高频地波超视距雷达述评_刘春阳

2002年12月第30卷　第6期

现代防御技术

MODERNDEFENCETECHNOLOGY

Dec.2002Vol.30　No.6

高频地波超视距雷达述评

刘春阳,王义雅

(西南电子电信技术研究所,四川成都　610041)

　　摘　要:高频(HF)地波超视距雷达(GW-OTHR)利用雷达波束绕地表面衍射作用,能探测视距外的舰船、低空飞机和巡航导弹,不仅覆盖面积大、费用低,能弥补常规微波雷达低空盲区和天波超视距雷达的近距盲区,也无需注意电离层的变化,且可反隐身、抗反辐射导弹(ARM),因而在许多国家的国民经济和国防领域中得到了广泛的应用。论述了地波沿海面传播的特性和探测能力,并对超视距雷达的发展和应用进行了介绍。

关键词:地波超视距雷达(GW-OTHR);Bragg谐振散射;超分辨率;目标探测;海杂波展宽

中图分类号:TN958.93　　　文献标识码:A　　　文章编号:1009-086X(2002)06-0038-09

Reviewonhighfrequencygroundwaveover-the-horizonradar

LIUChun-yang,WANGYi-ya

(SouthwestInst.ofElectronicsandTelecommunicationsTechnology,Chengdu610041,China)

Abstract:Makinguseofthediffractionofradarbeamaroundtheearth′ssurface,thehighfrequencygroundwaveover-the-horizonradarcandetecttargetssuchasvessel,low-flyingaircraftandcruisemissileataover-the-horizondistance.Ithasalargeremotesensingareaandlowcost,canbeusedtocompensateforthelow-altitudeblindzoneoftheconventionalmicrowaveradarandtheshort-rangeblindzoneofthesky-waveOTHradar.Itneedn′tscoutingthechangesofionosphereandhasaabilityofantistealthandantiARM,soiswidelyusedinnationaleconomyanddefenceinmanycountries.Theradar′scharacteristicofthegroundwavetransmittingalongseasurfaceanditsdetectioncapabilityisdiscussed,itsdevelopmentandapplicationsarein-troducedtoo.

Keywords:Groundwaveover-the-horizonradar(GW-OTHR);Braggresonantscattering;Superresolu-tion;Targetdetection;Seaclutterspread

相互作用将产生Bragg绕射现象”rick对该现象给出了理论解释

[2]

[1]

1　引　言

二战期间,英国为探测敌机而研制了水平极化高频雷达,该雷达因海浪干扰及水平极化传播损耗大,而限制了它的作用距离。1955年,Crombie发现“数十米长的电磁波(指短波———引者按)与海洋的

。1972年,Bar-

。这为利用短波探

测视距外目标奠定了基础。由于空气是极有效的介质,海水是良导体,海平面既是空气的最底层,又是海洋的最顶层,且富含盐份,这就形成了一个特殊的区域———高频辐射受到内部反射的制约,波束贴紧

收稿日期:2002-04-17

作者简介:刘春阳(1965-),男,四川南部人,高工,学士,主要从事军事信息研究。

通信地址:　610041　成都市393信箱104号　电话:(028)87032594-357132

刘春阳等:高频地波超视距雷达述评·39·

海面向前传播,其范围要比一般雷达远。地波超视距雷达正是利用高频(2～30MHz)垂直极化电磁波沿海面传播损耗低、距离远的这一特点,来检测视距外的舰船、飞机甚至巡航导弹等目标的。采用先进的信号处理技术,其最大作用距离可在400km左右。由于地波超视距雷达具有不受电离层波动影响、传播稳定;工作波长长,能发现对微波雷达隐身的目标;反辐射导弹不能携带与短波相适应的大口径天线,从而使其具有抗反辐射导弹能力;能监视常规微波雷达的低空盲区和弥补天波超视距雷达照射不到的近程盲区等一系列优点,它受到世界各国特别是濒海国家的高度重视。

