空间碎片地基雷达探测工作频率探讨

任何工作频率的雷达 ,虽然基本原理是相同的 ,但 具体实现的 差别 却很大 [ 1 ] 。雷达探测 距离与其工作 频率密切相关 ,雷达目标的散射截面 ( RCS)与工作波 长有关 ,并且 ,雷达的频率越高 ,生产成本也越大 。对 频率的选择还涉及到该频段外部噪声环境、自由空间 衰减 、降雨衰减 、电离层衰减等情况 。所以工作频率是 雷达设计的重要参数 。
电波每传播 1 km 的衰减量 Z0 为
Z0 ≈ rRn
( 7)
式中 : r为与频率有关的常数 ; R 为降水量 (或降雨强 度 ) ; n 为指数 ,与频率有关 。 r、n与频率的关系曲线如 图 4 所示 [ 5 ] 。
图 3 电波从不 同仰 角通 过整个对流层时的双程吸收损耗
从图 3可以看出 ,天线仰角影响对流层损耗 。在 空间碎片探测中 ,通常情况下 ,收发天线的仰角均大于 45°,所以 ,当雷达的工作频率在 20 GHz以内时 ,可使 系统的对流层损耗小于 1 dB; 若频率小于 10 GHz,可 使对流层损耗小于 0. 3 dB。 2. 3. 2 电离层损耗
( 2)
式中 :η为天线效率 ; A为天线开口面积 。
将式 (2)代入式 (1)中发射天线和接收 天线的增
益 ,得
Rmax =
P tAtArηtηrσ 4πP S m in Lλ2
( 3)
式中 : At、ηt 分别为发射天线的开口面积和发射效率 ;
Ar、ηr 为接收天线的开口面积和接收效率 。
对于固定的碎片探测设备 (发射机、发射天线 、接
美国在 20世纪 60年代建成的电子篱笆为导弹防 御体系的一部分 ,雷达工作频率为 216. 98 MHz,属于 UHF频段 ,在升级改造方案中 ,工作频段为 S波段 ,频 率在 3 100 MHz～3 600MHz。该频段的优点是波束宽 度窄 ,角精度和角分辨率高 。通常 S波段以下的频率 适合于对空警戒 (大空域内探测和低数据率跟踪多目 标 ) ; S波 段以上 的频 率更 适合 于信 息收集 , 若使雷 达频率既用于对空警戒 ,又适于精确跟踪 ; S波段是合 适的折中 [ 1 ] 。
收机 、接收天线不变
)
,
Pt ,
PS min
, At ,
Ar
,
η t
,
η r
均固定不
变 ,因此
R4 max
∝
σ Lλ2
( 4)
从式 (4 )可以看出 ,提高碎片的 RC S,降低系统损
图 1 理想导体球 RCS的 3个散射区
以上对球体 RCS的理论分析可以粗略画出等效直径 为 10 cm的空间碎片的 RCS随频率的变化曲线 ,如图 2 所示。由图 2可知 ,对于等效直径为 10 cm 的碎片 ,若要 获得较大的 RCS,在 UHF频段 ,工作频率可在 700 MHz～ 1 000 MHz间选择 ;在 L频段 ,工作频率可在 1 000MHz～ 1 500 MHz间选择 ;在 S频段 ,工作频率可在 2 200 MHz～ 2 600 MHz或者 3 400MHz～3 700 MHz之间选择。
(2. Graduate School of Chinese Academy of Sciences, B eijing 100039, China)
【Abstra c t】 The ope rating frequenc ies of foreign ground2based radars a re summ aried in this pape r. Then me thods of choo2 sing opera ting frequencie swere ana lyzed in te rm s of relationship of frequency with the maxim um de tec tion range, radar cross sec2 tion (RCS) , a tmo sphe ric p ropaga tion loss, and the noise s outside of the band. At la st, through summ ary of analyse s, the contents discussed above we re proved to be scientific and feasible.
区或 M ie区 ,这段曲线没有明显的上边界 ,通常可以接
收的值是 ka = 10 左右 , RCS 与 a,λ关系复杂 ; ka > 10
的区域 ,球体前部的 镜面反射起主导作用 ,成为光学
(Optical)区 ,此时
RCS = πa2
( 6)
其具体关系曲线如图 1所示 [1 ] 。
G = 4λπ2A·η
【 Key word s】space debris; ground2ba sed; rada r f requency
0 引 言
空间碎片地基雷达探测是低轨道空间碎片探测的 主要方式 。空间碎片探测雷达本质上 与其他雷达一 样 ,都是通过辐射电磁波能量来检测和定位目标 ,并且 利用目标反射回波来提取目标信息 。
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第 30卷 第 7期 2008年 7月
现代雷 达
Vo l.
