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19世纪到20世纪初，对于电磁波传播特性的研究推动了远程通信及信息传递工具的设计和应用（如电话、广播和电视等），这对于全球科技和文化领域有着深远的影响。由于电磁波既能在真空中，也能够在空气中传播，因此它的应用领域一直扩展到太空，特别是在卫星通信和卫星遥感方面得到了迅速发展。
然而，地球上还有很大一部分区域是电磁波难以达到的。水下空间占据着地球表面的70%以上，在这个空间中电磁波无法进行有效传播。从电磁波、无线电波、微波、可见光到紫外线，这些频段的波在水下的吸收和衰减都很快。近年来发展的卫星遥感系统虽然可利用可见光、红外、微波等传感器在较短的时间内探测到海洋表面的温度、波浪、海流、中尺度涡旋、内波、叶绿素等信息，能够得到以往用调查船和浮标得不到的大面积和准实时的观测数据，但这种观测仅限于水下几米或几十米的范围，要了解海洋深处的情况，声波是迄今为止唯一有效的探测方式。
海水的声波导现象早已被人们所关注。声波在水中比在空气中有着更好的传播特性，它在水下的传播速度约是空气中的4～5倍，因此能量更容易集中，并且在水中传播时的吸收衰减更小。然而受到相关领域科技发展的限制，水声学应用从近代才真正开始。目前，水下声波导的主要应用领域有以下3个方面。
（1）障碍物或目标的探测和定位：主要是声呐系统，多用于反潜战和水雷探测等军事领域，也用于探鱼。
（2）海洋环境特征的观测：主要包括海底地形、水下生物、海流和水文特征的观测或确定水下目标的位置和速度。
（3）信号的传输：主要包括科学研究所需数据、潜艇和水面舰艇信息、远程军事系统指令等。
需要注意的是，所有的水声应用领域都与所使用声波的频段有密切的关系。例如，几百千赫兹的声波可以观测海底的热泉、礁石、沉船、飞机残骸，还可以测量海水中的悬浮泥沙、气泡的含量和分布；几十千赫兹的声波可以测量水深和探测鱼群；几百到几千赫兹的声波可以用于探测潜艇或测量几百千米海域范围内的温度场和海流场；几十赫兹的声波可以探测海底数百米的地层结构，甚至还可以反演监测到地球的升温变化。
现代海战中，小型舰船、掠海导弹、无人机等近海面低空目标对水面舰艇安全威胁日益增大，同时新时期海军承担打击国际海盗、防卫非法入侵、实施海上营救等新的作战使命，电视、红外、激光等光电装备被更多地应用于海军部队，用以侦察和探测低空来袭目标，提高舰载作战系统生存能力。
在海上实际使用中，光电系统（Electro-Optical Systems）性能的好坏已不再是装备系统本身技术的问题，而是受装备所处环境因素的影响，特别是海洋边界层0～50m空间范围内的环境制约作用。第一种重要制约表现为所有光信号在通过海气边界时都要受到海洋上的大气分子和气溶胶的吸收、散射、反射和漫射等因素的影响，造成光电信号能量的衰减，缩短了探测距离，由于海上大气分子和气溶胶颗粒分布特征较难把握，只能利用几个大气光学窗口减小对能量的吸收。第二种重要制约就是大气的光学波导效应，从时间和空间尺度上主要体现为两个方面：一方面，长期大尺度的折射率变化将引起光线的弯曲。一旦出现光学波导或反波导现象，会导致光电探测距离增大或缩短，同时可能伴随出现蜃影（mirage），即在真实目标的上方或下方出现多个目标图像，导致探测系统的虚警概率增加，影响目标的识别跟踪。另一方面，短期小尺度折射率的随机变化，即大气光学湍流。它会引起大气闪烁（scintillation）、相位起伏、光束漂移弯曲等湍流效应，致使信号强度起伏，图像分辨力减弱，图像模糊。
1977年冬季，美国海军在进行潜用红外前视系统（Darkeyes System）性能检测时，由于圣安娜焚风将强烈的干热空气从加利福尼亚南部沙漠地带吹向太平洋沿岸，在圣地亚哥科罗纳多岛海域附近的海面上形成了较强的“光波导”层，导致20km处海上舰船出现了多重蜃影，舰船图像严重扭曲，难以分辨真实目标位置，如图1.1所示。
图1.1 圣安娜焚风期间圣地亚哥海域记录的20km处海上舰船的图像
随后，美国海军水面武器研究中心针对大气折射和多目标蜃影现象对水平红外探测系统（Horizon Infrared Surveillance Sensor）进行了海上试验研究，进一步证实了光学波导效应导致图像异常的存在性。分析表明，蜃影会导致错失防卫的最佳时机、危及自身安全等严重后果。
