下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
通过测听水中的噪声来探测舰船的方法已有很长的历史，但近代水声学的发展通常认为是以1826年在日内瓦湖中测量声速为起点的。一直到了近代，水声学设备才开始进行实质性的应用阶段。1912年豪华巨轮“泰坦尼克号”的沉没引起了世人的注意。随后美国科学家费森登研制出了第一台测量水下目标的回声测深仪，并于1914年在试验中成功探测到了远处的冰山。
在第一次世界大战期间，水声设备的发展有了明显的改观，为了抵御德军潜艇的威胁，盟军发展了被动探测系统。法国物理学家朗之万在1915—1918年间取得了突破性的成果，他提出了利用声信号主动探测潜艇的概念，并发明了压电式换能器。这项技术很快导致了声呐的诞生，然而这对于第一次世界大战的支持已经太迟了。而在第二次世界大战中，声呐已经成为海军必不可少的探测装备，不但用于探测潜艇，而且还用于探测鱼雷、水雷，除了使用回声探测的主动声呐之外，根据噪声确定目标的被动声呐也被广泛使用。声呐在大西洋战争中起到了重要作用，对盟军护航舰队对抗德军潜艇形成了较大支持。战后有关海洋声学的研究逐渐解密，期间围绕着声呐技术改进的研究形成了海洋声传播理论的基本框架。
第二次世界大战结束之后，东西方大国之间的冷战使得关于水声学的研究仍然继续。在西方和苏联，都开展了大量的研究和试验项目。20世纪50年代末，战略核潜艇和攻击核潜艇的出现为水声学注入了新的研究动力，并重新激起了水下战场的争夺。20世纪60年代，被动探测技术得到了进一步发展，能够实现比主动系统更远的探测距离。20世纪60年代末期出现的技术革新带动了数字信号处理技术的发展，使声呐系统的计算和预报能力显著提高。然而，被动声呐精密程度提高的同时，潜艇噪声辐射水平也不断减小。因此，20世纪90年代出现了相反的发展趋势，主动声呐技术再次被重视起来，特别是在低频领域。20世纪末出现的海上冲突进一步证实了掌握声呐技术对于对抗攻击潜艇（马岛战争）和水雷（海湾战争）威胁的重要性。
在发展军用的同时，海洋声学的理论体系不断完善，相关的研究更加细致，新技术和新方法不断涌现。测深仪很快取代了传统钢丝绳的测深方法，侧扫声呐和多波束测深仪的出现极大地改进了海底地形地貌的观测。20世纪70年代声传播理论模型发展迅速，适用于非均匀复杂海洋环境条件的水声学模型和方法相继提出。同时，海底对声传播影响方面的研究也不断深入，测量了各种底质类型的声学参数和衰减特性，系统性地发展了相关的地声学模型。20世纪80～90年代，计算机领域的快速发展带动了数值计算方法和数值模型的进展，各种类型的声传播问题几乎都可以由数值计算程序解决。此外，声传播反演问题的研究（声层析技术）也取得了突破性的进展。20世纪90年代开展的实验中，使用几十赫兹的声波在大洋声道中传播20 000km，通过计算传播时间的变化，可以得出较大范围海域的温度场和海流场。利用这种声层析技术可监测区域海洋的中尺度现象。
第二次世界大战期间，为了满足海军水下战声呐性能预报的需求，水声传播模型应运而生（Etter，2003）。20世纪60年代以前，水声传播模型主要是几何射线模型和水平层化简正波模型。Hardin和Tappert于20世纪70年代将抛物模型引入水声学领域，这对于水平非均匀环境下的声传播计算有着重要的推动意义。此后的二三十年间，射线模型、简正波模型、抛物模型，以及快速场模型等水声学模型都有很大程度的改进和扩展，模型的准确性大大提高。同时，大量基于不同理论方法的水声学数值模式也应运而生。进入20世纪90年代之后，水声学理论模型和数值方法进一步发展，数值模式与仿真分析趋于精细化，扩展的模型与模式能够较为有效地处理复杂水文环境及地形、底质条件下的三维声传播问题。Jenson，Etter等曾对不同海洋声学模型的优缺点和适用性进行过系统性地总结。他们的研究表明，任何一种模型都不能解决所有的水声学问题，各类模型在使用时都有一定的限定条件和适用范围。
传统射线模型不仅受到高频近似的限制，而且存在着声线焦散的问题。Sachs等提出了用高阶近似的方法控制焦散线附近的声能变化幅度，同时较好地处理了影区中的能量衰减变化。Boyles详细分析了焦散线的形成机制，并通过衍射修正方法将其适用性扩展到更低的频段。张仁和通过广义相积分近似给出了反转点汇聚区声场的广义射线解，较好地克服了传统近似方法在反转点发散的问题。Porter等将高斯声线近似技术引入水声领域，用于改进射线模型的能量场计算。这种方法经过不断地改进与验证，能够较好地解决声能焦散和完全影区的问题，而且成功地扩展到了距离相关问题和三维声传播问题的处理。近年来，射线模型经过不断改进，在精度和适用性方面都有了很大的提高。根据射线模型开发的经典水声学数值模式主要有：适用于处理一般性距离相关问题及宽带信号传播的RAY模式，以三维Hamiltonian方程的数值积分形式计算传播损耗的HARPO模式，以及根据动态追踪技术和高斯近似计算声线轨迹和声压场的BELLHOP模式等。
