高頻超視距混合天地波雷達(dá)海雜波特點(diǎn)分析

姜 維 鄧維波 楊 強(qiáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程技術(shù)研究所 哈爾濱 150001)

1 引言

1992年，聯(lián)合國(guó)在海洋公約上規(guī)定，各國(guó)領(lǐng)海基線以外200 n mile以內(nèi)的海域?qū)儆谠搰?guó)的專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)，每個(gè)國(guó)家在專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)享有廣泛開(kāi)發(fā)權(quán)利，同時(shí)，還要承擔(dān)打擊走私，海面環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和分析，污染的檢測(cè)、控制和清除等一定的義務(wù)。對(duì)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的有效實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為臨海國(guó)家近年來(lái)所面臨的一個(gè)重大問(wèn)題。由于地球曲率的影響，大部分地基微波雷達(dá)對(duì)視距以外的海洋表面目標(biāo)信號(hào)很不敏感。高頻超視距雷達(dá)是一種能夠提供海表面艦船和低飛目標(biāo)超視距探測(cè)的系統(tǒng)。高頻超視距(Over The Horizon, OTH)雷達(dá)目前采用的傳播方式主要有兩種模式，即天波傳播模式的天波超視距雷達(dá)和地表面波傳播模式的地波超視距雷達(dá)。

高頻天波超視距雷達(dá)是利用電離層對(duì)短波的折射，使電磁波在電離層與地面之間跳躍傳播來(lái)探測(cè)目標(biāo)的超視距雷達(dá)。高頻天波超視距雷達(dá)能發(fā)現(xiàn)低空或超低空來(lái)襲目標(biāo)，同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，如：設(shè)備龐大復(fù)雜、占地面積大、抗干擾能力差、效費(fèi)比極高、近距盲區(qū)大、工作受電離層變化的影響以及無(wú)法對(duì)艦船目標(biāo)進(jìn)行有效的探測(cè)等。高頻地波超視距雷達(dá)又稱表面波雷達(dá)，是利用短波能夠沿地球表面繞射的特性，來(lái)探測(cè)地平線以下的目標(biāo)。地波超視距雷達(dá)利用高頻(2-30 MHz)垂直極化電磁波沿海面?zhèn)鞑p耗低、距離遠(yuǎn)的這一特點(diǎn)，來(lái)檢測(cè)視距外的艦船、飛機(jī)甚至巡航導(dǎo)彈等目標(biāo)，其探測(cè)距離可達(dá)到400 km。地波超視距雷達(dá)具有不受電離層波動(dòng)影響、傳播穩(wěn)定、能監(jiān)視常規(guī)微波雷達(dá)的低空盲區(qū)和彌補(bǔ)天波超視距雷達(dá)照射不到的近程盲區(qū)等優(yōu)點(diǎn)；但近期研究發(fā)現(xiàn)，電離層雜波直接進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)仍會(huì)對(duì)地波超視距雷達(dá)的探測(cè)性能產(chǎn)生很大的影響[1,2]。基于天波發(fā)射，地波接收的高頻超視距雷達(dá)是一種混合體制雷達(dá)，這種混合體制防御系統(tǒng)是以現(xiàn)有的天波和地波OTH雷達(dá)技術(shù)為基礎(chǔ)，為克服天波和地波超視距雷達(dá)存在的缺陷，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，進(jìn)一步提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)性能[3]。這種新體制雷達(dá)由于收發(fā)分置，發(fā)射站位于遠(yuǎn)離海岸的后方，接收站不輻射能量，具有良好的抗有源定向干擾和抗反輻射導(dǎo)彈能力，提高了雷達(dá)系統(tǒng)的生存能力；同時(shí)如果工作在較低頻段，其對(duì)目標(biāo)的照射角、反射特性等與常規(guī)雷達(dá)不同，因此還具有探測(cè)隱身目標(biāo)的能力。

