大气波导与微波超视距雷达

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微波超视距雷达原理

微波超视距雷达原理一、引言微波超视距雷达是一种广泛应用于军事和民用领域的雷达系统，它利用微波信号进行目标探测和跟踪。

本文将介绍微波超视距雷达的原理和工作过程。

二、微波超视距雷达的原理微波超视距雷达是一种利用微波信号进行目标探测和跟踪的雷达系统。

其原理基于微波信号的传播特性和目标散射信号的特征。

1. 微波信号的传播特性微波信号具有较高的频率和较短的波长，能够在大气中传播较远的距离。

微波信号的传播损耗较小，能够穿透一定厚度的云层和大气层，适合用于远距离目标探测。

2. 目标散射信号的特征目标散射信号是目标表面反射回来的微波信号。

目标散射信号的强度和目标的形状、大小、材料特性等因素有关。

微波超视距雷达通过接收和分析目标散射信号，可以获取目标的位置、速度、距离等信息。

三、微波超视距雷达的工作过程微波超视距雷达的工作过程可以分为发射、接收和信号处理三个步骤。

1. 发射微波超视距雷达通过发射天线向目标发送微波信号。

发射天线通常会采用定向天线，以集中发射信号的能量，增加信号的强度和距离。

2. 接收微波超视距雷达通过接收天线接收目标散射回来的微波信号。

接收天线通常会采用定向天线，以增强对目标散射信号的接收能力。

3. 信号处理微波超视距雷达通过对接收到的目标散射信号进行分析和处理，提取目标的特征信息。

信号处理的方法包括滤波、放大、频谱分析等。

四、微波超视距雷达的应用微波超视距雷达广泛应用于军事和民用领域，具有以下几个方面的应用：1. 军事侦察微波超视距雷达可以用于军事侦察，实时监测敌方目标的位置、速度和距离等信息。

通过微波超视距雷达的应用，可以提供军事指挥部门的战场态势判断，为军事行动提供依据。

2. 空中交通管理微波超视距雷达可以用于空中交通管理，实时监测飞机的位置和速度等信息。

通过微波超视距雷达的应用，可以提供飞行控制中心的空中交通监控，确保飞机的安全飞行。

3. 气象预警微波超视距雷达可以用于气象预警，实时监测天气变化和气象灾害等情况。

大气波导条件下舰载超视距雷达探测概率模型

第３２卷第６期
２１００年６月
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ．１３２，Ｎｏ６．
ＳＩＣＩＨＰＳＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｊｎ．，２０ｕ０１
大气波导条件下舰载超视距雷达探测概率模型
王慕鸿吴晓锋郑春弟刘平，，，
０引言
雷达在对海面目标探测时，可能出现雷达的实际探测距离大于雷达视距的情况，这是由大气波导现象造成的。所谓的大气波导现象，指在一定的气象条是
距探测。
目前，已有文献研究了大气波导环境中电波传播特性及大气波导对雷达探测距离的影响。但是，
件下，大气边界层尤其是在近地层中传播的电磁在波，大气折射的影响，受其传播轨迹弯向地面，当曲率
ＷＡＮＧｕ— ｏｇＷＵａ —ｅｇＺＨＥＮＧｕｄ，ＩＰｉｇＭｈｎ，Ｘｉｏｆｎ，Ｃｈｎ－ｉＬＵｎ
（．ａａＡｍｏａｄＩｓｔｔ，ｕｎｚｏ１４０Ｃｉａ１ＮｖｌｒｓＣｍｍｎｎｔｕｅＧａｇｈｕ５０３，ｈｎ；ｉ
Ａｏｅｆｄｔｃｉｎｐｏｂｌｔｏｈｅｓｉｂｏｎａｉｉｙｆｒｔｈｐｒｅｈｏｉｏｏｅ
ｒｄｒｕｄｅｈｅａｍｏｐｅｅｄｕｔａａｎｒｔｔｓｈｒｃ
（．海军兵种指挥学院，东广州５０３；．海军装备研究院，１广１４０２北京１０６）０１１摘要：在分析大气波导条件下雷达波传播特性的基础上，利用舰载超视距雷达的战术技术性能和抛物方程

