天波/地波集成探測(cè)技術(shù)時(shí)間可用度分析

楊龍泉 凡俊梅 焦培南 曹紅艷

(中國(guó)電波傳播研究所電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266107)

引 言

天波/地波集成探測(cè)系統(tǒng)是一種新的探測(cè)技術(shù)，收發(fā)分址兩地，基于天波反射/地波繞射組合傳播模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)海面、目標(biāo)的超視距探測(cè)[1]. 其傳播信道是一種新的組合傳播模式，主要是時(shí)變的電離層反射傳播信道和不同鹽份不同粗糙度的海面繞射傳播信道，其中，電離層是不均勻、各向異性、色散隨機(jī)介質(zhì)，地波傳播信道隨頻率、極化、海面狀態(tài)而變化. 顯然這種組合傳播信道是非線性時(shí)變傳播信道.

文獻(xiàn)[2-4]描述了與時(shí)間有關(guān)的短波雷達(dá)的三個(gè)“可用度”為：使用可用度、工作信道可用度、系統(tǒng)時(shí)間可用度. 其中，使用可用度與平均無(wú)故障時(shí)間、開機(jī)時(shí)間和平均停機(jī)時(shí)間有關(guān). 系統(tǒng)時(shí)間可用度和工作信道可用度是另外兩個(gè)不同的時(shí)間概率概念. 工作信道可用度僅取決于自然環(huán)境條件，而系統(tǒng)時(shí)間可用度則與系統(tǒng)設(shè)備能力、目標(biāo)散射特性、自然環(huán)境條件、工作波長(zhǎng)等有關(guān)，能更全面描述系統(tǒng)在時(shí)間上的可用程度. 系統(tǒng)時(shí)間可用度是指在指定的探測(cè)距離上，達(dá)到給定目標(biāo)信噪比的時(shí)間與總工作時(shí)間之比，是一個(gè)時(shí)間百分?jǐn)?shù). 考察總工作周期一般是對(duì)整個(gè)太陽(yáng)黑子活動(dòng)周期11年而言的.

本文對(duì)天波/地波集成探測(cè)系統(tǒng)時(shí)間可用度的影響因素(如電離層、地波繞射傳播、環(huán)境噪聲等自然條件因子，以及設(shè)備能力等人為設(shè)計(jì)因子)進(jìn)行了分析，并給出了估算方法. 利用雷達(dá)方程，并考慮工作信道可用度，對(duì)典型設(shè)備能力條件、不同目標(biāo)散射截面(Radar Cross-Section，RCS)下的系統(tǒng)時(shí)間可用度進(jìn)行了計(jì)算，分析了系統(tǒng)探測(cè)能量、目標(biāo)RCS對(duì)系統(tǒng)時(shí)間可用度的影響.

圖1 天波反射/地波繞射組合傳播模式

1 工作信道可用度

組合傳播工作信道由電離層傳播信道、海面地波繞射傳播信道組成. 海面繞射傳播信道雖受頻率、極化、海面狀態(tài)影響大，但在時(shí)間上相對(duì)穩(wěn)定. 電離層是一種隨機(jī)、色散、不均勻和各向異性的媒質(zhì)，傳播特性非常復(fù)雜.

1.1 電離層不規(guī)則現(xiàn)象影響

從宏觀上看，電離層存在正規(guī)的和非正規(guī)的變化狀態(tài). 正規(guī)的變化包括：F層和E層的晝夜、季節(jié)、太陽(yáng)黑子周期變化、日出日落效應(yīng)、中緯槽等. 通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、工作參數(shù)的自適應(yīng)管理可以克服這些變化的影響. 非正規(guī)的不穩(wěn)定現(xiàn)象包括：突然電離層騷擾、電離層暴、極光、流星余跡、偶發(fā)E層(Es)等，它們對(duì)雷達(dá)正常工作有直接影響. 有些現(xiàn)象可能使得工作信道中斷；有些雖不能導(dǎo)致探測(cè)系統(tǒng)完全失效，但會(huì)降低檢測(cè)性能.

1) 突然電離層騷擾，發(fā)生在日照面電離層的D層. 太陽(yáng)爆發(fā)8 min后，高頻電波通過(guò)該區(qū)域時(shí)被強(qiáng)烈吸收，導(dǎo)致傳播通道受阻或完全中斷幾分鐘到幾小時(shí)，致使系統(tǒng)完全失效，事件多發(fā)生在太陽(yáng)活動(dòng)高年.

2) 磁暴和電離層暴，發(fā)生在F層，電離層電子濃度重新分布，致使一定頻率的通道中斷.