混合體制高頻超視距雷達(dá)系統(tǒng)采用天波發(fā)射-地波接收的工作模式，由于工作在高頻波段，影響系統(tǒng)信噪比的主要噪聲源是外部環(huán)境噪聲，主要包括大氣噪聲、人為噪聲等。而影響海表面艦船和低空飛行目標(biāo)檢測(cè)的主要因素則是一階及二階的海洋雜波背景和電離層的波動(dòng)。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者深入研究了高頻波段的海雜波特性，但根據(jù)應(yīng)用背景的不同，其研究的主要是岸基或艦載的單基地系統(tǒng)[4?7]，或者是高頻地波雙基地雷達(dá)系統(tǒng)[8?10]。針對(duì)基于天波發(fā)射，地波接收的這種混合體制高頻超視距雷達(dá)系統(tǒng)，尚沒(méi)有發(fā)現(xiàn)研究其海雜波特性的相關(guān)文獻(xiàn)。本文首先簡(jiǎn)單介紹了這種混合體制高頻超視距雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理等進(jìn)行了基本說(shuō)明，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，給出了這種混合體制下觀察到的海雜波表現(xiàn)出來(lái)的一些特點(diǎn)，最后對(duì)每種特點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析和解釋，并結(jié)合實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)這些原理進(jìn)行驗(yàn)證，為研究海雜波抑制及目標(biāo)檢測(cè)方法提供理論支持。

2 混合體制雷達(dá)系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成和雷達(dá)的工作原理

該系統(tǒng)主要包括發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號(hào)處理系統(tǒng)、電離層探測(cè)系統(tǒng)等。布局示意圖如圖1所示。

雷達(dá)的工作原理：利用海岸后方的雷達(dá)站作為發(fā)射站，發(fā)射站輻射的電波能量經(jīng)電離層反射到監(jiān)測(cè)海域，被天波能量照射的這一海域的低飛和海面目標(biāo)所散射能量，以地波繞射波方式沿海面到達(dá)雷達(dá)接收站，從而實(shí)現(xiàn)利用天波發(fā)射-地波接收模式對(duì)海上艦船和飛機(jī)目標(biāo)的檢測(cè)。

圖1 天波發(fā)射、地波接收的高頻超視距雷達(dá)的布局示意圖

此外，相應(yīng)位置還應(yīng)設(shè)置有電離層(垂直、斜投射、返回散射)探測(cè)站，監(jiān)視電離層的變化，提供選頻的信息服務(wù)；給出電離層剖面、計(jì)算電離層傾斜，天波信道延長(zhǎng)參數(shù)的原始數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)檢測(cè)目標(biāo)、目標(biāo)定位、抗干擾等方面的需要。

2.2 定位原理

為了方便分析，計(jì)算中忽略了地球曲率的影響，將目標(biāo)與雷達(dá)系統(tǒng)位置關(guān)系簡(jiǎn)化為平面幾何關(guān)系，如圖2所示。另外這里認(rèn)為電離層沒(méi)有傾斜，所以有R1=R2。

圖2 分址雷達(dá)簡(jiǎn)化平面示意圖

結(jié)合圖2，利用三角函數(shù)公式，收發(fā)分址雷達(dá)系統(tǒng)定位方法經(jīng)理論和數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到

式中L為發(fā)射站和接收站之間的基線距離；θr為目標(biāo)與基線之間的夾角，R=R1+R2+Rr為利用時(shí)延得到的距離；Rr為目標(biāo)與接收站之間的距離，h為電離層的高度。

3 海雜波隨方位變化的特點(diǎn)及分析

利用基于天波發(fā)射，地波接收的某實(shí)驗(yàn)高頻超視距雷達(dá)系統(tǒng)，系統(tǒng)天線陣列采用8個(gè)陣元的等間距直線陣列，工作頻率3-15 MHz，基線距離是800 km。對(duì)該系統(tǒng)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行常規(guī)的距離處理和多普勒處理之后，再進(jìn)行數(shù)字波束形成(Digital Beam Formation, DBF)，某批數(shù)據(jù)的處理結(jié)果如圖3所示，由圖中可以清楚看到兩個(gè)Bragg峰(也就是海雜波)、電離層雜波和直達(dá)波。圖中“DBF 30”表示DBF后30°方向的處理結(jié)果，其他類似。