简正波模型能够给出分层介质声场的精确解，因此常作为其他近似方法的验证参考。传统的WKB近似方法在求解简正波声场时往往存在反转点发散的问题，一些近似方法的引入使这个问题逐步得以解决，如WKBJ近似、一致收敛的WKB近似，以及WKBZ近似等。绝热近似方法和波模耦合方法的提出使简正波模型能够扩展到处理水平变化的海洋环境。Evans提出了阶梯和多层近似的耦合方法，对不同环境中每一个阶梯的边界进行匹配处理。Evans等还提出了一种波模逐步耦合的方法，使能量能够在倾斜的海底上保持守恒。此后，Porter等在阶梯法的基础上发展了一个有效的单向耦合方法。Stotts以差分方程的形式给出了双向耦合模方程的精确解，将简正波模型扩展到可处理一般意义的水平非均匀海洋环境问题。目前，简正波模型在算法上较为完善，已有多种根据这种模型开发的数值模式，如SNAP模式、MOATL模式、KRAKEN模式等。
抛物方程模型最初由Hardin和Tappert于20世纪70年代引入水声学，并由Tapper首先提出了分裂-步进的求解方法。由于抛物模型在处理水平变化的海洋介质问题方面具有明显的优势，因此相关的数值技术发展迅速，如Lee等提出的常微分方法、Lee等和Robertson等提出的隐式有限差分法等。但抛物模型也存在着固有的问题，如“窄角近似”。针对这个问题，出现了很多宽角扩展方面的研究，如Thomson等对分裂-步进算法的窄角限制进行了扩展，Vefring等用三次有理分式近似平方根算子将窄角扩展为宽角等。Lee等对抛物方程模型在水声领域的发展作了详细的评述。根据抛物模型开发的经典水声学数值模式主要有IFD模式、FOR3D模式、FEPE模式等。
Ewing和Worzel最早研究了深海声波导的特性，他们发现典型中纬度深海区域的声速剖面多为混合层、主跃层和深海等温层3层结构，这种类型的声波能够产生深海声道，从声道轴附近发出的声波可出现波导式的传播。Hale进一步指出，在这种环境下若声波从近表层海洋发出，能够在几十海里之外形成环带状的汇聚区。由于汇聚区声道能实现水下目标的远距离探测，因此具有重要的应用价值。根据大量理论模型、数值模式及观测试验的结果，许多学者在不同程度上讨论了不同类型的海洋环境变化对汇聚区声传播的影响。Bongiovanni等给出了一个有广义性的例子，他们根据射线理论建立了指数型海洋水温结构与汇聚区位置和宽度的几何关系模型，通过改变水温参数讨论了藻海汇聚区特征参数对环境变化的敏感性。中国周边海域，南海和西北太平洋的声速场结构都具备产生深海声道和汇聚区声道的条件，张仁和提出的反转点汇聚区的简正波解和广义射线解能够较为准确地计算南海和西北太平洋的汇聚区声场，并在试验中得到了验证。
声波在浅海中传播时，由于与海底有较强的交互作用，因此声传播特性与深海有着本质的不同。声速剖面结构以及海底地形和底质特性是影响浅海声传播的两个重要因素。中国近海浅海大陆架海区声速结构的季节性差异显著，在春、夏、秋三季为负梯度声速结构，而在冬季为混合层环境下的正梯度声速结构。根据Rogers提出的经验模型，对浅海声场产生重要影响的是声速剖面结构而不是具体水层的声速值，不同类型剖面声场条件下的平均传播损耗最大值与最小值相差可达20dB以上。实验表明，负梯度声速结构条件下声传播的能量衰减速度明显快于正梯度声速结构。张仁和提出了适用于正梯度、负梯度、温跃层等几类声速结构的平滑平均声场计算方法，这些方法对于中国近海典型浅海环境具有较好的适用性。
当海洋近表层出现一定厚度的混合层时，声波以表面声道的形式传播。此类声道能够明显减小声能的衰减，因此对于声呐探测有重要意义。早期的一些研究根据大量的试验数据建立了一些用于声呐作用距离预报的经验模型，Baker进一步考虑了体积吸收和泄漏损耗等因素，提出了更完善的经验模型。但根据Hall的评估，目前经验模型都不能令人满意地预测实际海洋表面声道中的传播损耗，最大误差可达10～15dB。造成这些误差的原因可能与海-气边界层物理过程及混合层环境的变化有关。张仁和提出了浅海表面声道声场的简正波近似解，对中国近海的混合层环境有较好的适应性。
海洋中的中尺度现象非常普遍，这些现象能够使水文和声速场环境出现水平非均匀分布，进而对声传播产生明显的影响，如汇聚区的偏移、多路径到达次序的改变和水平折射等。关于中尺度环境下声传播效应的研究开始于20世纪七八十年代，主要的研究方法有两种：一种是通过理论模型研究海洋现象与声传播的变化关系；另一种是根据具体的海洋环境应用水声学数值模型研究声传播效应和变异特征。
在理论研究方面，Henrick等分析了理想涡旋的大小、强度以及涡流流速对声传播的影响。Bear讨论了理想环境下涡的位置、强度以及声源-接收深度的配置与三维声传播的相关性，Hall等应用绝热简正波模型对这个问题进行了更深入的探讨。Rousseau等构建了一个理想海洋锋面模型，并研究了短距离声传播与锋区特征的关系。
在不同海区环境下的声传播效应研究方面，Lawrence分析了塔斯曼海冬季暖涡引起的声学效应，指出穿过涡锋面的过程使汇聚区位置出现了明显的偏移，同时还造成了汇聚区声道的分叉。Heathershaw等根据距离相关的GRASS射线模型和三维海洋学模型讨论了冰岛东部极地海洋锋面系统中的声传播效应，发现声源-接收深度配置的不同以及锋面环境变化的影响能够使传播损耗10～20dB的变化。Mellberg等分析了湾流流系中曲流和中尺度涡的时间变化和方位变化引起的声学效应，这些变化造成的汇聚区位置偏移最大可超过10km，同时使增益能级出现3～5dB的变化。Carman等在水平非均匀海洋环境的基础上进一步考虑了地形因素，应用抛物模型分析了湾流附近的大陆坡与藻海之间强锋区中的复杂声传播效应，并讨论了海洋环境变化和真实海底地形变化交互作用对低频-远程声传播的影响。