3) 極冠吸收和極光帶吸收，僅是高緯地區(qū)才有. 它可使通過(guò)極區(qū)傳播的通道中斷數(shù)小時(shí)甚至幾天. 另外，極光對(duì)HF電波有強(qiáng)烈散射作用，引起頻譜展寬. 從而導(dǎo)致雜波頻譜完全淹沒目標(biāo)回波頻譜.

4) 擴(kuò)展F層，F(xiàn)層不均勻結(jié)構(gòu)在所有緯度都可見，但以近赤道地區(qū)為多.

5) 流星余跡，它會(huì)造成一定范圍內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)比大氣無(wú)線電噪聲大10 dB的背景噪聲，使系統(tǒng)能見度降低.

6) 臨頻foF的限制，由電離層傳播理論可知，當(dāng)foF<2.5 MHz，即使采用較低的工作頻率，也很難覆蓋800～1 500 km，foF>10 MHz時(shí)，即使使用較高的頻率，也很難覆蓋遠(yuǎn)距離(3 000 km以上).

7) Es層全遮蔽和半遮蔽，當(dāng)出現(xiàn)高密度的Es層時(shí)，電波能量全部在此高度反射而無(wú)法用F層傳播，這樣處在2 000 km外的地波接收站將無(wú)法工作. Es濃度不高，部分電波在Es反射，部分透過(guò)Es在F層反射，造成能量的分散.

上述電離層不穩(wěn)定事件出現(xiàn)具有隨機(jī)性，影響又很嚴(yán)重，不受人為控制；不與系統(tǒng)設(shè)備有關(guān)，不能人為克服. 因此，電離層不穩(wěn)定事件控制系統(tǒng)的不可用度是最小不可用度.

1.2 電離層信道可用度

焦培南[2]曾分析了中緯度地區(qū)的工作信道可用度，本文將利用該統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)分析天地波體制探測(cè)技術(shù)的系統(tǒng)時(shí)間可用度.

表1給出了根據(jù)我國(guó)中緯地區(qū)電離層觀測(cè)站長(zhǎng)期觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)的對(duì)系統(tǒng)有決定性影響的電離層不穩(wěn)定現(xiàn)象和事件的出現(xiàn)率. 表2給出了系統(tǒng)最小不可用度與距離的關(guān)系.

表1 對(duì)系統(tǒng)有決定性影響的電離層不穩(wěn)定現(xiàn)象和事件的出現(xiàn)率

表2 中緯地區(qū)系統(tǒng)最小不可用度

2 系統(tǒng)時(shí)間可用度估算方法

2.1 雷達(dá)方程分析

天波發(fā)射-地波接收模式雷達(dá)方程，是分析系統(tǒng)時(shí)間可用度的基本計(jì)算依據(jù). 方程如下

(1)

式中：RSN為信噪比；Pav為平均發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線增益系數(shù)；Gr為接收天線陣方向性系數(shù)；λ為工作波長(zhǎng)；σ為目標(biāo)散射截面；Ta為相干積累時(shí)間；P為天波反射路徑；R為地波繞射路徑； k為波爾茲曼常數(shù)；Fa為大氣噪聲因子；T0為環(huán)境溫度；Ls為系統(tǒng)損耗因子；Lw為地波傳播損耗因子；La為電離層損耗因子(主要包括吸收損耗、極化損耗).

除(4π)3,kT0為常數(shù)外，可以將式(1)分為自然條件因子和人為設(shè)計(jì)參數(shù)因子兩部分，其中自然條件因子有λ2，σ，P2，R2，F(xiàn)a,Lw,La它們是空間、時(shí)間、頻率的函數(shù)；人為設(shè)計(jì)參數(shù)因子為Pav,Gt,Gr,Ta,Ls，RSN,它們也是空間、時(shí)間、頻率的函數(shù). 雷達(dá)方程的自然條件因子隨距離、頻率、時(shí)間和空間而變化，系統(tǒng)時(shí)間可用度計(jì)算中特別要考慮電離層損耗因子La、噪聲kT0·Fa的空間、時(shí)間變化特性及其影響.

2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)時(shí)間可用度計(jì)算最全面的統(tǒng)計(jì)是對(duì)11年進(jìn)行的，統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)量大. 為降低運(yùn)算量，考慮可靠且能說(shuō)明問題的較少數(shù)據(jù)，作如下簡(jiǎn)化設(shè)計(jì).

1) 發(fā)射站至接收站間距離取1 000 km、1 500 km、2 000 km、2 500 km四種情況.

2) 探測(cè)距離以距地波接收站的實(shí)際距離表示，距離范圍為20～500 km，每20 km取一組數(shù)據(jù).