根据平台所处的位置,地波超视距雷达又可分为岸基型和舰载型两种。安置在海岸上,全天候、全方位地对海域进行超视距探测,可成为早期预警的有效手段。装配在舰船上,则可根据需要灵活地调动位置,机动性好,同时也使其载舰能够进行一定的探测预警,从而提高了生存能力。本文将就地波超视距雷达波束沿海面传播特性、探测能力、发展和应用状况等作一述评。

雷达工作波长一半的海浪才满足相干散射条件。基于重力海洋波色散律,单基地、水平照射和岸基地波超视距雷达的一阶Bragg频率为

fB=±

≈±0.1022

图1　地波海面散射归一化多普勒频谱Fig.1　Ground-waveoffingscattering　　　regularizedDoppler-spectrum

f0,(2)

式中:g=9.80665m s;λ为雷达工作波长(m);f0为相应的工作频率(MHz);±代表朝向雷达与背离雷达的重力波产生的正负多普勒频移。所以短波与海浪的一阶作用会在回波的多普勒频谱中产生2个尖峰———一阶Bragg峰(见图1),其位置由(2)式确定。

根据Rayleigh和Rice微扰理论,Barrick详细分析了海面散射并给出了海回波功率密度谱的理论模型

[3,4]

2　地波沿海面传播特性

2.1　Bragg谐振

根据Bragg谐振散射机理,由于地波超视距雷达发射的是垂直极化的调频间歇连续波(frequencymodulatedintermittentcontinuouswave,FMICW),这种波在海面传播时会引起反射。当正弦形海浪相邻波峰反射的雷达波波长满足(1)式时,则会产生相干散射,即Bragg谐振散射。

l·cosΔ=λ 2,

波束与海面的夹角(或称擦地角)。

由于反射回波是雷达波与海浪一次作用引起的,因此被称为一阶海回波,其对应频谱为一阶谱。雷达波与海浪的二次散射则引起二阶海回波,其对应的二阶谱是其幅度比一阶谱低约20～40dB的连续谱。通过海面散射的电磁波谱,主要是由一阶谱和二阶谱这两种成分组成,如图1所示。

由(1)式可知,当擦地角Δ※0时,唯有波

长为

(1)

式中:l为海浪波长;λ为雷达工作波长;Δ为雷达

。假设雷达所观察的海面是一个以某一额定

风速在充分长的时间里和足够大的海域上推动而达到均衡海况(sea-state)条件的海,则一阶回波的平均散射面积如下:

σω)=2πk01(

6

4m=±1

-2mk)δ(ω-mω),∑W(

B

(3)

式中:ω代表多普勒频率;m=±1表示多普勒频移的符号;ωB=2πfB为Bragg角频率;k0为雷达波波矢,其方向指向散射单元,幅度为2π λ;W(k)表示波矢为k的海浪波列的有向波高谱。此处k=-2mk0,即产生一阶Bragg峰的海浪其波长为雷达波长一半,其波数为雷达波数的2倍;又因为m=1表示正一阶Bragg峰,而此时对应的海浪矢量方向与雷达波束指向相反。

据(3)式可知,一阶谱的大小主要由波高谱

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W(k)决定。2.2　波高谱

波高谱是用来描述海洋表面起伏高度的。海表面起伏的随机特性被证明可以用高斯分布来描述,而其周期性可以借助傅立叶级数将其分解成不同的波长分量,且与风速和风向的关系密切:当风速和风向一定时,不同的k对应不同的W(k)大小;当k一定时,不同的风速或风向对应的W(k)大小也不一样

[5]

速小于临界值时,使用Pierson-Moscowitz无向谱,无向幅度谱的大小随风速的增大而增大

。

。一般地,波高谱可以表示成一个无向幅度谱

W(k)=W(k,θ)=Υ(k)G(θ),

(4)

与一个方向因子之积

图3　波高谱方向因子

Fig.3　Directionalfactorforwave-heightspectrum

式中:Υ(k)为无向谱;G(θ)为方向因子

。

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