天波地波集成體制超視距雷達(dá)系統(tǒng)的研究

天波地波集成體制超視距雷達(dá)系統(tǒng)的研究

1應(yīng)用新型傳播模式在短段，我們知道電離層的反射傳播模式、回來散射傳播模式和地震波傳播模式，并進(jìn)行了廣泛的研究和應(yīng)用。這里試圖研究把熟知的電離層反射傳播模式和地波繞射傳播模式組合,探求其新組合模式的構(gòu)建、基本的傳播特性以及它的可能應(yīng)用。以天波/地波集成體制超視距雷達(dá)系統(tǒng)作為一種應(yīng)用,如能導(dǎo)出其雷達(dá)方程、定位方程和信息處理過程模型,這種雷達(dá)體制就有了實(shí)現(xiàn)的可能性。本文將按這個(gè)思路對問題的研究。2傳播信道模式我們已熟知的短波傳播模式主要有:1)電離層反射傳播模式,其傳播信道主要是時(shí)變的電離層傳播信道。常用于通信和廣播等;2)返回散射傳播模式,傳播信道主要由時(shí)變的電離層返回散射傳播信道和地海面散射形成。常見用于通信和廣播監(jiān)測,短波天波超視距雷達(dá)等。3)地波繞射傳播模式,傳播信道主要是不同鹽份的不同粗糙度的海面繞射形成。常用于近距離通信和廣播,短波地波超視距雷達(dá)等。2.1bredity模型天波反射/地波繞射新傳播模式高頻段無線電波通過自由空間斜入射到電離層,經(jīng)電離層反射后通過自由空間到達(dá)地(海)面,再經(jīng)地(海)面以表面波形式傳播到接收點(diǎn)。傳播信道主要是時(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,如圖2所示。顯然它是一個(gè)組合傳播信道,具有復(fù)雜的電離層反射傳播信道和海面繞射傳播信道特性。天波反射/地波繞射新傳播模式的構(gòu)建如下:①電離層模型:包含E、F1和F2層的電離層模型如圖1所示。它由四個(gè)部分構(gòu)成:在E層最大電子濃度hmE以下為拋物E層,用最大電子濃度NmE、最大電子濃度高度hmE與半厚度ymE描述;在F2層最大電子濃度hmF2以下為拋物型F2層,用最大電子濃度NmF2最大電子濃度高度hmF2與半厚度ymF2描述;F1層電離層狀態(tài)完全由E層和F2層電離層參數(shù)確定,在hmF和hj間電子濃度隨高度線性增加。這三部分組成的下電離層區(qū)實(shí)際上是Bredly模型。在F2層最大電子濃度高度hmF2以上是指數(shù)型的上電離層區(qū)。相應(yīng)剖面模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為Νe(h)={ΝmE[1-(hmE-hymE)2]?(hmE-ymE≤h≤hmE)；Νj-ΝmEhj-hmEh+(ΝmE)hj-Νj(hmE)hj-hmE,(hmE＜h＜hj)；ΝmF2[1-(hmF2-hymF2)2],(hj＜h≤hmF2)；ΝmF2exp[12(1-h-hmF2Η-e-h-hmF2Η)](hmF2＜h≤1000km)；(1)Ne(h)=???????????????????????????????????????????????NmE[1?(hmE?hymE)2]?(hmE?ymE≤h≤hmE)；Nj?NmEhj?hmEh+(NmE)hj?Nj(hmE)hj?hmE,(hmE＜h＜hj)；NmF2[1?(hmF2?hymF2)2],(hj＜h≤hmF2)；NmF2exp[12(1?h?hmF2H?e?h?hmF2H)](hmF2＜h≤1000km)；(1)式中hmE為115km;ymE為20km;NmE,NmF2和hmF2分別為E層、F2層最大電子濃度和F2層最大電子濃度的高度,并且Νj=1.24×1010f2jhj=hmF2-ymF2√1-(fjf0F2)2(2)Nj=1.24×1010f2jhj=hmF2?ymF21?(fjf0F2)2??????????√(2)fj=1.7f0E當(dāng)fj>f0F2時(shí),取fj=f0F2。