高频地波超视距雷达特点及应用研究

#总体工程 # 中图分类号: TN958. 53 文献标识码: A 文章编号: 1004- 7859( 2009) 03- 0007- 04 高频地波超视距雷达特点及应用研究 毛 滔 1, 2,夏卫民2,曲翠萍 3,罗 军3 ( 1. 清华大学电子工程系, 北京 100084; 2. 海军司令部第四部, 北京 100841) ( 3. 海军装备研究院, 北京 100161) 摘要: 通过对高频地波超视距雷达本身固有特点结合应用进行了,针对一些实际问题,提出了在当前技术条件下 ,如 何通过技术改进或调整使用方法来提高雷达的效能,缓解应用中遇到的困难, 并对当前地波雷达的先进技术进行了相关 介绍。 关键词: 高频地波雷达;超视距雷达;应用分析 A Study on Characteristics and Applications ofHF GroundW ave OTH Radar MAO Tao 1, 2 , X IAW e-im in 2 , QU Cu-i p ing 3 , LUO Jun 3 ( 1. Department o fE lectron ic Eng ineering, T singhua University, Be ijing 100084, Ch ina) ( 2. The Fourth Departm ent ofHeadquarters of Navy, Be ijing 100841, Ch ina) ( 3. N avalA rm am entA cademy, Beijing 100161, China) Abstrac t: In th is paper, the inherent character istics of HF g round w ave Over- the-H orizon( OTH ) radarw ith applications are ana- lyzed. Focusing on practical problem s, som e technical im provem ents and ad justings m ethods a re suggested to so lve the applica tion prob lem s in actua l technical conditions. F ina lly, som e advanced techno log ies o fHF ground w ave OTH radar are introduced. K ey words: HF ground w ave radar; OTH radar; app lication ana lys is 通信作者: 毛滔 Emai:l ema iltom ao tao@ 163. com 收稿日期: 2008-10-08 修订日期: 2009-02-27 0 引 言 随着对海洋权益的日益重视,各国针对 200 km经 济专属区地监视发展了多型探测装备,如利用卫星、预 警机、无人机、气球载雷达等。其中, 地波超视距雷达 具有大范围、远距离、全天候探测的功能,成为各国进 行远距离对海监视的有效手段。地波超视距雷达作为 一种新体制雷达,有其自身的优缺点,本文将结合其应 用深入分析这些优缺点,并针对目前的技术水平,提出 相应的解决方法,以缓解地波超视距雷达在实际应用 上遇到的困难。 1 问题分析 1. 1 地波超视距雷达的抗干扰 1. 1. 1 对于射频干扰 地波超视距雷达一般工作在高频波段 ( 3 MH z~ 30MHz) ,而此波段的通信电台较为拥挤, 尤其是黄昏 与夜晚,无线电台的干扰十分严重。为了规避进入雷 达主波束的无线电台的大功率窄带干扰, 地波超视距 雷达有专用的频率监控设备, 进行寂静频率的自适应 选择。