近年来，一些报道中探讨了黑潮附近的中尺度涡、海洋锋、浅海陆架冷热水团、内波等多种中尺度环境引起的声传播变异特征，得出了一些具有典型意义的规律。但整体而言，对于锋面及涡旋与地形共同引起的复杂声波导效应的研究则有待进一步深入。
研究海洋边界层异常折射环境关键在于通过对形成机理及模型的研究，实现对负折射、超折射等异常折射环境的监测、评估以及统计特征分析等。国外，如美国、加拿大在这方面的研究工作开展得非常早。
国外海军研发的折射环境评估模型都是基于Monin-Obukhov海气通量参数方案确定温度、湿度的垂直廓线分布，进而得到大气折射廓线。不同模型之间的差别主要在于粗糙长度和普适函数不同。
（1）Liu、Katsaros和Businger利用M-O相似理论和风速、温度、湿度的非绝热结构方程组来描述海洋大气表面层各要素的尺度通量和廓线，形成大气表层的LKB通量算法以及蒸发波导的LKB模式，这种模式的精度比PJ模式有所提高，但在强稳定层结及极低风速条件下的应用存在较大误差。
（2）Chris Fairall通过对（Tropical Ocean Global Atmosphere，TOGA）program中的大量海上试验数据分析，提出了Bluk Flux Algorithm，用来计算海洋热量收支以及海气通量。模型中应用了Beljaars and Holtslag（1991）的普适函数代替了Businger et al.1991的形式，并采用Godfrey和Beljaars（1991）技术拓展莫宁-奥布霍夫理论对低风速的有效性，其方法已经被美国海军研究生院（Naval Postgraduate School）采用并嵌入NPS模型中。
（3）加拿大海军作战研究实验室提出的LWKD模型提供给用户两个可选择的普适函数形式，分别为Konodo和WKD关系式，后者考虑了海浪效应。用户可以根据实际的环境情况和试验观测数据，选择适合的函数形式。
（4）G J Kunz提出的A Bulk model模型建立的基础依然是M-O相似理论和通量算法，并利用相似理论对风速、温度、湿度特征尺度进行参数化处理，选取Panofsky和Dutton提出的普适函数关系，利用初始给定的风、感热和潜热输送系数通过迭代计算得到风速、温度、湿度的垂直分布廓线。
（5）乌克兰海军基于Gavrilov的算法在LKB普适函数形式的基础上进行了一些修正，建立电磁传播评估模型（RSHMU）。
以上所有模型都是利用迭代计算最终确定各要素的特征尺度。美国、加拿大以及乌克兰海军都将自己的模型与其他的模型进行过比较，并没有得到有力的证据说明哪个模型的适用性和精度最好，仅仅指出在各自关心的海域，使用各自的模型效果总体上较好。
已知环境要素（温度、湿度、气压）通过折射率计算公式可以得到折射场的分布特征，光波段的大气折射率计算公式主要有两种：考虑色散效应的计算公式（M E Thomas 和D D Duncan，1993）和没有考虑色散的计算公式（Edlén，B（1966），Owens（1967），Hill R J（1986），Ciddor（1996））。J Claverie和D Dion对利用两种计算公式得到的EO传输性能特征（最大探测距离，抬升角变化）进行了对比，结果指出两者的计算结果差距不大，更加全面的研究有待在实际试验中进一步进行。
国内开展海上光学波导环境的研究目前主要局限在大气波导对雷达的影响。已在大气波导监测、预报以及统计规律等方面取得了许多的研究成果，然而光学波导环境对光电设备的影响研究则很少看到。
光波在湍流大气中传输的问题是光波与大气相互作用的一个重要方面。湍流主要会引起光波强度、相位与传播方向的起伏变化。这种起伏是由于大气折射率的随机变化引起的。1883年雷诺最早进行了关于湍流的实验，柯尔莫哥洛夫于1941年在建立湍流统计理论的过程中，提出了3个基本的假设，假定流体为局部均匀各向同性的，形成了大气光学湍流的基础理论——柯尔莫哥洛夫理论。该理论引入了折射率结构常数
作为光学湍流强度的关键特征量。
大气光学湍流监测方面。由于大气湍流中含有不同尺度的涡旋，且变化的频率各有不同，所以需要很高频率的监测设备才能较全面的捕获其特征。目前，可以利用超声风速仪以及高频温度和湿度仪进行估算，一般要求其采样率在20Hz以上。但是这种方法只能记录某一点的湍流强度，只有在大气分布均匀，满足一定假设条件时，其测量值才具有代表性。相比之下，利用大口径大气闪烁记录仪可以更加准确地反映整个传播路径上的大气湍流累积效应。它需要在路径的两端分别架设发射、接收装置，通过光强信号的起伏反演大气湍流强度