大气波导效应对雷达探测的影响分析

Ｍ＝ｎ１＋／）（ｈａ一ｎ＋（／）ｈａ
Ｍ＝Ｎ＋ｈａ×１／０（４）
（）３
式中，ｈ为距地面的高度，ａ为地球半径。取ａ为６７ｋ则有３１ｍ，Ｍ＝Ｎ＋．５ｈ（）０１７５对上式求导，则有
ｄＭ
３２大气波导使电磁波能量衰减．
大２３。伴随着超视距的出现， — 倍雷达杂波也会增强，增加雷达测量的误差，对雷达的探测产生很大影响。因此，开展大气波导情况下对雷达探测性能影响的研究变得十分重要。
２大气波导效应
２１大气波导成因．对流层的底层大气，尤其是海面上低空大气的温度、湿度的急剧变化，经常会使某一高度范围内大气折射率随高度的变化梯度显著超过正常值，导致在其间传播的雷达电磁波信号脱离正常的视线传播轨道，在
【关键词】大气波导
雷达探测
影响
中图分类号：Ｎ５文献标识码：文章编号：０９—４６２１）３一ｌ３一２Ｔ９Ａ１００７（０００ＯｌＯ
１引言
海面环境异常的复杂，载雷达在对海面目标进行探测时，舰地物杂波、海浪杂波、气象杂波以及在在大气传播过程中会存在的折射、多路径效应等，都会对探测造成一定的影响。尤其是在大气层出现波导现象时，电磁波发生超折射，使舰载雷达出现超视距探测，雷达探测范围能增
间对舰船目标进行了超视距探测。最大跟踪至ｌＯｒＯｋａ以上。
ｊ｝：＾
Ｎ＝ｌ＋ｌ，２、ＰＩ（）

大气波导对舰载及岸基雷达的影响

Ｎｎｉ１０３２ＮｖｏｍｎｏｅｅＮｎｉ１８０ａｊｇ２００；．ａＣｍａｄＣｌｇ，ａｊｇ２１０）ｎｙｌｎ
Ａｂｓｒｃ：ＴｔｓｈｒｃｄｔｉｏｔａｔｈｅａｍｏｐｅｉｕｃｓａｃｍｍｏｈｅｏｎｎｉｈｔｓｈｅｃｅｖｒｎｎｆｔｅＯｎｐｎｍｅｏｎｔｅａｍｏｐｒｎｉｏｍｅｔｏｈ — ｉ
进行了阐述，的结论是海洋上空存在大气波导的气总
气波导的结构和特征如图２所示。图中，为修正折射率（＝Ｎ＋／ｈＲ×１Ｎ为折射率，地球半径）０，尺为；ｈ为离地高度；为陷获层厚度；为波导厚度；ｈ
蒸发波导是特殊的表面波导，海面蒸发水分形是
如果雷达发射和接收共用一个天线，Ｇ＝Ｇ＝则Ｇ；目标位于发射和接收天线波瓣图的最大值方向ｉ当时，，式（）以简化为Ｆ＝Ｆ＝１则１可
作者简介：王明明，，６年生，男１３９工程师，主要从事军品质量监督工作。
一
６一
王明明
大气波导对舰载及岸基雷达的影响
然而，当出现异常天气时，电磁波的传播不完全是直线，因此出现了超视距现象。很多文献对大气波导
雷达视距为
在晴天尤其雨过天晴时，显示器上却满屏杂波。而对
于这种杂波，用各种反杂波手段均得不到较好的采