频率监控设备是与目标探测和跟踪分系统并行 工作的无源接收设备,对雷达工作频段内的频谱占用 进行实时监测,评估信道, 根据雷达不同的信号带宽按 照一定的算法选择出寂静频率, 以保证雷达能够在电 磁环境恶劣的短波频段上正常工作。由于地波超视距 雷达的信号带宽一般为几十千赫兹, 而短波电台信号 带宽一般为 5 kH z左右,因而在雷达工作带宽内,经常 混有一个或多个短波电台的信号。虽然频监系统能够 自适应地选择出寂静工作频率, 但这一频段内密集的 短波电台和通信 /干扰0使得寂静频率的选择变得十 分困难。针对高频雷达射频空间结构的非平稳特性, Fabrizio提出了一种自适应的干扰抑制方法 [ 1] , 基于这 种自适应的干扰抑制方法对目标信号相干积累的影 响,国内提出了一种天线方向图综合方法,该方法可以 兼顾射频干扰的抑制和目标信号的相干积累 [ 2 ]。 在使用中通过选择地波超视距雷达不同的工作信 号带宽,充分利用该频段无线电台占用频率的 /间隙 0 选择 /寂静0频段,从而增强了短波频段内频率的使用 效率。减小地波超视距雷达的工作信号带宽是以损失 )7) 第 31卷 第 3期 2009年 3月 现 代 雷 达 M ode rn Radar Vo .l 31 No. 3 M ar. 2009 雷达的探测精度为代价的,对雷达的探测距离并无太 大影响。地波超视距雷达是作为一种远程预警探测手 段使用,在黄昏和夜晚无线电干扰较严重的情况下,采 用减小工作信号带宽的方式能够有效地降低无线电台 的干扰。 1. 1. 2 对于电离层杂波干扰 目前,对于大多数国家研究的地波超视距雷达而 言,电离层的杂波干扰最难克服。电离层的离子浓度 主要受太阳辐射强度 (紫外线及波长更短的光 )影响, 电离层各层离地面高度、离子浓度大小随纬度、季节、 时刻都有所变化。一般来说, 电离层对地波雷达的干 扰,高纬度地区要好于低纬度赤道地区, 冬季好于夏 季,白天好于夜晚。因此, 俄罗斯、加拿大等高纬度国 家的地波雷达所受到的电离层干扰情况要远远小于我 国。电离层杂波干扰主要是由于发射和接收天线垂直 方向图控制不理想,使得雷达向上辐射的能量过大,如 图 1所示。 图 1 天线垂直方向图 向上辐射的能量经电离层作用后变成杂波信号, 一部分直接反射回雷达接收系统而形成杂波形式的干 扰,一部分反射到海面后再分别经过天地波的形式返 回接收系统形成杂波。虽然发射和接收天线均为垂直 极化, 但这种杂波经过电离层调制后一般包含了各种 极化成份,因此难以进行较好的对消。 电离层的杂波干扰对于地波雷达而言严重地影响 了对目标的提取,目标被淹没在较强的电离层干扰中。 由于电离层干扰是随时间快变化的, 而地波雷达对目 标尤其是海面目标的探测往往需要一定的积累时间, 因而想要消除这种干扰是非常困难的。 图 2表示了电离层干扰对系统影响,横坐标表示 多普勒频率,纵坐标表示距离, 颜色的深浅表示干扰的 强弱, 由图 2b可以看出,电离层干扰强的时候可以和 B ragg峰相比拟。 对于电离层干扰的解决, 目前国内外尚无较好的 方法。加拿大的地波超视距雷达另外增加了一副接收 天线 [ 3- 4] ,用以对消电离层干扰,但效果大都不十分明 显,而且造价太高。 图 2 电离层干扰对系统的影响 针对电离层干扰主要是由于向上辐射的能量太大 而造成,因而需要尽量压低天线主瓣、降低副瓣。判断 副瓣的位置和主瓣的仰角高度是否和理论计算结果相 符合是解决电离层干扰的必要手段, 可以使用直升机 悬挂辐射源过顶飞行进行测量, 雷达处放置全向标准 天线,用以对到达雷达天线口面的信号大小进行标准 化修正,修正时包括利用辐射源和雷达的相对位置计 算极化失配损耗。 电离层干扰在高频波段一般是随着频率的增高而 减小,但是频率增高衰减增大, 通过在使用中积累经 验,摸索电离层干扰强弱与时间、季节的关系, 适当调 整工作频率,以降低雷达的远距离探测性能为代价,从 使用上减轻电离层干扰对雷达的影响。 