H任意高度h的標(biāo)高,H=0.85[1+(h/a)]2T/M,式中T為溫度,M為克分子數(shù),a為地球半徑。②海面模型:光滑和粗糙海面模型,它是以光滑海面為基礎(chǔ)進(jìn)一步考慮風(fēng)浪造成的粗糙海面影響的模型。它計(jì)入目標(biāo)與天線都貼近地面時(shí)和目標(biāo)與天線在不同高度時(shí),不同地面參數(shù)、不同頻率、不同的地面距離的傳播特性關(guān)系。海上的風(fēng)和海流是的造成海面粗糙度的主要原因。在均勻光滑海面是沒有考慮海面粗糙度的影響。粗糙海面對均勻光滑球形海面的地波傳播附加影響以10~15MHz最為顯著,計(jì)入不同頻率、不同海況和不同距離相對于均勻光滑海面的附加的傳播特性關(guān)系。③環(huán)境噪聲模型:大氣無線電噪聲模型。在高頻段,大氣噪聲和海浪雜波取代接收機(jī)的熱噪聲形成主要的噪聲干擾背景。一階海浪雜波譜遠(yuǎn)高于大氣噪聲,但因能量在頻域非常集中,對頻域1Hz內(nèi)的目標(biāo)檢測影響較大;在海態(tài)充分發(fā)展到較高等級時(shí),其二階譜可能會超過大氣噪聲電平。大氣噪聲的一個(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)的大氣無線電噪聲特性。2.2新傳播模式的傳播特征1損耗ass的計(jì)算天波反射/地波繞射新傳播模式的損耗因子,需要計(jì)入的環(huán)境傳播引起的路徑損耗項(xiàng),除自由空間擴(kuò)散損耗外,還有:電離層部分,包含電離層吸收損耗Aia,附加損耗Az(如有E層和Es層還應(yīng)幾計(jì)入有E層時(shí)吸收損耗修正Aac,Es遮蔽損耗Aq,Es反射損耗Aer;在極區(qū)要計(jì)入極區(qū)損耗Ah);海面部分,包含粗糙海面的附加損耗Ass,當(dāng)雷達(dá)貼地面時(shí),要計(jì)入光滑海面的損耗Agl;當(dāng)雷達(dá)目標(biāo)有一定高度時(shí),計(jì)入光滑海面的高度損耗Agh。2bragg散射天波反射/地波繞射新傳播模式的頻譜特性比單一的天波反射傳播模式和地波繞射傳播模式要復(fù)雜。新傳播模式頻譜特性包含了電離層和海面的影響。海面的頻譜特性是基于Barrick的Bragg散射理論的海面雜波譜模型,但它是未考慮電離層影響的。我們發(fā)展了基于Bragg散射理論的海面雜波模型,建立了包括電離層影響的天波后向返回散射傳播的海面雜波譜模型。這個(gè)海面雜波譜模型,包括三個(gè)部分:①波長L為雷達(dá)波長的一半(即L=λ/2),且傳播方向恰好為指向或背離雷達(dá)的兩個(gè)海浪波列相關(guān)的最強(qiáng)烈的后向散射,這種散射機(jī)制稱為Bragg散射,是對應(yīng)頻譜中的兩個(gè)對稱于0Hz的一階Bragg峰;②海面回波譜中Bragg峰周圍的一些高階展寬連續(xù)譜,其振幅和形狀也隨海面狀態(tài)和雷達(dá)頻率變化。高階展寬連續(xù)譜包括三種機(jī)理產(chǎn)生的頻譜:沿雷達(dá)波束方向傳播的海洋波與L=Nλ/2波長有關(guān)的高次諧波產(chǎn)生Bragg諧振時(shí),對應(yīng)頻譜中的f=√2fB,√3fBf=2√fB,3√fB等譜線;兩列海浪與雷達(dá)波束方向傳播不一致但正交時(shí),所謂海浪“波陣面”產(chǎn)生“鏡面角反射”滿足Bragg諧振條件時(shí),對應(yīng)頻譜中的f=0或±23/2fB等譜線;兩列海浪與雷達(dá)波束方向傳播不一致而且又不正交時(shí),所產(chǎn)生“新”海浪在滿足Bragg諧振條件時(shí),對應(yīng)頻譜中的是連續(xù)的二階譜線,如隨機(jī)噪聲。③電離層對譜的影響包括了三個(gè)方面:電離層的垂直運(yùn)動會使電離層等效反射高度h變化引起的相位路徑的線性變化,從而Bragg峰產(chǎn)生Doppler頻移fd;多模傳播會產(chǎn)生兩個(gè)具有不同Doppler頻移的Bragg峰;電波相位路徑的非線性變化使海洋回波譜發(fā)生Doppler展寬。