臨近空間雙基地雷達信號衰減問題研究

王 博，陳長興，牛德智，趙延明，李 巖

（1.空軍工程大學電子系，陜西西安 710051；2.北京建筑材料科學研究總院有限公司，北京 100041）

臨近空間雙基地雷達是地基雙基地雷達利用臨近空間平臺，將發射設備或接受設備置于臨近空間［1］的一種新形式雷達，具有更遠的探測距離和更大的探測范圍。當探測距離大于視距時，處于地面部分的設備將不可避免地受到繞射效應的影響，導致信號衰減。同時，由于臨近空間的含氧量和含水量相比地表大大降低，使得大氣對信號的衰減程度發生了變化。本文中將從這兩點出發，探討臨近空間雙基地雷達的信號衰減問題。

1 臨近空間雙基地雷達探測目標情況

空間雙基地雷達按照布站的不同分為地發空收和地收空發兩類，本文中討論地發空收的情況。圖1為臨近空間雙基地雷達探測目標的示意圖，圖中T為雷達發射站，R 為雷達接收站，Tg為待測目標，O為地心原點，R0為地球半徑，h1、h2分別為發射天線和目標的實際高度，Rt為探測距離，Rr為目標到接收站距離，L 為基線長度。

圖1 臨近空間雙基地雷達探測目標示意圖

在發射站T 點作地表的切線，設切線與發射站和目標點連線TTg的夾角為α，即目標偏離地平線的角度；切線與基線L 的夾角為β。由于所探討的臨近空間雙基地雷達是應用于超視距探測的情況，故在探測目標時，信號在TTg段將進行一段繞射傳播。

2 繞射對雷達探測的影響

2.1 繞射的基本原理

當雷達工作波長較長時，一般地面的電磁特性表現為光滑，反之為粗糙［2］。因此當波長為米波時，通常將地面視為光滑。

從發射源點發出的射線照射到光滑曲面時，射線將沿著發射點到曲面的切線傳播，經過切點，進入陰影區后，射線被限制在曲面上繼續前進［3］，同時持續不斷地沿著曲面的切線方向發出繞射射線，這樣在射線能量足夠的情況下，總有一條沿曲面切線方向射出的繞射射線將到達目標點，這種情況下的射線稱為表面繞射射線，或者稱為爬行波射線。表面繞射射線在文獻［4］中有詳細論述。由于不斷射出的射線帶走了大量的能量，造成了信號的迅速衰減，此衰減就是繞射衰減。

2.2 繞射對雷達方程的影響

臨近空間雙基地雷達在進行超視距探測時，受到地球曲率的影響，在發射波傳播途中沿地表發生繞射。因此在計算雷達探測距離時必須考慮繞射衰減因子Ft。雙基地雷達方程［5］如下式：

為方便討論，令等式右側為kBFt。

對于繞射衰減，D.E.Kerr給出了繞射衰減因子Ft的計算方法［6］：

式中，V（x）為衰減系數；u（z1）和u（z2）為高度增益因子，x、z1、z2分別是用自然單位表示的目標距離、天線高度和目標高度。衰減系數和增益因子均與雷達工作頻率成正比。由于繞射發生在發射過程中，因此量的確定以發射天線為基準。自然單位的表示參照文獻［6］，同時該文獻給出了衰減系數和高度增益因子的計算方法。

衰減系數：

高度增益因子：

式中，z 為天線高度或目標高度。由式（3）和（4）知V（x）與x 成反比，u 雖為分段函數，但在實數范圍內為增函數，與z成正比。由于雷達工作頻率f 反比于衰減系數V（x），正比于高度增益因子u，所以在選擇雷達工作頻率時應綜合考慮其對衰減系數和高度增益因子的影響。

在圖1中，由余弦定理并結合式1可得：

由式（2）—（7），可得出在不同波長和不同基線條件下的繞射衰減因子Ft和最大探測距離Rt。

2.3 繞射條件下探測距離結果

為了便于和文獻［6］中所給的地基雙基地雷達低空探測距離的計算結果相比較，選取和文獻中相同的參數指標。設某主雷達為雷達發射機，其對高空目標作用距離為Rmax＝300km，天線高h1＝25m，目標高h2＝20 m。表1 給出了雷達工作波長分別為0.03、0.1、0.3、1m，基線長度分別為20、30、40、45km 時，相應繞射衰減因子和最大探測距離的數值。

