高頻超視距混合天地波雷達海雜波特點分析

姜 維 鄧維波 楊 強

(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)合國在海洋公約上規(guī)定，各國領(lǐng)?；€以外200 n mile以內(nèi)的海域?qū)儆谠搰膶俳?jīng)濟區(qū)，每個國家在專屬經(jīng)濟區(qū)內(nèi)享有廣泛開發(fā)權(quán)利，同時，還要承擔打擊走私，海面環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和分析，污染的檢測、控制和清除等一定的義務(wù)。對專屬經(jīng)濟區(qū)的有效實時監(jiān)測成為臨海國家近年來所面臨的一個重大問題。由于地球曲率的影響，大部分地基微波雷達對視距以外的海洋表面目標信號很不敏感。高頻超視距雷達是一種能夠提供海表面艦船和低飛目標超視距探測的系統(tǒng)。高頻超視距(Over The Horizon, OTH)雷達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和地表面波傳播模式的地波超視距雷達。

高頻天波超視距雷達是利用電離層對短波的折射，使電磁波在電離層與地面之間跳躍傳播來探測目標的超視距雷達。高頻天波超視距雷達能發(fā)現(xiàn)低空或超低空來襲目標，同時也存在一些缺點，如：設(shè)備龐大復(fù)雜、占地面積大、抗干擾能力差、效費比極高、近距盲區(qū)大、工作受電離層變化的影響以及無法對艦船目標進行有效的探測等。高頻地波超視距雷達又稱表面波雷達，是利用短波能夠沿地球表面繞射的特性，來探測地平線以下的目標。地波超視距雷達利用高頻(2-30 MHz)垂直極化電磁波沿海面?zhèn)鞑p耗低、距離遠的這一特點，來檢測視距外的艦船、飛機甚至巡航導(dǎo)彈等目標，其探測距離可達到400 km。地波超視距雷達具有不受電離層波動影響、傳播穩(wěn)定、能監(jiān)視常規(guī)微波雷達的低空盲區(qū)和彌補天波超視距雷達照射不到的近程盲區(qū)等優(yōu)點；但近期研究發(fā)現(xiàn)，電離層雜波直接進入雷達接收機仍會對地波超視距雷達的探測性能產(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是一種混合體制雷達，這種混合體制防御系統(tǒng)是以現(xiàn)有的天波和地波OTH雷達技術(shù)為基礎(chǔ)，為克服天波和地波超視距雷達存在的缺陷，發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，形成優(yōu)勢互補，進一步提高對目標的探測性能[3]。這種新體制雷達由于收發(fā)分置，發(fā)射站位于遠離海岸的后方，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，提高了雷達系統(tǒng)的生存能力；同時如果工作在較低頻段，其對目標的照射角、反射特性等與常規(guī)雷達不同，因此還具有探測隱身目標的能力。

混合體制高頻超視距雷達系統(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檢測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。國內(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系統(tǒng)[8?10]。針對基于天波發(fā)射，地波接收的這種混合體制高頻超視距雷達系統(tǒng)，尚沒有發(fā)現(xiàn)研究其海雜波特性的相關(guān)文獻。本文首先簡單介紹了這種混合體制高頻超視距雷達系統(tǒng)，對系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理等進行了基本說明，然后根據(jù)實驗雷達系統(tǒng)實測數(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)出來的一些特點，最后對每種特點的產(chǎn)生機理進行了詳細分析和解釋，并結(jié)合實際數(shù)據(jù)對這些原理進行驗證，為研究海雜波抑制及目標檢測方法提供理論支持。

2 混合體制雷達系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)的基本構(gòu)成和雷達的工作原理

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

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

圖1 天波發(fā)射、地波接收的高頻超視距雷達的布局示意圖

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、計算電離層傾斜，天波信道延長參數(shù)的原始數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)檢測目標、目標定位、抗干擾等方面的需要。

2.2 定位原理

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

圖2 分址雷達簡化平面示意圖

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為目標與基線之間的夾角，R=R1+R2+Rr為利用時延得到的距離；Rr為目標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及分析