。但是该方法也有自身的限制，即最大传播路径只能在5km以内，最大不会超过10km，而且对安装平台的要求较高，设备昂贵。加拿大的Campbell Scientific公司是世界著名的气象监测仪器生产商，其生产的Young、Csat3系列三维超声风速仪被科研院所广泛采用。美国Optical Scientific公司的长基线光学风速计及大气湍流探测器（LOA）、德国Scintec公司的表面层激光闪烁仪（Surface Layer Scintillometer，SLS）和边界层闪烁仪（Boundary Layer Scintillometer，BLS），以及荷兰Kipp&Zonen公司的大口径闪烁仪LAS被美国、加拿大等国家海军研究机构大量采用，用于大气湍流通量和大气光学湍流的研究工作。
我国在1988年前后，使用三维超声风速仪等设备建立了涡动相关通量观测系统。随着测量（包括超声风温仪和快速气体分析仪等）和计算技术的迅猛发展，涡动相关法已经在有关野外试验台站得到相当普遍的使用。20世纪90年代北京大学环境科学中心以及中科院大气环境研究所等单位也进行了温度、风速脉动监测仪的研制。2007年中科院安徽光机所研发了HTP型铂丝温度脉动仪、便携式三波长激光闪烁仪，达到了国外同类产品的技术指标。
大气光学湍流的计算模型方面。伴随光学仪器的研发以及场地试验的开展，国外在20世纪70年代开始探索环境要素信息与大气光学湍流的关系，建立对应的数值计算模型。Wyngaard等给出利用地面气象观测数据估算温度结构参量的相似理论模型。Friehe、Davidson等利用海上实测资料检验了该模型在海面的应用。Edgar L Andreas针对0.36～3μm、7.8～19μm、0.3～3mm、3mm→∞四个波段研究了雪地、海冰环境下各个波段内
与环境特征尺度的相关性，并进行了敏感性分析。与闪烁记录仪相比，利用数学模型计算大气湍流强度，更适于海上移动平台实时的信息需求，因此引起了各国海军光电武器研究单位的关注。美国海军光电环境专家Frederickson等基于边界层相似理论，建立了NSLOT模型（Navy Surface Layer Optical Turbulence Model），通过与海上同期闪烁仪观测的大气折射率结构常数的对比，指出大气折射率结构参量模型的改进需要对不同海上大气层结环境下MO相似理论的进一步认识，Steve Doss Hammel利用陆上和海上试验详细对比了PAMELA模型与NSLOT模型，指出NSLOT更加适合海上使用。此外，加拿大海军的LWKD模型、荷兰GJKunz的湍流计算模型也都是基于相似理论利用常规气象要素数据计算湍流结构常数
。基于以上的成果，法国气候专家SCheinet和荷兰气候专家APSiebesma利用中尺度数值预报模式实现了
的预报，美国陆军武器研究中心的ATunick利用计算流体力学方法评估了复杂陆地地形
的空间分布特征。由于模型都是基于相似理论，其适用性的问题不可避免，特别是近海地区光学湍流特征有待进一步的研究。美国海军研究单位以及北约组织进行了多次的海上试验，进行模型验证以及军事影响研究，旨在提升模型的计算精度，分析不同海洋环境下模型的性能。
国内的相关研究起步较晚，海上的专项试验也较少。安徽光机所主要侧重于大气光学湍流仪器设备研制、监测手段等研究，多为陆上试验，近年来在沿海地区进行了一些观测试验。王英俭、袁仁民等研究员对近地面光学湍流计算模型进行了研究，通过陆上试验进行了验证分析。吴晓庆通过得到地表温度、表面层的动量通量、显热通量和潜热通量，再由相似理论从湍流通量和温度结构常数的经验关系计算出折射率结构常数，并对近海面气层温度结构常数的模式和测量进行了研究。聂群基于Frederickson的工作，通过合肥以及东南沿海的试验在一定程度上说明了利用Bulk算法计算
的有效性。但由于东南沿海试验仪器架设高度距地面仅为2m，地气温差为零，并未真正反映海气温差对湍流交换的影响。总参大气环境研究所的戴福山等人对极端层结环境下近地层相似关系进行了修正，给出了海面光学湍流估算模型并进行了数值预报，但缺乏海上试验数据的验证，其计算能力有待海上光学湍流观测试验的检验。因此，更加深入和系统的试验与模型验证还有待完善。
海上光学波导环境会导致光电探测距离发生变化，产生多目标的干扰，出现超视距的传播、聚焦、散焦等影响，这对于光电设备的使用至关重要。其中，光波超折射形成的波导层高度很低，仅仅几米，出现的概率较低。而反波导现象则在海上高发，导致视距缩短，伴随出现下现蜃影。因此，反波导导致的视距限制、蜃影导致的多目标干扰尤为值得关注。
上述问题的研究必须准确地掌握光线的传播路径，因此，光线跟踪技术是解决这一问题的关键。光线跟踪技术的理论基础都是几何光学理论，遵循分层介质的Snell法则，其差别主要是计算程序的处理方法上。B D Nener等提出了适合复杂折射率环境下精确的光线路径解析模型。WHLehn提出了平面坐标系下抛物线近似的光线传播模型，利用计算机图形语言揭示了自然环境下的多种蜃影现象。考虑到目标大小、传感器的孔径以及水平温度分布的变化，Arie N de Jong提出了一个新的高精度的光线跟踪模型（Ray-Tracing Model），描述了试验中出现的异常折射现象。通过海上实际应用，Claverie，J指出不同光线跟踪技术对折射环境评估的影响不及气象环境模型的影响作用。