1. 2 地波超视距雷达探测精度对作战效能的影响 地波超视距雷达受天线口径和信号带宽的限制, 方位分辨率和距离分辨率较微波雷达差,但作为一种 远程预警探测设备而言,它能够进行远距离的超视距 探测,从而能提供较长的预警时间。地波超视距雷达 进行多普勒测速,而且测速精度极高。正是靠着较高 的多普勒速度分辨率使得地波超视距雷达对编队目标 的识别概率较高。地波超视距雷达测量目标的瞬时速 度,而并非一个积累周期的平均速度。国外一些资料 表明,地波超视距雷达的速度分辨率能够达到 10- 2H z 的量级,如果按照 6MHz的工作频率计算, 对于编队 航行的舰船速度差达到 1 m /s的量级就能够被分辨。 对于地波超视距雷达测速需要注意的是,对于重点跟 踪的目标,为防止目标落入一阶 Bragg峰, 需要操作员 根据目标速度调整工作频率以避开 B ragg峰, 一阶 B ragg峰如图 3所示。 根据 Bragg谐振散射机理, 当海浪波长 L为电磁 波的半波长 K/2时, 其特征速度 VB = gL 2P = gK 4P , fB = ? 2VB K = ? g PK )8) 2009, 31( 3) 现 代 雷 达 式中: g为重力加速度; fB 为重力波产生的多普勒频 移; ?表示朝向和背离雷达运动的重力波产生的正负 多普勒频移。 图 3 一阶 B ragg峰和目标 超视距雷达的定位精度低,但是时效性高,因而可 考虑结合低时效性但具有高精度定位能力的其他探测 手段来进行远程目标指示。在目前所有提供远程目标 指示的系统中,超视距雷达和卫星都属于可长时间使 用的系统,两者的联合不仅能够建立新的远程目标指 示通道,而且能够实现目标指示的隐蔽性。利用这 2 种常规装备,针对具有强大防空能力的水面舰船,提供 远程目标指示,增强攻击的突发性,提高成功率。 1. 3 地波超视距雷达的抗毁性 地波超视距雷达是一种重要的远程 (超视距 )预 警探测和监视装备, 在现代战争中将会受到反辐射导 弹、精确制导武器、精确制导炸弹等武器的攻击而易被 摧毁, 因此地波超视距雷达的抗毁性已引起足够的重 视及关注。 1)地波超视距雷达具有良好的抗反辐射导弹攻 击能力 目前反辐射导弹由于受到本身尺寸的限制, 还不 能对付工作频率在 390MH z以下的雷达 (目前反辐射 导弹的频率覆盖范围为 2 000MHz~ 18 000 MH z)。 地波超视距雷达工作在高频波段, 因此具有良好地抗 反辐射导弹攻击能力。 2)地波超视距雷达阵地面积大易被侦察定位和 攻击 由于地波超视距雷达的站址必须选择在沿海岸平 坦地段,再加上占地面积较大, 使雷达的阵地完全暴 露。因而,容易被敌方利用各种手段 (包括卫星侦察 ) 侦察定位,从而使用各种精确制导武器进行攻击。因 此,地波超视距雷达抗毁性较弱。需对地波超视距雷 达阵地采取伪装措施,如用草、树、沙漠、海洋等颜色伪 装雷达阵地,提高其反侦察定位能力,并配备一定的防 空力量,从而提高地波超视距雷达的抗摧毁能力。 3)地波超视距雷达抗毁性措施 地波超视距雷达采用发射与接收分址布置, 其发 射阵地由于进行大功率的电磁波发射易被侦察而受到 攻击,接收阵地具有一定隐蔽性, 且使用大型阵列天 线,很难被一次性完全摧毁,部分损坏仅导致雷达降低 性能使用,具有一定的抗毁性。为了提高地波雷达的 抗毁性,可以考虑天线的小型化、机动化, 但需要 进行超方向天线技术、超分辨算法研究。 1998年美国 的 CodarO cean Sensors有限公司研制了一种紧凑型的 高频雷达天线,利用了超方向性天线技术,天线阵面做 的很小,长度仅有 30m (工作波长 60m ), 而其方向性 系数指标接近于阵长为 1. 