1994年，荷兰应用科学组织（TNO）防御安全研究中心的Arie N de Jong在北海沿岸进行光电（EO）探测时，记录了因近海面温度垂直变化使18km处目标平台图像出现的异常。如图1.2所示为当时利用1.25m望远镜耦合CCD相机记录的海上平台光源阵列图像。平台上是利用自上而下布设的灯光源模拟不同高度的点目标。
图1.2 当时CCD记录的海上平台光源阵列图像
图1.2（b）和图1.2（c）是由于当时海水温度低于海上气温导致在近海面出现光学反波导，使得底部3个点光源出现了异常特征。图1.2（b）中右下角点光源图像在垂直方向上出现了许多相同的亮点，由于间隔较近连成一线，出现了3条光柱，严重干扰了目标的识别。图1.2（c）中同样是由于光学反波导的影响，底部的3个点光源消失，造成目标丢失。此外，图1.2（b）中反波导造成目标图像产生畸变的同时，另一方面折射使光线产生“聚焦”作用，导致目标信号强度明显增大，表光透过率超过100%。类似的现象在斯德哥尔摩的波罗的海试验中也曾多次出现。
2001年5月美国、加拿大、德国、意大利、荷兰等北大西洋公约组织（NATO）海军联合研究小组（TG16）在地中海海域的里窝那进行了近海面点目标光电探测试验。如图1.3所示，显示不同湍流强度
下目标靶的图像，图板距观测位置2km。由于大气湍流的影响靶标图像逐渐模糊，其中，图1.3（c）的湍流强度大于图1.3（b），所以图像变得更加模糊，图中的标准条纹已经无法辨别。
图1.3 由于大气湍流影响的海上目标靶图像（里窝那海域试验）
综上可见，大气湍流活动对海上成像产生重大影响。如何准确地掌握海上大气光学波导、湍流等环境特征，准确地预测评估异常环境下红外、电视等光电系统的实际性能，特别是低空探测性能是非常重要的。
红外警戒、光电跟踪仪、指控和武器系统组成的中近程光电打击通道是新一代电子战环境下，对抗生存能力强、攻防兼备的舰载作战系统的基础支柱，是不以航母编队作为依托，远离岸基支援，没有卫通、制空、制电磁权“孤军探入”的机动舰艇编队，为完成封锁与反封锁的战役使命，形成海上防空能力、中近程精确打击能力、综合电子信息作战能力的基本条件。目前，随着军事科技的发展，海军舰艇上红外警戒、光电跟踪仪、微光夜视仪等新型光电装备越来越多，环境保障研究更显重要，直接关乎舰艇作战攻击效果以及自身安全。
近年来，海上安全形势复杂，海军的使命任务更加多样，特别是近岸、海峡等近海环境下军事行动增多，近海面低空目标以及海面漂雷的威胁增大。而另一方面，近岸海域水文气象环境较为复杂，大气折射、大气光学湍流现象在近岸海域频繁出现，折射导致多目标蜃影现象发生概率更高，直接影响航海定位的精度以及光电探测系统的性能，在更高层面上要求光电装备对目标探测识别能力的大幅提升，以获取更加准确的指挥信息，争取更多的防御时间。
据文献显示，近年来美国海军开展的相关海上试验研究次数有增无减，涉及海域广阔，1990年法国土伦试验、1992年德国Sylt试验、1993年荷兰奥斯特丹MAPTIP试验、1994年美国圣地亚哥湾HISS试验、1996年波罗的海及地中海LAPTEX试验、1999圣地亚哥湾EOPACE试验、2001年波斯湾Osborne Head试验、2001年夏威夷RED试验、2001年意大利POLLEX试验、2004年德国VAMPIRA试验、2005年新加坡PROTROW试验、2007年圣地亚哥SAPPHIRE试验，以及2007年南非的福尔斯湾试验等。旨在开展不同海域不同海上环境下，EO及EO/Radar的探测性能评估，并据此对相应软件系统进行试验验证和改进，而国内相关理论和试验研究工作较少。
此外，2010年5月24日美国海军海上系统司令部（NAVSEA）在加州圣尼古拉斯岛利用舰载高能激光器第二次成功追踪并击毁了一架目标无人机，这标志着激光武器首次在水上击毁假想目标。因此，随着各国对红外和激光精确制导武器、舰载高能激光武器等高新装备的追捧，海上异常光电传播环境及其光学波导效应的研究更加具有现实意义。