多目标现象蜃影（mirage）的研究方面。20世纪70年代美国海军作战试验中心RFeinberg，HVHitney等开展了红外光波在海洋边界层传播折射效应的研究，利用简单的数值模型，模拟了试验中出现的上现蜃影特征。WHLehn帮助美国军方分析了Wallops岛试验中重力波导致出现的蜃影图像的周期特征。Eberhard Tr¨ankle假设了多种温度廓线形式，模拟了Halligen Sea出现的蜃影现象。Andrew T Young总结出海气温差、观测高度与太阳蜃影的对应关系。SPAWAR的Doss Hammel在WHLehn和Siebren研究的基础上利用几何光学方法建立了大气折射传播模型，并引入了放大因子和折射因子，可以评估目标的大小和蜃影的多少，并利用蜃影被动定位。美国海军在切萨皮克湾建立了长年的观测站点，记录岸上灯塔光源位置的变化，评估大气折射的影响效果。LeeUMartin统计分析了海气温差与目标位置变化的关系，并评估了观测中出现的蜃影现象为美军方的红外跟踪搜索系统IRST提供了技术支持。加拿大国防技术研究办公室环境光学专家Denis Dion提出了蜃影出现的距离评估方法，可以评估蜃影出现的空间距离。J Luc Forand、Arie N de Jong指出了大气水平分布的不均匀性对蜃影区域的影响。
光学应用评估软件研究方面。1995年，考虑到海上大气折射环境对SIRST系统（Shipboard InfRared Search and Tracking）对掠海导弹等低空小目标探测识别的影响，美国海军水面武器研究中心NSWC/DD资助研发了IRTooL分析工具，主要评估光线折射影响以及大气图像扭曲。1996年左右，荷兰TNO公司开发ARTEAM模型（Advanced Ray Tracing with Earth Atmospheric Models），它增加了GUI用户界面，操作更加灵活，便于与各种数据源对接，适合军事应用。随后，在2001年美国海军Spawar与荷兰TNO公司合作升级了ARTEAM，开发了新的评估软件EOSTAR（Electro Optical Signal Transmission And Ranging），它植入了新的气溶胶模型，可以实现与COAMPS以及WRF的耦合，描述水平分布不均匀的条件下光波的传播路径。加拿大海军研发的IRBLEM（IR Boundary Layer Effects Model）也可以实现对海上折射环境、大气湍流强度以及异常目标图像特征的评估，与EOSTAR的区别在于使用了不同的通量气象模型。
专项海上试验方面。早在1968年北约组织的RSG.5小组就开始研究反舰红外导弹的特性，即背景辐射和对抗。随后的RSG.8和RSG.9小组更加致力于红外侦察点目标和大气环境对光电系统的影响。RTG51小组主要开展近海舰船红外自身防护研究，重点研究舰船的红外特征、大气环境评估模型，以及红外探测系统对点目标的探测性能的评估等。美国、加拿大、德国、法国等多国研究小组陆续开展了1993年MAPTIP试验、1996年EOPACE试验、2001年RED试验、2001年POLLEX试验、2005年PROTROW试验、2007年SAPPHIRE试验，并于2004年进行了Radar与EO综合探测试验VAMPIRA（VAlidaton Measurement for Porpagation in the Infrared and RAdar）。
由于我国光电装备性能与国外还有差距，光学波导及蜃影多目标现象还没有引起足够的重视，目前国内还没有进行过海上异常光电传播特征等专项试验。红外图像模拟生成方面更加关注模拟效果的逼真程度，很少考虑蜃影导致出现的多目标现象。红外警戒系统作用距离的相关研究只考虑了能量的衰减，而忽视了折射的影响。在现实需求背景的推动下，开展异常光学波导环境下的光电探测性能研究，建立复杂海洋环境下光电传输及探测性能评估软件，对提升光电装备的使用性能，有效防护舰船安全以及研发激光武器具有重要的现实意义。
大气波导等异常折射环境研究的关键就在于通过对形成机理及模型的研究，实现对大气波导等异常折射环境的监测、预报、统计特征分析等。国外（如美国等）在这方面的研究工作开展得非常早，取得了大量的成果。
在大气波导机理及模型研究方面。不同的折射环境以一定的发生概率而存在，其中大气波导中的蒸发波导是海洋最为常见的异常折射现象，它几乎能够在任何时间、任何海域存在，多年来一直受到较多的关注。蒸发波导形成机理主要是：由于海气耦合作用而形成近海面层大气修正折射率的负梯度结构。目前的蒸发波导模型都是基于Monin和Obukhov提出的海气耦合近地层相似理论——MOS，不同模型之间差别主要在于近地层通量和特征尺度的确定方法不同：①以伪折射率作为满足MOS的湍流物理量推导的蒸发波导高度和廓线结构计算模式，如 PJ模式，具有较强的理论基础，容易实现，已作为业务化的蒸发波导模型，然而这种模式中的部分假设与实际的一些特定环境不符，在应用上存在一定偏差。②Liu、Katsaros和Businger利用MOS理论和风速、温度和湿度的非绝热结构方程组来描述海洋大气表面层各要素的尺度通量和廓线，形成大气表面层的LKB通量算法和蒸发波导的LKB模式，这种模式的精度比PJ模式有所提高，但在强稳定层结下以及极低风速条件下应用存在较大误差。