地波雷達海洋環境監測中的技術及應用

陳鉅龍

【摘要】 地波雷達利用短波（3～30MHz）在導電海洋表面繞射傳播衰減小的特點，采用垂直極化天線輻射電波，能超視距探測海平面視線以下出現的艦船、飛機、冰山和導彈等運動目標，作用距離可達300km以上。同時，地波雷達利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制，可以從雷達回波中提取風場、浪場、流場等海況信息，實現對海洋環境大范圍、高精度和全天候的實時監測。在海洋環境監測領域，地波超視距雷達具有覆蓋范圍大、全天候等特點。在氣象預報、防災減災、海洋工程等方面有廣泛的應用前景。

【關鍵詞】 地波雷達 海洋環境監測 電磁波

一、發展歷史

上世紀四、五十年代人們發現在海岸擔任探測和警戒任務的雷達總是受到來自海面不明原因的“干擾”。有研究人員發現“數十米波長的電磁波與海洋表面的相互作用，將產生Bragg繞射現象”。原來那些干擾是波長等于無線電波波長一半、傳播方向平行于（接近或遠離）雷達發射波束方向的海浪與無線電波“諧振”散射所產生的回波。研究揭示了上述“干擾”的物理來源，使地波雷達超視距探測海面狀態成為可能。1968～1972年，在NOAA工作的D.E.Barrick定量解釋了海面對無線電波的一階散射和二階散射的形成機制，為高頻雷達探測海洋表面狀態建立了堅實的理論基礎。Barrick創造性地運用一組交叉環/單極子天線（三個接收通道）即可獲取大面積海流的分布信息。他的緊湊式雷達天線技術大大降低了地波雷達購置和安裝成本，直接導致了高頻地波雷達的規模化推廣應用，為海洋學家和沿岸防災減災及環境保護提供了新型觀測手段。

二、工作原理

無線電波朝海面發射時，在海水表面會存在一種電磁波傳播模式，稱為地波（Ground Wave）是一種表面波（Surface Wave），因此高頻地波雷達也叫做高頻表面波雷達（HF Surface Wave Radar）。在中波和短波段海水表面的地波傳播衰減很小，而且地波在一定程度上會沿著彎曲的地球表面傳播，到達地平線以下很遠的地方，即實現超視距傳播。因此利用地波超視距傳播特性進行探測的高頻地波雷達也稱為地波超視距雷達（Over-The-Horizon Radar），探測距離根據發射功率和頻率的不同通常可達到200～500km。另外兩種類型的超視距雷達分別是天波超視距雷達和利用大氣波導特征的微波雷達，前者通過電離層對高頻無線電波的反射實現對數千公里外目標的探測，后者可以對一兩百公里外的目標進行探測。

地波雷達海況探測的基礎類似于晶格對X射線的Bragg散射，入射的兩條射線（相同波源）被原子散射，在特定的觀察方向上，如果兩條射線的波長差為2的整數倍，那么將會觀察到亮條紋；如果波長差比2的整數倍多，那么兩射線能量相消，觀察到的是暗條紋。

真實的海面不會是簡單正弦波列，但是可以用類似于Fourier變換的方式把一個真實的海面分解成為千千萬萬簡單正弦波列成分的疊加，這些正弦波列有不同幅度、周期、初相和傳播方向。那么這無數列正弦海浪成分是否都對電磁波產生散射呢？當然都會！但是并非所有的成分都產生相同的貢獻，貢獻最大的海浪成分還是圖1所示的那類正弦波列，即滿足，并且波矢量方向位于電磁波入射平面內的正弦海浪。對于岸基雷達探測，即L = / 2，也就是波長等于雷達電波波長一半的海浪會對電波產生最強的后向散射（圖1）。

綜上所述，雖然海面由無數的波浪組成，但岸基地波雷達主要只對特定的海浪感興趣：

A. 波長等于電波波長的一半；

B. 傳播方向要么接近雷達，要么遠離雷達。

海面上滿足上述條件的海浪總是存在，因此雷達總可以收到較強的海面回波，這也是前面所說當初人們發現海面上總是存在雷達“干擾”的原因！

我們知道運動的物體可以對入射波產生多普勒效應，電磁波照射到動態的海面上時，回波也會由于多普勒效應而產生相對于雷達發射頻率的偏移。對回波信號進行譜分析就會發現，回波譜峰相對于雷達載頻有多普勒頻偏，其特點有二：