3) 時(shí)間因子

太陽(yáng)黑子數(shù)為10～150，典型數(shù)據(jù)取20(低年)、70(中年)、120(高年)三種；月份為1～12月，典型月份為1、4、7、10月；日夜小時(shí)數(shù)為00～23，每小時(shí)取一組數(shù)據(jù).

4) 工作頻率范圍：5～20 MHz.

5) 電離層損耗因子

電離層吸收衰減損耗隨工作頻率f的平方成反比變化，頻率越低電離層吸收越大，頻率越高吸收越小；與天頂角χ的余弦成正比，夜間電離層的吸收很小，白天大，夏季相比春季、秋季、冬季電離層吸收要大，冬季電離層吸收最?。涣硗?，吸收損耗還與太陽(yáng)黑子數(shù)成正比變化；吸收損耗與電離層入射角有關(guān). 電離層吸收損耗的計(jì)算方法采用國(guó)際電信聯(lián)合會(huì)推薦方法[5]. 計(jì)算過(guò)程中，電離層法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)引起的極化損耗取3 dB.

6) 環(huán)境噪聲因子

大氣噪聲[6]的一個(gè)基本特點(diǎn)是非平穩(wěn)性. 它是一個(gè)隨時(shí)間和地點(diǎn)而發(fā)生變化的隨機(jī)過(guò)程，它計(jì)入不同頻率、不同季節(jié)、不同時(shí)間和不同地點(diǎn)的大氣無(wú)線電噪聲特性. 其一般規(guī)律是：隨頻率升高而降低；在一年中，夏季高、冬季低；在一天中，晚上高、白天低；大氣噪聲隨緯度升高而降低，地球赤道附近大氣噪聲最高.

7) 海面繞射傳播衰減損耗

垂直極化的電磁波可以沿海面進(jìn)行繞射傳播，傳播損耗衰減與選擇的工作頻率、海面電參數(shù)、天線、目標(biāo)高度有關(guān). 其光滑海面的地波傳播損耗大小與距離成近似正比關(guān)系，傳播狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定.

利用CCIR地波傳播計(jì)算機(jī)程序GRWAVE計(jì)算天線與目標(biāo)貼近地面和天線與目標(biāo)在不同高度情況的衰減；附加衰減由《雷達(dá)電波折射與衰減手冊(cè)》[7]圖表獲得. 計(jì)算過(guò)程中，海面的衰減損耗考慮中等鹽分海水五級(jí)海態(tài)附加傳播損耗.

3.3 系統(tǒng)時(shí)間可用度估算

時(shí)間可用度計(jì)算可分成固定目標(biāo)RCS值和固定系統(tǒng)探測(cè)能量(Pav·Gt·Gr·Ta)值兩種情況時(shí)探測(cè)距離與時(shí)間百分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖表.

1) 固定目標(biāo)的RCS值，以系統(tǒng)探測(cè)能量(Pav·Gt·Gr·Ta)為參量的探測(cè)距離與時(shí)間百分?jǐn)?shù)關(guān)系圖.

假設(shè)RSN=14 dB，Ls=12 dB. 飛機(jī)探測(cè)時(shí)，目標(biāo)的RCS為10 dBm2，飛行高度取1 000 m，環(huán)境噪聲以中緯度鄉(xiāng)村級(jí)大氣噪聲為背景噪聲， 系統(tǒng)探測(cè)能量取110 dBJ、100 dBJ、90 dBJ、80 dBJ(如表3所示). 船舶探測(cè)時(shí)，目標(biāo)的RCS為30 dBm2，船舶慢速目標(biāo)以二階或高階連續(xù)海雜波譜為背景(一般二階海雜波的幅度略高于噪聲電平)，系統(tǒng)探測(cè)能量取116 dBJ、106 dBJ、96 dBJ、86 dBJ(如表3所示).

在11年周期的黑子數(shù)變化范圍內(nèi)，對(duì)所有季節(jié)和晝夜時(shí)間、4種收發(fā)距離情況下，利用雷達(dá)方程式(1)，求解探測(cè)距離R，統(tǒng)計(jì)探測(cè)距離的累積時(shí)間分布，并考慮電離層信道最小不可用度，則可得到指定探測(cè)能量Pav·Gt·Gr·Ta下時(shí)間可用度與作用距離的關(guān)系.

2) 固定系統(tǒng)探測(cè)能量，Pav·Gt·Gr·Ta以目標(biāo)RCS為參量的探測(cè)距離與時(shí)間百分?jǐn)?shù)關(guān)系圖.

假定探測(cè)能量為100 dBJ，改變飛機(jī)的RCS值為20 dB、15 dB、10 dB、5 dB、0 dB等五種情況，飛機(jī)飛行高度為1 000 m. 計(jì)算方法與上面類似.