目前，国内对光学设备受大气折射影响的认识还不成熟，相关的研究工作很少，与欧美发达国家存在较大差距。此外，该研究领域主要服务于军事应用，国外有价值的研究成果和技术资料较难获得。
雷达、通信和电子对抗等系统是实现信息获取和对抗的重要装备和手段，在现代战争中的重要性毋庸置疑，这些电子系统存在一个共同点，即发射、接收等过程都是通过电磁波在大气中的传播来完成的，这一过程必然受到不同大气折射环境的影响。海洋大气环境中普遍存在大气波导现象，它能改变电磁波的传播路径，并“陷获”电磁波在波导层内传播，形成类似金属波导管中传播特征，这种特征对雷达等电子系统的性能具有重要的影响，在军事中具有极其重要的应用前景。
科索沃、伊拉克战争以来，随着雷达、通信、电子对抗设备和制导武器的广泛使用，电磁对抗异常激烈，对战场电磁领域的争夺已成为未来战场信息战、电子战的根本，成为争夺战场制空权和制海权的先决条件，进而成为影响现代战争胜负的关键因素之一。对流层大气波导环境改变了电磁波正常的传播路径，影响雷达、通信、电子战设备的正常使用。因此，如何利用对流层大气波导环境，保障军事活动的顺利开展，已成为各国军事作战应用研究的重点内容。
如图1.4所示，显示了雷达在大气波导环境下的异常探测性能及其对作战的影响。大气波导能够使雷达突破地球曲率的限制，形成超视距探测能力。早期一个著名的实例是：在第二次世界大战中，位于印度孟买的一部200MHz雷达能够发现1700英里外阿拉伯海域的目标回波。雷达的超视距探测性能在海上试验过程中也被多次观测到，大气波导的这种特性使得远距离电子侦察与电子干扰成为可能，由图1.4可知，潜艇在波导环境下能够实现远距离电子侦查。
与此同时，大气波导改变了电磁波的正常传播规律，使得正常大气条件下雷达的部分可探测区域在波导环境下变成盲区，雷达盲区在现代战争中具有极其重要的军事价值。2000年10月俄罗斯Su-27等战机利用大气波导环境下形成的异常电磁盲区，多次侦察、拍照正在演习过程中的美国小鹰号航空母舰。图1.4 中还显示了波导环境下雷达在目标跟踪定位精度方面产生的问题。
图1.4 大气波导对雷达、作战的影响示意图
近年来的几次局部战争都表明，舰艇海上作战过程中，低空突袭的战机、导弹已成为威胁舰艇安全的重要因素，如英阿“马岛之战”中阿空军使用“飞鱼”导弹击沉英“谢菲尔德”号驱逐舰事件，反低空突袭已成为现代军事技术、军事战术研究的重要内容，这其中重要的一环就是如何实现对低空目标的有效探测和精确跟踪。大气波导环境下，电磁波射线发生异常的弯曲，这使得波导环境下雷达对目标的定位存在明显偏差，同时由于波导环境对电磁波的“陷获”作用，更多的电磁波能量集中在波导层内，使得大量的电磁波在海面形成异常的后向散射（海杂波），海杂波是雷达低空目标检测的主要噪声环境，这对雷达低空探测性能的影响是致命的。
如何准确地掌握大气波导环境，如何准确地预测评估大气波导环境下雷达等电子系统的实际性能，尤其是低空探测性能，是极其至关重要的，因此，大气波导研究具有极其重要的军事应用背景。
大气波导是一种自然现象，具有重要的军事应用背景。目前，国内对大气波导的认识还不深入，大气波导相关研究工作开展时间不长，与美国、俄罗斯等国家存在较大差距，我国对大气波导及其应用研究有着较强的现实需求。
一方面，国内大气波导的监测、预报及统计特征等研究还不能满足我国的需求，主要表现在大气波导的机理研究、大气波导环境天气学模型，以及大气波导的调查统计等研究方面。
另一方面，大气波导的应用研究还不完善，主要表现在大气波导环境对雷达、通信等电子系统及作战的综合影响效应评估研究等方面。尤其是近年来，随着舰载相控阵雷达的投入使用，相控阵雷达在海上常常遇到与大气波导环境相关的异常现象，如美海军宙斯盾系统（以AN/SPS-1系列相控阵雷达为核心）在波斯湾海域（波导多发海域）工作时常常遇到的强杂波问题等，此类问题尤其在近岸的大气波导环境中经常出现。
另外，国内在雷达的超视距探测和异常盲区分布定量评估、雷达极低仰角异常定位误差修正等问题的研究还不深入，这些都制约了雷达性能的充分发挥。
可见，开展大气波导相关研究具有极其重要的现实意义，由于大气波导主要应用于军事领域，使得国外有价值的研究成果和技术资料较难获得，这也决定了大气波导研究主要依靠国内的研究力量来实现。