利用基于天波發(fā)射，地波接收的某實驗高頻超視距雷達系統(tǒng)，系統(tǒng)天線陣列采用8個陣元的等間距直線陣列，工作頻率3-15 MHz，基線距離是800 km。對該系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)進行常規(guī)的距離處理和多普勒處理之后，再進行數(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Bragg峰(也就是海雜波)、電離層雜波和直達波。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系統(tǒng)，不管是天波雷達系統(tǒng)，還是地波雷達系統(tǒng)，經(jīng)過上述同樣的傳統(tǒng)雷達信號處理流程之后，海雜波在不同方位的結(jié)果不會出現(xiàn)明顯不同。這是因為海雜波通常是沒有方向性的，這也是區(qū)別海雜波和目標的一個依據(jù)。然而利用混合體制雷達系統(tǒng)測得的數(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)果中的距離實際上是一種等效，即認為

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際距離其實是有限的。不同方位的DBF處理結(jié)果中，海雜波可以看成是沿距離遠近分布的一個個散射單元，每個散射單元可以看成一個目標，而目標的方位則可以認為就是DBF處理結(jié)果對應(yīng)的不同方位。由前面分析已經(jīng)知道目標的真實距離和測量值之間存在誤差，并且誤差受目標的方位影響，因而位于相同(真實)距離不同方位的目標(這里對應(yīng)海雜波)對應(yīng)的等效測量距離(處理結(jié)果中觀測到的)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給出了對應(yīng)圖3中距離20 km處的剖面圖，由圖中標出的左側(cè)海雜波的幅度隨方位的變化情況，也從另一個角度驗證了前面的結(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實際上也是一種收發(fā)分置的雙基地雷達系統(tǒng)，與通常的單基高頻超視距雷達系統(tǒng)的處理結(jié)果相比，不管是天波雷達系統(tǒng)，還是地波雷達系統(tǒng)，混合體制雷達系統(tǒng)中的海雜波都是會展寬的。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處對應(yīng)的剖面圖

圖6 雙基地角說明示意圖

文獻[6]推導(dǎo)的結(jié)果可知，其對應(yīng)的一階海雜波多普勒頻率可利用式(3)計算

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；正負號分別對應(yīng)朝向和背離雷達運動的海浪。實際上，雙基地布局下的海浪Bragg諧振散射條件是

當m=1時，即對應(yīng)一階海雜波。式(4)中，λ為無線電波波長，Δi和Δs分別對應(yīng)無線電波入射和反射的擦地角，L為波浪長度?？紤]圖1中本系統(tǒng)對應(yīng)的幾何關(guān)系和配置，我們有Δi=α和Δs=0，其中α是電離層到目標的連線R2與目標到發(fā)射站的連線Rt之間的夾角，體現(xiàn)發(fā)射過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

其它波長的海浪不會產(chǎn)生相干散射，其回波可以忽略。在頻譜中，由于運動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，對于重力波浪，其vp與其波長有下列關(guān)系：

這樣，本系統(tǒng)對應(yīng)的一階海雜波多普勒頻率的計算公式可以推導(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應(yīng)的散射單元E不能等效為一個點，而是一小片區(qū)域。進而導(dǎo)致對應(yīng)的雙基地角并非是單一的值，而是一個范圍，所以計算出一階海雜波的多普勒頻率也不是一個單一的定值，而是一個范圍，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。需要說明的是，由于現(xiàn)在對于Bragg峰寬度的定義和測量尚沒有統(tǒng)一標準，所以這里主要是通過比較Bragg峰從峰值下降到噪底所覆蓋的范圍來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，計算出其對應(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)，當天線陣列形成波束與天線陣列法線方向呈-30°時，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，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，比一般的觀測尺度小一到兩個數(shù)量級，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，混合體制雷達系統(tǒng)的一階海雜波呈現(xiàn)出隨不同方位而變化的特點。DBF的結(jié)果中海雜波可觀測距離隨不同方位變化，是由這種混合體制雷達特有的幾何結(jié)構(gòu)推導(dǎo)而出的定位原理和采用傳統(tǒng)的雷達信號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。由混合體制雷達系統(tǒng)的定位原理決定了測量結(jié)果中的距離并不反映目標距接收站的真實距離，針對混合體制雷達的電波傳播途徑和雙站工作模式提出相應(yīng)的新的雷達信號處理方法，則是高頻超視距混合天地波雷達系統(tǒng)需要進一步研究的關(guān)鍵問題。

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