此外,天波海面雜波譜不僅與電離層的狀態(tài)有密切的關(guān)系,而且與雷達(dá)的波束寬度、信號的相干積累時(shí)間有關(guān)?？偟恼f來,電離層運(yùn)動造成海洋回波譜的Doppler頻移,多?，F(xiàn)象造成海洋回波譜多個(gè)Bragg峰,多徑和電波相位路徑的非線性變化使海洋回波譜發(fā)生Doppler展寬,并且方位角寬度越大,信號的相關(guān)積累時(shí)間越長,則海洋回波譜的展寬越嚴(yán)重。3共發(fā)性頻率的選擇天波反射傳播模式就一定距離而言,一般情況工作頻率選擇高些可減少損耗,而地波繞射傳播模式則頻率較低時(shí)可減少損耗,因此天波反射/地波繞射新傳播模式的工作頻率特性應(yīng)在兩者間的距離損耗平衡中選擇最有利的共用頻率。3克服單一地波雷達(dá)探測裝置新傳播模式一種可能應(yīng)用就是建立新的天波/地波集成體制超視距雷達(dá)系統(tǒng)。該體制雷達(dá)與地波超視距雷達(dá)相比,能克服單一地波雷達(dá)探測能力受限于雙程電波繞射傳播衰減的因素;該體制雷達(dá)與天波雷達(dá)系統(tǒng)相比,可提高對艦船等低速目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。該體制雷達(dá)可靈活實(shí)現(xiàn)基于岸基天波發(fā)射輻射源、岸基和艦載接收的多基地超視距雷達(dá)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)天波和地波超視距雷達(dá)資源共享。下面討論一種天波發(fā)射-地波接收集成體制雷達(dá)應(yīng)用可能性。3.1接收回波功率從天波發(fā)射站輻射的電波功率經(jīng)天波路徑P一次傳播到目標(biāo)處的功率密度St為St=PtGt/(4πP2La)(3)其中,Pt為天線發(fā)射功率,Gt為天線增益系數(shù),La為電離層吸收損耗因子。RCS為σ的目標(biāo)輻射的功率Pt2為Pt2=Stσ(4)從目標(biāo)輻射的電波功率以地波沿海面?zhèn)鞑サ絉處地波接收站的功率密度Sr為Sr=Pt2/(4πR2Lw)(5)其中,Lw為電波從目標(biāo)沿海面?zhèn)鞑サ絉處的損耗因子。于是地波接收站的接收回波功率為Pr=SrGrλ2/(4πLs)(6)式中,Gr為接收天線增益系數(shù),λ為工作波長(m),Ls為系統(tǒng)損耗因子。于是Pr=PtGtGrλ2σ/[(4π)3P2R2LsLwLa](7)考慮大氣噪聲功率N為N=kT0Fa/Ta(8)其中,k為波爾茲曼常數(shù),Fa為大氣噪聲因子,T0為環(huán)境溫度,Ta為相干積累時(shí)間(s),接收回波信噪比SNR為SNR=PtGtGrλ2σTa/[(4π)3P2R2kT0FaLsLwLa] (9)這就是天波發(fā)射/地波接收集成體制雷達(dá)的雷達(dá)方程。當(dāng)功率取kW,距離取km,頻率取MHz,其他仍用m.g.s制單位,kTo=-204dB,則雷達(dá)方程用分貝表示如式(10)SNR=130.56+10logPt+Gt+Gr+σ+10logTa-20logf-20logR-20logP-Fa-La-Lw-Ls(10)3.2定位方程的材料和方法對于最簡單的均勻球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)電離層情況,利用天波發(fā)射-地波接收模式檢測海上艦船和飛機(jī)目標(biāo)的檢測傳播路徑,如圖2所示。假定X為天波發(fā)射站,W為地波接收站,T為目標(biāo)位置。