③Babin则依据Fairall等人在TOGACOARE（Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean Atmosphere Research Experiment）试验得到的总体通量算法来完成通量和特征尺度的计算，并利用了Godfrey和Beljaars将MOS理论推广到甚低风速条件下，得出了一个优化蒸发波导模式（Babin模式），该模式理论上比较完善，使用范围得到了扩展，精度比PJ、LKB模型都要高，与此类似的还有美国海军研究生院NPS（Naval Postgraduate School）的应用模式。④另有一些利用数值气象预报模式中通量算法的蒸发波导模型，如法国气象局的Musson、Gauthier和Bruth等人利用欧洲中期天气预报模式提出MGB 模式等，总体上来说，这类模式多是对通量算法进行了参数化改进。而表面波导和悬空波导的形成机理较为复杂，国外通过研究大气波导与天气学之间的关系，目前只是经验地掌握了表面波导、悬空波导的一些天气学规律。
在大气波导监测方面。对于蒸发波导的监测，由于其出现在海洋大气近地层内，形成受海气界面处微气象条件影响，不能通过利用诸如无线电探空仪、低空火箭探空仪或微波折射仪等探测，通常根据近地层相似理论利用海面宏观气象水文观测来确定蒸发波导。我们可以通过测量一定高度上大气温度、湿度、气压、风速以及海表温度，利用蒸发波导监测的总体通量法（Bulk-Flux）计算得到蒸发波导高度和大气修正折射指数的梯度结构。作为宙斯盾系统的重要组成部分，SEAWASP（Shipboard Environmental Assessment/WeApon System Performance）就是利用总体通量方法实时监测蒸发波导环境并有效评估雷达的探测距离，该系统1993年进行测试，于1994年装备于CG-68和CG-71巡洋舰上。对于表面波导和悬空波导，只要能获取大气修正折射指数的垂直分布廓线就可以确定是否存在大气波导以及波导所处的高度、波导的厚度、波导强度和波导所能陷获的最大波长、最低频率等。目前，获取大气折射指数垂直分布廓线的主要手段是利用无线电探空仪、低空火箭探空仪和微波折射仪。其中，前两种是间接测量，即直接探测气温、气压和湿度，再将其转换为大气折射指数；最后一种是直接测量方法，即直接探测大气折射指数。例如，美国海军为了实时保障“宙斯盾（AEGIS）”级巡洋舰上AN/SPY-1雷达的作战性能，就是利用低空火箭探空仪来获取低空的大气折射廓线的。然而大范围海域的大气波导监测依然是需要进一步研究的问题，已有研究表明，卫星遥感大气波导反演技术正在为实现这一问题的解决技术提供基础。
在大气波导预报方面，国外研究的较早。20世纪80年代，许多国家对大气波导的预报主要是通过天气系统的预报产品，依赖于天气图、卫星云图和数值天气预报等手段来实现的。利用天气图上天气系统的演变规律和卫星云图对气旋活动或锋面移动的大面积监测，可以提取大气折射状况的基本信息，从而对大气波导进行诊断和预报。美国海军舰队数值海洋中心（NFOC）在20世纪80年代使用“全球表面接触界面模式（GSCLI）”作为蒸发波导预报模式。1983年Helvey和Rosenthal在《有天气尺度参数寻求折射条件的指南》中提出一个天气—折射率关系模式和一系列经验规则。20世纪90年代初，美军开始利用海军业务区域大气预报系统（NORAPS）来预报大气折射指数，1990年美军西部海洋中心（NWOC）和太平洋导弹试验中心（PMTC）联合开发出“水平折射描述（Horizontal Refraction Description，HRD）”产品，虽然其预报的大气波导可信度只有79%（1992年，美国海军海洋司令部鉴定），但对于那些没有直接探空资料而只能获取天气图和卫星云图的单独舰艇来说，这是预报大气折射条件的重要手段，因此能够产生重要的军事价值。目前，美国海军舰队数值海洋中心（NFOC）使用的中尺度海气耦合预报系统（COAMPS）是由美海军研究实验室（NRL）研制，业务运行中的水平分辨率达3km，垂直方向标准层次为30层，可用于未来3～7天大气折射指数和蒸发波导预报以及海洋环境对雷达探测影响的评估。在表面波导和悬空波导预报方面，通常采用中尺度预报模式（MM5V3）结合不同的边界层参数化过程进行预报。Atkinson和Zhu比较了MM5V3模式和COAMPS系统的预报精度，指出MM5模式在预报精度上要优于COAMPS系统，但该模式虽然在预报波导层底和湿度廓线方面上比较准确，但在预报波导层内的干性层结方面还有欠缺。欧洲国家（如法国、英国），大多利用欧洲气象中心的中期天气预报的数值产品，发展各自的大气波导预报系统，如MASS模式。国内在大气波导预报方面的研究起步较晚，采用的方法多是依靠天气系统的变化来提取大气波导需要的信息，通过预测天气过程的变化来预测大气波导的发生，而且都是定性的分析预测。例如，电波传播研究所的潘中伟，刘成国等人利用天气系统的演变规律，对东南沿海的一次大气波导过程进行了定性的分析。在大气波导数值预报方面，近两年解放军理工大学的费建芳、胡晓华等人研究了气象条件对大气波导的影响，模拟预报了一次台风过程中大气波导的演变，但预报结果还缺乏实际案例特别是雷达数据的验证。因此，建立适合于中国海域的大气波导数值预报模式，实时预报大气波导环境满足实际应用的需要是亟待解决的问题。
