淺談環(huán)境對雷達(dá)電波傳播特性的影響

淺談環(huán)境對雷達(dá)電波傳播特性的影響

引言:人類生活在地球大氣的底層，雷達(dá)設(shè)備也大多處在地面和高層大氣之中。雷達(dá)工作環(huán)境包括地面至外層空間的整個高層大氣，因此整個地球大氣所發(fā)生的各種自然現(xiàn)象和物理過程都直接和間接地影響雷達(dá)的工作性能。我們采用按垂直高度分布區(qū)域的電氣特性及其對無線電波傳播的不同影響方法，即把整個雷達(dá)工作的高層大氣環(huán)境分為地面對流層，平流層中層，電離層等區(qū)域。我們將分別進(jìn)行雷達(dá)環(huán)境及各區(qū)域特征，不同雷達(dá)環(huán)境對雷達(dá)電波傳播的影響及雷達(dá)傳播的損耗，電波傳播的折射等方面展開進(jìn)行討論。一：雷達(dá)環(huán)境各區(qū)域特征我們把近地空間的大氣空域分區(qū)為地面對流層、平流層、電離層和磁層。地面、海面、極地、海交界環(huán)境特征使地球表面不均勻性，電氣特性不均勻性和復(fù)雜的地形地貌等都嚴(yán)重影響雷達(dá)無線電波傳播；對流層是最貼近地面的一層大氣，由于地面吸收太陽能量，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，在從地面向大氣底層傳輸就發(fā)生了強(qiáng)烈的對流，這是該層大氣的主要特征，對流層頂層為9000米赤道可達(dá)17000米，這個區(qū)域大氣折射率嚴(yán)重影響雷達(dá)無線電波傳播。對流層頂部到平流層頂部的空間為平流層，這里是大氣中水蒸氣含量很少，塵埃也很少，十分透明，大氣垂直對流不強(qiáng)，多為平流運動，而且這種運動尺度很大。該層的風(fēng)場結(jié)構(gòu)，對以平流層為平臺的雷達(dá)系統(tǒng)定點穩(wěn)定性影響較大，一般的說這一段空間的大氣對雷達(dá)無線電波傳播影響不大；中層大氣邊界是由平流層頂?shù)?5000米左右處，此層的大氣物質(zhì)進(jìn)行著強(qiáng)光化反應(yīng)，以中性分子為主，一般的說中層對無線電波傳播影響不大，但它是甚低頻波導(dǎo)傳播的上邊界，此外該層的風(fēng)場結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；電離層是指60到1000km以上的高層大氣在太陽輻射的影響下，大氣物質(zhì)發(fā)生電離，這區(qū)域的電離狀態(tài)顯著影響雷達(dá)無線電波傳播；磁層是指在太陽風(fēng)和基本地球磁場相互作用下形成一個太陽風(fēng)被排斥而地球磁場比太陽風(fēng)壓迫變成類似彗星頭尾一樣的空穴。在此空穴里地球磁場起著主要控制作用的層區(qū)，正常的磁層對雷達(dá)無線電波傳播影響不大，但是太陽風(fēng)暴爆發(fā)時。在擾動的太陽風(fēng)暴作用下，磁層內(nèi)磁場發(fā)生爆變，形成磁暴，并作用于電離層引發(fā)電離層暴變，此時雷達(dá)無線電波傳播會產(chǎn)生很大的影響。二：不同環(huán)境對雷達(dá)電波傳播的影響幾乎所有頻段雷達(dá)的電波傳播都受到各種不同環(huán)境的影響，雷達(dá)環(huán)境對雷達(dá)電波傳播的影響是多方面的。折射效應(yīng)，電波折射效應(yīng)是由于對流層和電離層大氣折射指數(shù)的空間變化是雷達(dá)信號在大氣層中傳播速度異于在真空中傳播速度而產(chǎn)生傳播折現(xiàn)的彎曲使得測量的目標(biāo)俯仰角和距離多普勒頻移等目標(biāo)實測參數(shù)不同于目標(biāo)真實參數(shù)的一種效應(yīng)。折射效應(yīng)對雷達(dá)性能的影響有兩個，一是雷達(dá)探測和跟蹤目標(biāo)的垂直面作用范圍與自由空間時有所不同，一般在垂直面內(nèi)向下傾斜；二是使得目標(biāo)位置參數(shù)斜距、仰角、高度、距離、距離差及其變化率產(chǎn)生誤差，降低了檢測目標(biāo)的信噪比；衰減效應(yīng):電波衰減效應(yīng)是指無線電波在自由空間或介質(zhì)傳播過程中能量的減弱效應(yīng)。