這時(shí),天波發(fā)射站到地波接收站距離為XW=D0;天波發(fā)射站到目標(biāo)位置的距離為XNT=D,天波發(fā)射站到地波接收站夾角為XWT角∠θ;根據(jù)電離層傳播理論,電離層反射真高M(jìn)N等于電離層等效虛高度HM=h,且∠HNT=90°;測量的天-地路徑和為XMTW=XHTW=P,當(dāng)不考慮電離層傾斜則有XH=HT=P1=P2。于是,問題變?yōu)橐阎?D0,P,∠θ,h,求解:P3,D和P1。因此,由圖2可得定位方程組D2=P2323+D2020-2P3D0cosθ(11)2P1+P3=P(12)P2121=h2+(D/2)2(13)求解上述方程組,可得P3,D和P1。當(dāng)D=P3+D0時(shí),問題就更要簡單。當(dāng)電離層是均勻球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)時(shí),定位誤差源主要在于電離層等效虛高度HM=h和天波發(fā)射站到地波接收站夾角為XWT角=∠θ的測定。但是,很多情況實(shí)際電離層不是均勻球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu),這時(shí),P1≠P2或P1,P2不在一個(gè)平面上;電離層會出現(xiàn)傾斜、波動及隨機(jī)變化,這時(shí)就不存在上述簡單的方程組,使問題變得非常復(fù)雜。于是,要運(yùn)用復(fù)雜的電離層傳播理論、靈巧的電離層重構(gòu)技術(shù)和精確的射線追蹤技術(shù)來處理,以最后實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。這時(shí)定位誤差與由多個(gè)電離層垂直探測站的數(shù)據(jù)所重構(gòu)的電離層、估計(jì)傾斜和電離層反射真高以及∠θ的測定精度有關(guān)。實(shí)際上,天波發(fā)射/地波接收模式對目標(biāo)的檢測涵蓋了天波和地波雷達(dá)各自具有的難題以及它們交叉而引入的新問題。因此,天波發(fā)射-地波接收模式的傳播問題還有很多技術(shù)問題要研究解決。3.3雷達(dá)信息處理過程模型天波(一跳)發(fā)射-地波接收集成體制雷達(dá)處理過程模型方程可如下描述s=?Ρ?R?ΜRS?S?ΜSΤ?Τω+?Ρ?RΜRΝn+m(14)s=P?R?M?RSS?M?STT?ω+P?R?MRNn+m(14)式中,s為處理后的信號分解,?ΤT?為發(fā)射部分;包括發(fā)射機(jī)和天線,?ΜM?SΤST為從發(fā)射機(jī)到目標(biāo)散射區(qū)的電離層反射傳播過程,?SS?為在目標(biāo)區(qū)域的所有散射過程;?ΜM?RSRS為從目標(biāo)散射區(qū)域到接收機(jī)的海面繞射傳播過程;?RR?為接收部分,包括接收機(jī)和天線;?ΜM?RΝRN為從噪聲源到接收機(jī)的傳播過程;n為一外部噪聲源;m為內(nèi)部噪聲;ω為所選波形;?ΡP?為信號處理。3.4季節(jié)因素的影響按式(10),今設(shè)定條件,Pt=50kW,考慮占空比ρ=0.8,Gt=8dB,Gr=10dB,σ=30dB,Ta=40s,Ls=12dB,P=900km,R=200km。設(shè)定:太陽黑子活動性為20,一、四、七、十月(四季),00~23點(diǎn),噪聲環(huán)境為鄉(xiāng)村,頻率:f=4、5、6、8、10和14MHz。海域是中等鹽份海水(5S/m,70);五級海態(tài)的附加損耗。要求檢測目標(biāo)的SNR=14dB。今取目標(biāo)到接收站到發(fā)射站夾角90°。以下是太陽黑子活動低等年份(R12=20),在指定的不同頻率、不同時(shí)間與檢測RCS=30dB的船的距離關(guān)系三維圖,如圖3所示。由圖3可見,工作頻率在4~8MHz,系統(tǒng)的探測能力在絕大部分時(shí)間內(nèi)都在200km以上,最大可達(dá)450km。冬季的效果最好,秋季、春季次之,夏季效果較差。10~14