在海洋大气异常折射环境的调查和统计方面。国外对大气波导的统计分析始于20世纪六、七十年代，为了贯彻其全球战略计划，美国海军较早开始了对大气波导的统计分析，他们利用收集的世界范围内的无线电探空数据（包含从1966—1969年、1973—1974年大约三百万个无线电探空测量仪收集的数据）和海洋表面气象观测数据（包含了15年的世界大部分海洋表面的气象观测数据）进行统计分析，形成了全球的大气波导统计数据库HEPCD（Historical Electromagnetic Propagation Condition Database），如NCCOSC（Naval Command Control and Ocean Surveillance Center）的DCS（Ducting Climatology Summary）、EREPS（Engineer＇s Refractive Effects Prediction System）的SDC（Surface Duct Summary），以及AREPS（Advan-ced Refractive Effects Prediction System）的大气波导统计子模块，这些数据库统计的大气波导特征规律，基本上能反映出大气波导的季节变化趋势和地域分布特点，但由于水平分辨率和垂直分辨率的限制，可信度不高。例如，DCS中形成的马仕顿方格是100×100的，难以满足实际的需求。对海上大气波导的统计工作都是在专项试验下进行的，比较有代表性的是1993年在南加州海岸附近，1996年在波斯湾，1998年在美国Wallop岛，2001和2003年在加利福尼亚沿岸，2005年在波罗的海Surendorf海域等地的试验，虽然这些试验监测数据的水平和垂直分辨率足够高，能够满足评估雷达探测性能的需要，但这些数据仅代表个别地域而且不连续，持续时间短，对于研究海上大气波导分布特征和变化规律还远远不够。国内在大气波导监测和统计规律方面的研究已取得了一定的进步。例如，由大连舰艇学院自行研制的“被动式大气波导探测系统”，利用总体通量法对海洋大气环境特别是蒸发波导环境进行实时监测，并评估蒸发波导条件下雷达的探测性能。武汉工程大学的察豪、林伟等人则是利用RFC技术（即雷达海杂波反演大气波导的方法）来监测大气波导信息。对于大气波导统计分析，河南新乡电波传播研究所的刘成国、潘中伟、蔺发军等人对东南沿海的大气波导进行了统计分析，得到了一些基本的变化规律与分布特征。北京大气研究所的戴福山、李群等人利用中国沿海的大气波导铁塔数据，建立了“大气波导数据库系统”。
大气折射引起电磁波射线轨迹发生弯曲，形成雷达的定位误差（折射误差），电磁波的弯曲程度与大气折射的剖面（廓线）有关，折射误差研究中多考虑标准大气折射廓线，通常使用4/3等效地球半径模型来简化，然而由于大气波导环境这种异常折射结构的存在，使得电磁波传播发生不同于标准折射的弯曲特征，尤其是波导的“陷获”层结构使得满足一定条件的电磁波形成“陷获”传播时，必然导致雷达在探测、跟踪过程中产生与标准大气环境下明显不同的定位误差。
近年来，雷达对低空目标的探测、跟踪具有越来越重要的意义，大气波导对电磁波传播的弯曲影响效应、对雷达低空探测误差的影响已成为重要的研究课题。国外大气波导研究具有较长历史，大量文献关注波导环境下的异常折射误差研究，如Skolnik认为电磁波的掠射角小于1.5°或者更小的时候，必须考虑大气波导“陷获”电磁波所带来的误差。James的研究报告中对大气折射环境下雷达探测性能进行专门的研究，报告对大气波导条件下雷达可能形成的误差作了分析。Pittman的学位论文针对缺少大气环境监测手段，依据波导环境统计规律的舰载雷达低空探测误差的算法。而国内考虑大气折射误差问题时，通常考虑数十千米范围的大气折射剖面甚至电离层折射等，对于雷达低空目标定位误差，通常考虑了对流层大气折射廓线，却忽略了复杂、变化的折射环境，如大气波导环境等。目前国内较少文献专门针对大气波导等异常折射环境所带来的雷达探测误差，这使得大气波导与雷达异常误差之间的定量关系、准确地评估实测大气波导环境下雷达的低空误差特征等依然是国内急需解决的课题。
大气波导等异常折射环境对雷达的影响评估关键在于波导环境下电磁波传播的数值模拟技术，电磁波传播领域通常分为标准传播和非标准传播两种。其中，标准传播机制包含了经典的反射（粗糙面、曲面的反射和多路径机制）、衍射、对流层散射等机制，使可用基于Ray-tracing技术的数值模型，如电磁波的光学射线技术的模型ROM（Radio Optics Model）等进行电磁波传播模拟和分析，模式较为简单，在特定范围内具有良好的模拟效果，然而对于波导环境下则存在较大的限制。
