)計算雷達信號傳播到x₀+Δx處的場分布。

⑤重復(fù)步驟②～④迭代步進到擬計算位置處的場，即獲取整個計算區(qū)域內(nèi)的場分布u(x,z)；上述迭代過程中指數(shù)項反映了路徑上障礙物對雷達電磁信號的繞射作用，反映了近海面大氣媒質(zhì)對電磁波的發(fā)射、折射效應(yīng)；

⑥根據(jù)公式(11)計算考慮近海面大氣影響的任意觀測點處傳播衰減因子PL(x,z)

PL(x,z)＝|u(x,z)/u(x₀,z)| (12)

其中u(x,z)為觀測點處的歸一化場強(針對輻射源功率和增益的歸一化場強)。

按上述方案，所述步驟(4)具體為：

假設(shè)雷達功率為P，觀測點方向上增益為G，雷達距離觀測點距離為R，那么觀測點(x,z)處的實際場強E(x,z)為：

本發(fā)明的有益效果：

1、本發(fā)明不依賴于艦載雷達天線的類型，任何天線類型均可采用本計算方法來快速預(yù)測雷達天線遠場處的場強。

2、本發(fā)明通過大氣折射率模型和海面邊界條件模型，充分考慮了近場面大氣折射、反射等對艦載雷達遠場分布的影響。

3、本發(fā)明建立的考慮了近海面影響的艦載雷達遠場計算方法，和全波數(shù)值預(yù)測方法相比，能從物理層面揭示了艦載雷達遠場受海面影響的物理機制。

附圖說明

圖1是編隊雷達在海面上反射示意圖；

圖2是編隊雷達電磁信號傳播模型分布傅立葉計算流程圖；

圖3是近海面大氣引起的傳輸因子圖；

圖4是隨敏感設(shè)備(觀測點)高度變化的場強分布圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細的描述。

本發(fā)明所述的考慮近海面大氣環(huán)境影響的編隊內(nèi)雷達遠場預(yù)測方法，包括如下步驟：

(1)根據(jù)圖1所示的編隊雷達在海面上反射示意圖，得到編隊內(nèi)輻射源雷達安裝高度位置，編隊內(nèi)輻射源方向圖函數(shù)為A(α)，天線架設(shè)高度為H_t，計算雷達在x₀位置處沿高度方向z方向上的初始場分布。

(2)根據(jù)雷達信號特點，建立近海面大氣折射率模型；

考慮到雷達電磁信號編隊內(nèi)傳播會受到近海面分層大氣的影響，這種影響用大氣折射指數(shù)n來描述，一般來說，大氣折射指數(shù)n具有非均勻的空間分布，這就使得無線電波在大氣中的傳播速度要小于光速，并呈現(xiàn)相應(yīng)的空間變化，從而引起波陣面的偏轉(zhuǎn)；

大量的測試表明，近海面大氣在垂直方向的變化要比其在水平方向的變化大1至3個量級，因此，在編隊距離范圍內(nèi)，可以忽略大氣水平方向的變化，而將近海面大氣視為球面分層結(jié)構(gòu)，從而大氣折射指數(shù)n簡化為只與離地高度z相關(guān)的函數(shù)，即n＝n(z)；

盡管大氣折射指數(shù)n分布各異，但通常都非常接近于1，一般來說，海面上n≈1.00026～1.00046之間；為了便于研究和應(yīng)用，通常采用大氣折射率N來反映大氣結(jié)構(gòu)；考慮到編隊內(nèi)雷達輻射源遠場計算在水平高度上在幾十米高度范圍內(nèi)，根據(jù)近海面大氣球面分層的特點，對編隊雷達傳播路徑上的大氣折射率建立線性模型，大氣折射率N為只與離地高度z相關(guān)的函數(shù)，即N＝N(z)。

(3)根據(jù)輻射源雷達和觀測點相對位置、編隊雷達傳播路徑上的大氣折射率模型，建立編隊雷達電磁信號前向傳播模型，編隊雷達電磁信號傳播模型分布傅立葉解計算流程如圖2所示，利用二維拋物線算法計算考慮近海面大氣影響的傳播衰減因子；

(4)最后結(jié)合艦載雷達方向圖特征，求解編隊內(nèi)遠場處的電磁環(huán)境，根據(jù)考慮近海面大氣影響的傳播衰減因子，計算觀測點處的預(yù)測場強。

實施例中，仿真計算信息如下：某艦載雷達高度為40m，工作頻率1GHz，距離觀測敏感設(shè)備距離6km，增益為30dB，輻射源3dB波束寬度為3度，輻射仰角為0度。

根據(jù)本發(fā)明提出的基于二維拋物線算法的編隊內(nèi)雷達遠場預(yù)測方法，計算了觀測點高度變化的傳輸因子，近海面大氣引起的傳輸因子如圖3所示；以及艦載雷達場環(huán)境分布曲線，隨敏感設(shè)備(觀測點)高度變化的場強分布如圖4所示。為了進行比較，圖中也給出了雙射線模型的計算結(jié)果。本發(fā)明建立的考慮了近海面影響的艦載雷達遠場計算方法，和全波數(shù)值預(yù)測方法相比，能從物理層面揭示了艦載雷達遠場受海面影響的物理機制。

顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，依本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。