通常高頻超視距雷達(dá)系統(tǒng)，不管是天波雷達(dá)系統(tǒng)，還是地波雷達(dá)系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)上述同樣的傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)處理流程之后，海雜波在不同方位的結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)明顯不同。這是因?yàn)楹ｋs波通常是沒(méi)有方向性的，這也是區(qū)別海雜波和目標(biāo)的一個(gè)依據(jù)。然而利用混合體制雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，處理結(jié)果卻表明海雜波隨著方位的變化而變化。

圖3 工作頻率8.8 MHz數(shù)據(jù)的DBF處理結(jié)果

3.1 海雜波出現(xiàn)的距離隨不同方位的變化

如圖3所示，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)隨著波束方位角度的減小，可觀測(cè)到海雜波的距離也不斷變小。即海雜波表現(xiàn)出一定的“方向性”，這與海雜波是沒(méi)有方向性的結(jié)論相悖。

下面分析其原因。我們采用傳統(tǒng)的經(jīng)典方法(距離處理、多普勒處理，數(shù)字波束形成)得到的處理結(jié)果中的距離實(shí)際上是一種等效，即認(rèn)為

圖4 Rr/隨R和θr的變化曲線

由于衰減的原因，可以觀察到海雜波的實(shí)際距離其實(shí)是有限的。不同方位的DBF處理結(jié)果中，海雜波可以看成是沿距離遠(yuǎn)近分布的一個(gè)個(gè)散射單元，每個(gè)散射單元可以看成一個(gè)目標(biāo)，而目標(biāo)的方位則可以認(rèn)為就是DBF處理結(jié)果對(duì)應(yīng)的不同方位。由前面分析已經(jīng)知道目標(biāo)的真實(shí)距離和測(cè)量值之間存在誤差，并且誤差受目標(biāo)的方位影響，因而位于相同(真實(shí))距離不同方位的目標(biāo)(這里對(duì)應(yīng)海雜波)對(duì)應(yīng)的等效測(cè)量距離(處理結(jié)果中觀測(cè)到的)也是不同的。這就出現(xiàn)圖3中的情況，也就解釋了混合體制雷達(dá)系統(tǒng)處理結(jié)果中海雜波在距離維的出現(xiàn)范圍隨方位變化的現(xiàn)象。圖5給出了對(duì)應(yīng)圖3中距離20 km處的剖面圖，由圖中標(biāo)出的左側(cè)海雜波的幅度隨方位的變化情況，也從另一個(gè)角度驗(yàn)證了前面的結(jié)論。這里圖中“DBF 30”的含義同前。

3.2 海雜波的展寬隨不同方位的變化

由于這種混合體制雷達(dá)實(shí)際上也是一種收發(fā)分置的雙基地雷達(dá)系統(tǒng)，與通常的單基高頻超視距雷達(dá)系統(tǒng)的處理結(jié)果相比，不管是天波雷達(dá)系統(tǒng)，還是地波雷達(dá)系統(tǒng)，混合體制雷達(dá)系統(tǒng)中的海雜波都是會(huì)展寬的。如圖6所示，其中T表示發(fā)射站，R表示接收站，E為散射單元，β是雙基地角，利用

圖5 圖3中距離20 km處對(duì)應(yīng)的剖面圖

圖6 雙基地角說(shuō)明示意圖

文獻(xiàn)[6]推導(dǎo)的結(jié)果可知，其對(duì)應(yīng)的一階海雜波多普勒頻率可利用式(3)計(jì)算

式中g(shù)是重力加速度，這里取9.8 m/s2；f是工作頻率；c是光速，這里取3.0×108m/s；正負(fù)號(hào)分別對(duì)應(yīng)朝向和背離雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的海浪。實(shí)際上，雙基地布局下的海浪Bragg諧振散射條件是

當(dāng)m=1時(shí)，即對(duì)應(yīng)一階海雜波。式(4)中，λ為無(wú)線電波波長(zhǎng)，Δi和Δs分別對(duì)應(yīng)無(wú)線電波入射和反射的擦地角，L為波浪長(zhǎng)度。考慮圖1中本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的幾何關(guān)系和配置，我們有Δi=α和Δs=0，其中α是電離層到目標(biāo)的連線R2與目標(biāo)到發(fā)射站的連線Rt之間的夾角，體現(xiàn)發(fā)射過(guò)程中的天波傳播路徑。那么可以得到本系統(tǒng)配置下一階海雜波諧振的條件是