1. 同時存在正、負頻偏，頻譜圖上的正、負譜峰稱為左、右Bragg峰；

2. 左、右Bragg峰的頻率偏移量基本相同，且主要只與雷達工作頻率有關。

導致這兩個特點的因素正好與上述產生主要散射的海浪特點相對應：特點1對應上述特征B，特點2對應上述特征A。在理解特點2時需要明白海洋重力波傳播的一個基本結論：海面上確定波長的重力波，其傳播相速度也是確定的。相速度確定的話，它對電磁波所產生的多普勒頻移就是確定的了，也就有了上述特點。

上面所說的是沒有海水流動的情形。由于各類物理、化學過程的作用，海面上總是有海流存在，海流作為海水的整體運動，會在上面所說的由波浪傳播相速度所導致的較大固定頻移的基礎上再附加一個由流速所導致的微小頻偏，這個附加頻偏對左、右Bragg峰的影響是相同的：遠離雷達的流速分量使左、右Bragg峰均向負頻率方向偏移，接近雷達的流速分量使它們向正頻率方向偏移。

地波雷達就是通過測量這個附加頻偏從而獲知海面海流速度的。當然一部雷達只能測量到海流的徑向分量，要獲得矢量海流，要么用兩部以上的雷達從不同方向探測，要么就需要結合海洋動力學模型進行推算。

三、發展現狀及面臨問題

（一）發展現狀。海洋動力學參數（海面風、浪、流）的探測是高頻地波雷達的一種主要用途。高頻地波雷達可以以十分鐘的時間分辨率連續獲取數萬平方公里海面的海洋狀態參數分布，這是任何其它探測手段無法做到的。目前國際海洋界已普遍接受高頻地波雷達能有效探測流場的觀點，國內外主要地波雷達的海流探測已達到可用于常規業務化海洋觀測的水平。而在海浪、風場參數的探測方面，地波雷達處于研究開發階段，距離實際應用尚有一定的距離。主要困難在于提取海浪和風場參數所依據的回波信號比較弱（比海面的主要散射回波低20～40dB），容易受噪聲和干擾的影響，相應的反演理論和技術也處于研究探索階段。通過雷達實時選頻系統選擇干凈頻率、應用噪聲抑制、多頻率雷達探測和抗干擾技術可以在一定程度上緩解這一問題。

（二）抗干擾問題。地波雷達工作在短波段，而短波段是高頻通信、廣播和各類大氣、天電噪聲等比較集中的頻段，同時在高頻段中低端，電離層干擾是嚴重影響雷達探測性能的主要干擾。對于以目標探測為主的高頻地波雷達，電離層干擾常常會導致一兩百公里開外的目標基本無法探測。

（三）雷達結果的應用規范問題。海態探測用高頻地波雷達輸出的是時間上連續的大面積流場、風場和浪場的分布，時間分辨率一般為十分鐘到一個小時，所提供的信息在時間、空間和采樣方式所對應的物理含義上與其它測量方式（如浮標、船測、航空測量以及衛星遙感等）存在很大的不同。地波雷達距離制訂明確的應用規范還存在較大距離。

（四）小型陣列條件下的目標探測問題。由于小型陣列的方位分辨率低、民用地波雷達發射功率低以及前述的噪聲和干擾（包括海洋回波的干擾）等問題，對目標尤其是小目標和機動目標的檢測概率、虛警率、定位和跟蹤精度等方面都存在需要克服的一系列問題。

參 考 文 獻

[1] 葉春明，盧雁.高頻地波雷達發展動向與分析[J].艦船電子工程，2010年01期.

[2] 張雅斌.高頻地波雷達干擾與海雜波信號處理研究[D].西安電子科技大學，2010年.

[3] 時玉彬，楊子杰，陳澤宗，萬顯榮.海洋環境監測高頻地波雷達的研究現狀與發展趨勢[J].電訊技術，2002年03期.