随着研究的深入，对流层大气波导等异常折射环境下电磁波异常传播研究成为电波传播的一个重要研究方向，早期使用过一些依据试验获得的经验模型，如EREPS使用的经验模式；早期较为普遍的是利用波导模WGM（Wave-Guided Mode）模型（依据波导传播理论建立）来模拟电磁波在波导环境下的传播，WGM发展成为业务化系统IREPS的模型；从20世纪80年代开始，这些模型已逐渐被使用裂步傅里叶算法SSFA（Split-Step Fourier Algorithm）技术的抛物方程模型PEM（Parabolic Wave Equation Model）所代替，并经历了一个快速发展时期之后形成了多种基于PEM-SSFA的模型，如Ko等人的EMPE（Electro Magnetic Parabolic Equation）、Barrios等人的TPEM（Terrain Parabolic Equation Model）、Levy等人的HPE（Horizon Parabolic Equation）、Frank Ryan等人的VTRPE（Variable Terrain Radio Parabolic Equation）、Hitney等人的RPO（Radio Physical Optics，美国海军大气折射应用评估系统的“标准”模型）和APM（Advanced Propagation Model）等。PEM模式虽然忽略了后向散射特征，并且在大于15°仰角时存在较大误差，然而其具有优良的特性（数值稳定性、运算速度）和良好的模拟效果，并且在计算量和计算精度上选择一个折中，特别适合工程应用，目前已成为大气波导等异常折射环境下最普遍流行的电磁波传播模式。
波导环境下雷达性能评估等研究成果与电磁波传播模式的发展相对应，国外在这一领域取得了明显的研究成果，如美国海军业务化运行的IREPS系统、SEAWASP系统使用的是WGM模式；RPO系统、TPEM系统分别使用了RPO、TPEM模式，用于替代IREPS系统的AREPS系统中使用了APM模式；而用于工程研究的EREPS系统则使用了依据试验数据获得的经验模式等。
相比较而言，国内在对流层，特别是大气波导环境下的电磁波传播研究状况距离世界先进国家尚有差距，目前国内还没有进行过“波导环境下电磁波异常传播”等基础性的长期试验，国内在对流层电磁波传播研究中，常常忽略大气波导的影响，使得对观测到的一些雷达现象（如超视距探测等）、对雷达系统的试验评估等带来一些问题。近年来，随着现实需求的推动，国内如大连舰艇学院、南京14所、新乡22所等研究机构致力于大气波导等异常折射环境对电磁波传播影响、对雷达低空探测性能影响评估等方面的研究，并取得了一定的成果，如大连舰艇学院的“雷达超视距预报评估系统”和“被动式大气波导探测系统”等。
海杂波问题非常复杂，主要由粗糙海面的后向电磁散射构成，通常受自然因素（海况、风速、波浪速度、海浪方向等）、电磁参数以及电磁波照射的掠射角等多种因素的影响，研究海杂波主要从两个角度入手：一个是从机理角度（粗糙海面电磁散射的数值研究）；另一个是从海杂波回波信号特征的角度（海杂波幅度分布特征、相关性、频谱特征等方面的研究），如海杂波幅度的K-分布、韦布分布、对数正态分布等。然而无论从哪个角度，海面反射率（后向散射系数）σ 0 是一个重要和基础的概念，它是杂波分析中的一个非常关键的指标，由于海面散射体的复杂性，这一领域还不足够完善。目前，在实测数据基础上形成的杂波模型，都只对某一频段雷达在特定环境下的杂波预测有着重要参考意义，还缺乏通用、非常成功的模型。近年来，随着大气波导研究的深入，特别是随着一些高功率、高分辨率多普勒现代雷达的使用，更多具有复杂特征的异常海杂波被观测到，尤其是在大气波导环境下出现的海杂波增强及超远距离海杂波回波特征，这使得波导环境下的海杂波问题受到关注。
国外研究波导环境下海杂波问题采用的方法可归纳为：①针对单一的波导，采用Ray-tracing技术，将大气波导环境效应考虑到掠射角问题上，如Paulus分析蒸发波导对海杂波的影响、Snyder建立的表面波导环境下的海杂波模型等研究。这类技术较为简单、直观地将大气波导环境与海面反射率联系起来了，可以部分地解释经验模型在极低掠射角条件下偏差较大的问题。②将大气波导对掠射角的影响、对海面电磁入射能量的影响考虑到海杂波问题中，利用电磁波传播数值模式分析大气波导环境下的掠射角分布、能量分布等异常特征，如Dockery、Reilly使用EMPE计算传播因子并估计掠射角，研究了复杂传播环境下的海杂波模拟的方法，这类技术能应用分析蒸发波导、表面波导等不同类型波导环境下雷达海杂波特征，并从工程上建立波导环境下海面反射率的修正模式。③从分析电磁散射的角度，Pappert等人将波导环境下的电磁散射机理用于修正一阶Bragg散射，得到波导环境下海杂波的能量损耗方程，这类技术具有较深的理论基础，能够很好地解释大气波导环境影响雷达海杂波的机理，在实用性方面存在限制。④其他还存在一些建立在试验基础上的经验模型能够用于分析波导环境下海杂波特征。上述研究及大量的试验表明：国外在波导环境与海杂波之间联系方面的研究比较深入，形成的波导环境下海杂波评估预测方法具有较强的实用性。
相比之下，国内在这一领域的研究起步较晚。国内一些新体制雷达在海上的试验测试过程中多次观测到异常杂波现象。在这些现实需求背景的推动下，开展波导环境下低掠射角的海面电磁散射机理研究，建立大气波导环境与海杂波之间的联系，更有效地掌握波导环境下异常杂波的特征以及利用波导环境与海杂波之间的联系，对于解决新体制雷达的异常杂波问题、提高雷达低空性能具有重要意义。