其它波長(zhǎng)的海浪不會(huì)產(chǎn)生相干散射，其回波可以忽略。在頻譜中，由于運(yùn)動(dòng)速度引起的多普勒頻移則為

其中vp為海波相位傳播速度。從水力學(xué)深水散射公式可知，對(duì)于重力波浪，其vp與其波長(zhǎng)有下列關(guān)系：

這樣，本系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的一階海雜波多普勒頻率的計(jì)算公式可以推導(dǎo)得到

然而由于這里系統(tǒng)采用的天線陣列規(guī)模相對(duì)較小，導(dǎo)致接收波束具有較寬的波束寬度，所以某距離門單元對(duì)應(yīng)的散射單元E不能等效為一個(gè)點(diǎn)，而是一小片區(qū)域。進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的雙基地角并非是單一的值，而是一個(gè)范圍，所以計(jì)算出一階海雜波的多普勒頻率也不是一個(gè)單一的定值，而是一個(gè)范圍，表現(xiàn)在多普勒譜上則是一階海雜波發(fā)生了展寬。由于散射單元對(duì)應(yīng)的區(qū)域大小由波束寬度決定，所以也把這種影響稱為寬波束和雙基地角共同造成的結(jié)果。需要說(shuō)明的是，由于現(xiàn)在對(duì)于Bragg峰寬度的定義和測(cè)量尚沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，所以這里主要是通過(guò)比較Bragg峰從峰值下降到噪底所覆蓋的范圍來(lái)觀察海雜波的展寬情況。

由前面的分析可知，一階海雜波的展寬程度跟雙基地角的范圍有關(guān)，而由圖6的幾何關(guān)系可知雙基地角的范圍則由散射單元離接收站的距離和方位決定，因此在距離一定的情況下，一階海雜波的展寬程度也隨不同方位發(fā)生變化。同樣以距離接收站50 km的散射單元為例，計(jì)算出其對(duì)應(yīng)海雜波在不同方位的展寬結(jié)果如表1所示，其中第1列夾角是指天線陣列形成波束與天線陣列法線方向的夾角，表中涉及角度的單位均為(°)。由表1最后1列的結(jié)果可以看出，一階海雜波的展寬程度隨不同方位變化，且在表中所示范圍內(nèi)，當(dāng)天線陣列形成波束與天線陣列法線方向呈-30°時(shí)，海雜波寬展程度最大，而天線陣列形成波束與天線陣列法線方向呈30°時(shí)，海雜波展寬程度最小。同樣可以看出不同方位的展寬程度最大相差才0.03 Hz，比一般的觀測(cè)尺度小一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，所以在圖3和圖5中都只是稍有體現(xiàn)，即海雜波在不同方位的展寬差別并不明顯。

表1 距離接收站50 km處的海雜波在不同方位的展寬程度計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

在基于天波發(fā)射，地波接收的高頻超視距混合天地波雷達(dá)系統(tǒng)中，天線陣列接收數(shù)據(jù)的處理結(jié)果表明，混合體制雷達(dá)系統(tǒng)的一階海雜波呈現(xiàn)出隨不同方位而變化的特點(diǎn)。DBF的結(jié)果中海雜波可觀測(cè)距離隨不同方位變化，是由這種混合體制雷達(dá)特有的幾何結(jié)構(gòu)推導(dǎo)而出的定位原理和采用傳統(tǒng)的雷達(dá)信號(hào)處理方法共同決定的；海雜波的展寬程度隨不同方位而變化，則是受雙基地角影響的結(jié)果，但變化不大。由混合體制雷達(dá)系統(tǒng)的定位原理決定了測(cè)量結(jié)果中的距離并不反映目標(biāo)距接收站的真實(shí)距離，針對(duì)混合體制雷達(dá)的電波傳播途徑和雙站工作模式提出相應(yīng)的新的雷達(dá)信號(hào)處理方法，則是高頻超視距混合天地波雷達(dá)系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

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