表3 探測(cè)能量(Pav ·Gt·Gr·Ta)等級(jí)

4 系統(tǒng)時(shí)間可用度計(jì)算結(jié)果分析

圖1、圖2為不同收發(fā)站間基線距離(1 000 km、1 500 km、2 000 km、2 500 km四種情況)、典型設(shè)備能力條件(四種系統(tǒng)探測(cè)能量量級(jí))下，飛機(jī)、船舶探測(cè)時(shí)系統(tǒng)時(shí)間可用度計(jì)算結(jié)果. 計(jì)算結(jié)果顯示：

1) 收發(fā)間距為1 000 km、1 500 km，探測(cè)能量110 dBJ時(shí)，飛機(jī)探測(cè)距離300 km對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)間可用度超過(guò)80%；探測(cè)能量為106 dBJ時(shí)，探測(cè)船舶距離為300 km時(shí)，對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)時(shí)間可用度超過(guò)80%. 而對(duì)于收發(fā)間距為2 000 km、2 500 km，飛機(jī)、船舶探測(cè)距離為200 km時(shí)若要達(dá)到80%時(shí)間可用度，則要求探測(cè)能量分別要滿足110 dBJ、106 dBJ以上.

2) 探測(cè)能量對(duì)系統(tǒng)時(shí)間可用度影響明顯，隨探測(cè)能量的增加，系統(tǒng)時(shí)間可用度提高；收發(fā)距離的變化也影響到系統(tǒng)時(shí)間可用度，隨收發(fā)間距增大，時(shí)間可用度下降.

3) 電離層傳播因素(隨距離、時(shí)間、頻率的變化特性)在系統(tǒng)時(shí)間可用度中起到重要作用.時(shí)間可用度隨收發(fā)站間基線距離的特征與文獻(xiàn)[2]天波雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)間可用度的變化相似.

另外，探測(cè)能量的增加不僅受到技術(shù)、場(chǎng)地(或移動(dòng)平臺(tái))限制，還需要高額費(fèi)用投入，如收發(fā)設(shè)備、大規(guī)模天線，因此要根據(jù)最大效費(fèi)比原則和實(shí)際需求來(lái)設(shè)計(jì).

圖4為指定探測(cè)能量100 dBJ、不同飛機(jī)目標(biāo)RCS值(20、15、10、5、0 dB五種情況)、不同收發(fā)基線距離(四種情況)下，系統(tǒng)時(shí)間可用度的計(jì)算結(jié)果. 由圖3可以看出：

(a) 收發(fā)站間距1 000 km (b) 收發(fā)站間距1 500 km

(c) 收發(fā)站間距2 000 km (d) 收發(fā)站間距2 500 km圖2 系統(tǒng)時(shí)間可用度計(jì)算結(jié)果(探測(cè)飛機(jī)，目標(biāo)RCS為10 dBm2)

(a) 收發(fā)站間距1 000 km (b) 收發(fā)站間距1 500 km

(c) 收發(fā)站間距2 000 km (d) 收發(fā)站間距2 500 km圖3 系統(tǒng)時(shí)間可用度計(jì)算結(jié)果(探測(cè)船舶，目標(biāo)RCS為30 dBm2)

(a) 收發(fā)站間距1 000 km (b) 收發(fā)站間距1 500 km

(c) 收發(fā)站間距2 000 km (d) 收發(fā)站間距2 500 km圖4 系統(tǒng)時(shí)間可用度計(jì)算結(jié)果(探測(cè)飛機(jī)，探測(cè)能量100 dBJ)

1) 相同RCS條件下，隨收發(fā)基線距離增大，系統(tǒng)時(shí)間可用度下降.

2) 飛機(jī)RCS的變化會(huì)引起時(shí)間可用度的大幅度變化；飛機(jī)RCS值減小，系統(tǒng)時(shí)間可用度降低.

計(jì)算結(jié)果對(duì)不同類型飛機(jī)目標(biāo)(不同RCS值)的系統(tǒng)探測(cè)性能的估算具有參考價(jià)值.

4 結(jié) 論

天波/地波集成探測(cè)技術(shù)所利用的天波反射/地波繞射傳播信道是非線性時(shí)變信道，其信道特性較單一傳播信道要復(fù)雜. 本文詳細(xì)分析了該系統(tǒng)時(shí)間可用度的影響因素、計(jì)算方法，對(duì)典型設(shè)備能力條件(不同探測(cè)能量)、不同RCS值條件下的系統(tǒng)時(shí)間可用度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并指出了探測(cè)能量、RCS值對(duì)系統(tǒng)時(shí)間可用度的影響. 研究結(jié)果對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)論證、布局設(shè)計(jì)具有十分重要的參考意義.

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