30 N o.
7
Modern Rada r
July 2008
总体工程
3
空间碎片地基雷达探测工作频率探讨
杨朋翠 1, 2 ,施浒立 1, 2
(1. 中国科学院国家天文台 , 北京 100012; 2. 中国科学院研究生院 , 北京 100039)
这些雷达大多数为超高频 (UHF)频段 ,这主要是 从器件的可靠性和成本进行考虑的 ,工作于 UHF频段 的元件制作技术成熟 。
20世纪 90年代以后 ,法国 、日本 、印度 、欧空局等 航天国家和组织开始筹备建设专用的空间碎片监测系 统 。2002年底 ,美国也开始对原有的电子篱笆进行升 级改造 。
电离层损耗 、降水损耗 、信号处理损耗 、极化损耗和馈 线损耗等 。后 3种损耗主要与探测设备的硬件配置有 关 ,所以 ,分析空间碎片探测系统的大气传播损耗 ,即 为对流层损耗 、电离层损耗和降水损耗 。 2. 3. 1 对流层损耗
对流层是高度为 4 0 km 以下的大气层 [ 3 ] 。当频率 高于几百兆赫 ,且在远距离和低仰角的情况下 ,对流层 对信号的吸 收衰 减显著 [ 1 ] 。对流层的 吸收是水蒸气 分子和氧气分子间发生量子谐振的结果。由于水蒸气 谐振频率为 22. 2 GHz,在此频率附近损耗出现大的峰 值 ; 在接近氧气的谐振频率 ( 60 GHz)时 ,对流层吸收 使损耗曲线出现第 2个大的峰值 ,图 3给出了电波从 不同仰角通过整个对流层时的双程吸收损耗 [ 1 ] 。
D iscu ssion on O per a t in g Fr eq uen cy of G r oun d 2ba sed Ra dar
for Spa ce D ebr is D etct ion
YANG Peng2cu i1, 2 , SH I Hu 2li1, 2 (1. Nation A stronom ical O bservatory, Chine se Academy of Science s, Beijing 100012, China)
Rmax =
P t GtGrσλ2 1 /4 ( 4π) 3 PS min L
( 1)
式中 : Pt 为发射功率 ;λ为发射信号波长; Gt 为发射天 线增益 ;σ为空间 碎片散射截 面; PS min 为接收机灵敏 度 ; Gr 为接收天线增益 ; L为各种系统损耗之和 。
天线增益可表示为
表征镜面波和爬行波干涉特性的中心区域为谐振
降水损耗也发生在对流层 ,以上讨论的对流层损 耗是大气层中只存在分子形态气体时的常规对流层损 耗 。当大气层中存在诸如雨 、雾 、冰雹或雪等液态或固 态水时 ,会发生其他额外的 损耗。这种损 耗的机理 : (1)液态或固态水绕射 (散射 )入射电磁波使一部分波 能被散射到许多方向上 ,导致了起始波前功率密度降 低 ; (2)有耗电介质的吸收将电磁能转化为热能 。由 实测结果可知 ,在降水所引起的衰减中 ,吸收衰减比散 射衰减要大一些 [ 4 ] 。
也增强 。雨衰 、对流层衰 减等也和雷达的 频率有关 。 所以 ,雷达的工作频率并不是越高越好 ,需要在执行风 险 、探测性能和成本等方面综合考虑 。 2. 2 雷达散射截面与频率的关系
对于不同的频率 ,碎片等效球的 RCS呈现出很大 的不同 ,球体截面积与波长的关系大致可以分成 3个 具有不同特点的区域 : 瑞利区 、谐振区和 光学区 。设 ka = 2πα/λ为用波长表示的球周长 , a 为等效球半径 , 当 0 < ka < 1 时 , 区内 RCS 快速增加 ,该区 成为瑞利 区 ,其 RCS随 ka的 4 次幂增加
1 国外空间碎片探测雷达的工作频率
空间碎片探测大体分为精测和普测 ,精测主要为 单基地雷达和相控阵雷达 ,普测为电子篱笆 。从严格 的意义上讲 ,迄今为止还没有一个专用的“空间碎片 监测网 ”,美国和前苏联在 20世纪 50年代开始建设空
间监测设备时 ,主要目的是进行弹道导弹预警 ,其工作 参数也是针对导弹设计的 ,所以空间碎片监测在数量 、 尺度和轨道精度等方面都不能满足要求。
算简便 ,通常可以将整个电离层压缩为一个单层 ,称为 中心电离层或平均电离层 ,该层离地面的高度一般可 取 350 km。
当雷达频率低于 1 GH z时 ,将出现电离层折射 ;但 当频率高于 1 GHz时 ,电离层折射可忽略不计 。因此 , 可以选择大于 1 GHz的工作频率 。 2. 3. 3 降水损耗
欧空局正在筹建的欧洲空间监测网 ,以法国的 GRAVES为基础 ,主要从监测物体的 尺度 (最小等效 直径为 10 cm )和造价考虑 ,雷达频率采用 UHF波段 , 其工作频率设计为 4 35 MHz[ 2 ] 。