衰減效應(yīng)對雷達(dá)的性能影響主要是縮短了雷達(dá)探測和跟蹤目標(biāo)的作用距離以及降低了雷達(dá)探測和跟蹤目標(biāo)的信噪比；色散效應(yīng):色散效應(yīng)是由于大氣為非理想介質(zhì)，介質(zhì)中折射率與頻率有關(guān)，穿越介質(zhì)的電波信號傳播時延是頻率的函數(shù)，特別是寬帶信號就會散開，引起嚴(yán)重時延散布效應(yīng)。色散效應(yīng)又造成雷達(dá)成像分辨率大大下降，跟蹤距離、測角、測速誤差大大增加；閃爍效應(yīng):對流層湍流和電離層不均勻體運動的變化使無線電波穿過大氣層電離層時產(chǎn)生幅度、相位、極化和到達(dá)角的變化，表現(xiàn)為目標(biāo)信號電平的快速起伏。閃爍影響雷達(dá)的作用距離和成像精度,嚴(yán)重的電離層閃爍可引起雷達(dá)信號中斷；雜波:雜波主要是指非目標(biāo)雜散回波，雜波是影響雷達(dá)目標(biāo)檢測和識別的重要因素；多路徑效應(yīng):多路徑效應(yīng)是指由于地面或電離層的反射電波的直達(dá)波和反射波和多條傳播路徑回波同時到達(dá)接收點而產(chǎn)生的多路徑傳播干涉衰減效應(yīng)，多路徑可產(chǎn)生信號交調(diào)誤碼和虛假目標(biāo)；多普勒效應(yīng):目標(biāo)相對于雷達(dá)接收機(jī)運動會引起返回信號頻率增加或減少的多普勒效應(yīng)，多普勒效應(yīng)可引起雷達(dá)的測速誤差；去極化效應(yīng):去極化效應(yīng)是指電波通過介質(zhì)后的極化狀態(tài)與原來極化狀態(tài)不同的現(xiàn)象，去極化效應(yīng)將直接影響雷達(dá)對目標(biāo)極化特征的提取和識別或能量的損耗；干擾與外噪聲:干擾與外噪聲包括大氣無線電噪聲、晴空大氣氣溫、地球表面輻射噪聲、天體輻射銀河系電噪聲、人為無線電噪聲和無線電臺干擾。它主要降低了雷達(dá)探測和跟蹤目標(biāo)的信噪比和縮短了雷達(dá)探測和跟蹤目標(biāo)的作用距離。三：雷達(dá)干擾與噪聲環(huán)境對雷達(dá)的影響雷達(dá)噪聲和干擾環(huán)境是十分復(fù)雜多變的，有自然界的噪聲源、人工的噪聲源、還有電臺的干擾以及蓄意的干擾等。而這些噪聲和干擾是隨著頻率、時間和空間位置變化的。我們可以對雷達(dá)干擾以外噪聲包括大氣無線電噪、晴空大氣氣溫、地球表面輻射噪聲、天體輻射、銀河系電噪聲、人為無線電噪聲、無線電臺干擾等進(jìn)行測量計算和估值來消除此類干擾對雷達(dá)的影響。四：其他效應(yīng)對雷達(dá)的影響地面、海面及地海交界環(huán)境的不均勻性和電氣特性不均勻性及地形地貌都嚴(yán)重影響雷達(dá)天線電波傳播。從電磁理論的觀點看，地面和海洋的媒質(zhì)特性也以它們的介電常數(shù)和電導(dǎo)率為特征，他們的磁導(dǎo)率雖然在某些情況下略有差別，但都當(dāng)做單位值來處理。而對于環(huán)境的反射，我們可以運用方向圖傳播因子來計算環(huán)境傳播對雷達(dá)的影響，它包含了繞射反射、折射與多路徑等各種效應(yīng)和天線方向圖的影響。五：總結(jié)影響雷達(dá)性能指標(biāo)的還不止以上這些，還有地形地貌、工作環(huán)境溫度、濕度、及雷達(dá)自身隨著工作時間的變化引起自身的工作溫也在發(fā)生變化，這些也會影響電波的傳輸功率及傳輸路經(jīng)，直接影響到雷達(dá)的探測距離及測角的精度。為了減少環(huán)境對雷達(dá)性能的影響，我們要對雷達(dá)工作的環(huán)境進(jìn)行測量及統(tǒng)計，并在各種環(huán)境下對雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)校。當(dāng)環(huán)境變化時，我們對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，減少其對雷達(dá)性能的影響，使雷達(dá)總處于最