2 km的等幅加权普通阵列 天线。高频地波超视距雷达天线的小型化、机动化不 仅能够提高地波超视距雷达的抗毁性, 而且具有极大 的经济性,并且为舰载地波超视距雷达的天线设计打 牢基础。 1. 4 地波超视距雷达的目标识别技术 地波超视距雷达的信号带宽窄 (几十千赫兹 ), 天 线孔径相对其工作波长较小, 存在距离和方位分辨率 低等问题,无法实现微波雷达对目标进行的逆合成孔 径二维成像; 又由于该雷达的作用距离远、目标 (舰 船 )运动速度小, 则横向一维成像技术在此类系统中 也难以实现。但是地波超视距雷达可以利用目标的速 度、雷达反射截面积 ( RCS)、回波谱特征及相应姿态角 进行判性,判断目标属于海、空目标, 大、小目标,单、群 目标等。 对于垂直极化的地波超视距雷达, 目标的高频散 射特性主要取决于目标的垂直高度, 对于舰船目标,包 括组成舰体上层建筑的各种拉线、桅杆、烟囱和天线 等;对于飞机目标,飞机收回起落架后的高度成为影响 RCS的主要因素,尤其是飞机尾部的垂直翼, 双垂尾飞 机从正后方与单垂尾飞机的 RCS接近,但是当雷达从 方位上以一定角度进行观测时,双垂尾飞机的 RCS由 于 2个垂直的尾翼叠加而要大于单垂尾飞机。这是从 物理组成上目标的垂直尺寸接近或等于 1 /2(或 1 /4) 波长时,它们对入射波产生谐振散射。另外一种来自 目标本身的散射,对舰船而言, 船体与海面构成的二面 结构是船体 RCS的主要部分; 对于导弹目标, 它后部 喷发的尾焰导致周围的空气电离, 大大增强了它的 RCS值。 舰船目标由于尺寸大小和雷达工作波长接近, 因 而工作在谐振区,目标的 RCS随频率的变化而起伏变 化。在某些频率上, 目标的 RCS会很小, 以至于地波 超视距雷达无法对其观测,而在某些谐振频率上,目标 )9) #总体工程 # 毛 滔, 等:高频地波超视距雷达特点及应用研究 2009, 31( 3) 的 RCS会出现极大值,如图 4所示,该图显示的是某 型舰船前后向 RCS随频率变化图。而对于飞机目标, 基本工作在瑞利区,具有极点不变性, RCS随着频率的 增加而单调增加,如图 5所示。按照目标的不同姿态、 不同频率、不同极化方式建立目标特征库,并应用于地 波超视距雷达。使得在使用中能够尽量避开极小值, 使用目标 RCS较大的工作频率。并且, 结合工作频率 越高衰减越大的特性综合考虑, 建立一定的数据库并 提炼规则,供操作员使用。 图 4 某型船前后向 RCS 图 5 某型飞机前后向 RCS 1. 5 天发 -地收新体制超视距雷达 可发展天波发射,地波接收的天地波一体化超视 距雷达,接收的地波站可以是岸基或者舰载。这样能 够使两者优势互补。相比地波雷达, 由于电磁波衰减 小,使得探测距离远远增大; 相比天波雷达,由于受单 一电离层影响,可提高天波雷达对舰船等低速海面目 标的发现概率; 接收站为无源接收, 虽然位于阵地前 沿,但隐身能力增强; 该体制可灵活实现基于岸基天波 发射、岸基和舰载接收的多基地超视距雷达系统,构成 天地波一体化的雷达探测系统网, 实现天地波超视距 雷达资源共享,进一步提高探测超视距目标威力范围、 检测概率、跟踪定位精度等系统性能。 2 结束语 地波超视距雷达作为一种大范围、远距离、全天候 警戒探测系统,体制性研究已经开展若干年,但其应用 系统作为一种新体制雷达在使用中尚存在很多问题, 本文通过对地波超视距雷达本身固有的优缺点结合使 用进行了分析,针对一些实际问题,提出了在目前技术 条件下,如何通过技术改进或者通过调整使用方法来 提高该体制雷达的效能,缓解使用中遇到的困难,具有 相当的现实意义。 参 考 文 献 [ 1] Fabrizio G A, Avam ov ich Y I. 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