表1 臨近空間雙基地雷達最大探測距離計算結果

由表1 數據可以看出，在基線長度小于視距（39 km）時，繞射衰減因子Ft隨波長的增加而增大，對應的探測距離減??；當基線長度大于視距時，繞射衰減因子Ft隨波長的增加而減小，對應的探測距離增大，如圖2和圖3所示。因為繞射衰減因子由衰減系數和高度增益因子兩部分組成，而這兩部分隨雷達工作頻率的增加變化趨勢相反，基線較小時高度增益為繞射因子的主導元素，波長越短，天線等效高度越大，探測距離越遠；當基線長度增加至大于視距時，高度增益的影響趨于弱化。變化規律與地基雙基地雷達相同，在具體數據的數值大小上，要優于地基雙基地雷達，即同波長、同基線條件下比之地基雙基地雷達衰減小，而探測距離遠。

圖2 繞射衰減因子隨波長變化關系曲線

圖3 探測距離隨波長變化關系曲線

3 臨近空間環境的大氣衰減

在大氣傳播影響方面，臨近空間雙基地雷達區別于地基雙基地雷達的地方在于：臨近空間雙基地雷達的目標回波接收點在圖4中［7］的S 點而非B 點，即傳播介質為臨近空間而非地表空間。地面（海面）和傳播介質對雷達性能的影響體現在3個方面［8］：（1）電波在自由空間的傳播衰減；（2）大氣層引起的電波折射；（3）地面（海面）反射波、電波直射波與目標回波的干涉效應。由于將接收機置于S 點接收目標上的表面回波，回波路徑不再與電波直射波重合，因此很大程度上避免了干涉效應的影響。此外，臨近空間飛行器通常飛行在電離層以下，所以電離層的干擾也很小。

圖4 布站方式示意圖

對于大氣衰減而言，氧氣和水蒸氣是雷達電波衰減的主要原因。衰減體現在大氣中氣體微粒對電磁波能量的吸收，進而轉化成熱能損失掉。圖5［9］中在一標準大氣壓下，大氣中氧含量為20%，水蒸氣微粒含量為1%（即7.5g／m3）時大氣衰減曲線，圖5中實線和虛線分別為氧分子和水蒸氣微粒的衰減情況。圖5中氧氣的衰減諧振峰在60GHz（λ＝0.5cm）和118 GHz（λ＝0.25cm）處；水蒸氣的微粒衰減諧振峰在22.24GHz（λ＝1.35cm）和184GHz（λ＝0.16cm）處。頻率低于1GHz時，即波長大于0.3m 時，大氣衰減非常小，基本可以忽略。上述是一標準大氣壓的情況，實際在臨近空間中氣壓要小得多，氧和水蒸氣的含量遠不如標準大氣壓下的含量，但由于同一種物質對電磁波能量的吸收特性是相同的，在物質含量減小時，圖6中的曲線將向下平移。

圖5 大氣衰減曲線

美國空軍地球物理實驗室給出了部分主要大氣成分的數密度隨高度變化的輪廓［10］如圖6 所示。在圖中可以看出除了二氧化氮和臭氧外，其余成分隨著高度的增加和壓強的減小其數密度呈持續減小趨勢，進而被氣體吸收的電磁能量減少。因此當處于臨近空間時，大氣衰減必然小于標準大氣壓時的情況，大氣衰減可忽略時的界線波長將進一步減小。

4 結束語

圖6 一些主要大氣成分數密度垂直輪廓

對在臨近空間雙基地雷達超視距探測目標時所受到的繞射衰減和大氣衰減進行了論述。在論述中可以看出，當基線達到一定距離時，波長越長，繞射能力越強，達到米波波段［11］時，電磁波已經基本不受大氣衰減影響。僅從本文討論的問題來看，雷達使用波長越長，對臨近空間雙基地雷達進行超視距探測越有利。由于臨近空間已經接近太空，其中存在的射線和高能粒子［12］都將對電磁波產生一定程度的影響，這一部分的影響還需要作出進一步的研究和討論。

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