雷达测距方法

RT 发射天线Tx
对双基地雷达，计算RT+RR有两种方法：
直接法：
间接法：
单基地：R=cT/2
2017/12/30
哈尔滨工业大学电子工程系
3
对双基地雷达，具体计算RT或RR需要目标角度信息，如利用目标的接收视线角，则计算公式为：
还有其他多种目标定位方法，具体可参考：
M.I. Skolnik, Radar Handbook: Ch25 Bistatic Radar, 2nd edition, McGraw-Hill, 1990
22
对简单脉冲雷达而言，脉冲越窄，距离分辨力越好。而从信号检测角度讲，希望发射脉冲宽度越宽越好，这样辐射出去的能量越大，目标回波信号越强，越有利于信号检测。显然这是一对不可调和的矛盾，可以采用脉冲压缩信号加以解决。
2017/12/30 哈尔滨工业大学电子工程系 23
测距范围：包括最小可测距离和最大单值测距范围。
2、大气介质分布的不均匀将造成电磁波非直线传播(大气折射)。折射系数n=c/vp
折射率N=(n-1)x10
h↑—n↓—vp↑ dn/dh<0
分层大气(层内均匀，越高越稀薄)
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
射线通过径向分层大气时的途径 [美]杰里L. 伊伏斯等编，现代雷达原理，电子工业出版社，1991.3
2017/12/30 哈尔滨工业大学电子工程系 7
1、大气密度、温度、湿度等参数随时间、地点而变化，导致大气传播介质的导磁系数和介电常数发生相应改变，引起电波传播速度c变化。
昼夜间大气中温度、气压及湿度的起伏变化所引起的传播速度变化为：
c c 105
丁鹭飞，雷达原理，西电出版社，1995

天波超视距雷达原理

天波超视距雷达原理
天波超视距雷达（Over-the-Horizon Radar，简称OTHR）利用天波信号可以沿大气层的天顶反射和散射传播，实现对地面目标的侦测和跟踪。

天波超视距雷达的原理主要包括以下几个步骤：
1. 发射：雷达系统发送较高频率的连续波信号，一般在3MHz 到30MHz这个频率范围内。

这些天波信号可以经由天顶传播并沿大气层进行多次反射和散射。

2. 天顶反射和散射：天波信号到达电离层上限时，部分信号会被大气层顶部反射，从而向下发送。

此外，部分信号会因为电离层的扰动和不均匀性而发生散射，沿不同方向传播。

这两种传播方式可以使得雷达信号超过地平线，实现对地面目标的探测。

3. 接收与处理：雷达系统接收回波信号，并进行信号处理和分析。

回波信号中的目标信息被提取出来，包括目标位置、速度和其他特征。

这些信息可以被用于实现对地面目标的跟踪和定位。

需要注意的是，天波超视距雷达的性能和距离分辨能力受到多种因素的影响，包括频率选择、信号处理技术和电离层的变化等。

因此，在实际应用中，需要进行详尽的实验和数据分析，以优化雷达系统的性能和可靠性。

海洋大气波导效应雷达的超视距作用分析

ｄＭ
一
２大气波导对雷达的影响
大气波导使电磁波弯向地球表面，形成电磁波：来自＋０．１５７
（３）
ｄｈ
ｄｈ
当ｄＮ＞０
ｄｈ
，
或者．＞０．１５７时，电磁波将背离
ｄｈ
的异常传播，其对雷达探测的主要影响一般有：（１）大气波导可使雷达实现超视距探测；（２）使雷达形成大气波导盲区；
Ⅳ ：７７．６＋３．７３ ×１０（１）
当电磁波传播距离很短时，可近似认为地球表
种比较异常的现象，也就是说，这是要有一定的
面为平面，但若电磁波传播距离较长时，就必须考
虑地球曲率的影响。此时，为了将地球表面处理成平面，通常使用进行了地球曲率订正大气修正折射指数其表达式如下：
一
１海洋大气波导的环境特性
１．１海洋大气波导形成条件影响海洋环境中的电磁波传播特性的主要因
子是大气折射率。对频率在１ＧＨｚ￣１００ＧＨｚ范围内
的电磁波，大气折射指数 Ⅳ 可表示为大气温度单位：Ｋ）、大气压力尸和水汽压ｅ的函数，其关系为：
在现代高技术条件下的战争中，电磁对抗异常激烈，先敌发现、先发制人，实现远程超视距打击，是取得战争胜利的前提和保证。电磁波在大气中传播时，会受大气环境中气体分子和气溶胶粒子的吸收、散射所造成的衰减影响；还会受大气折射影响，出现诸如超折射、负折射等异常传播现象，尤其在极端超折射条件下出现大气波导时，电磁波会在大气波导内形成波导传播，使电磁波能够传播到在正常折射条件下无法到达的区域。利用地磁波在大气波导内的这种传输特性，使超视距雷达可以获得超视距探测目标的能力，为舰船预警提供足够的时间，为导弹进行远程攻击提供信息支援。正常的条件下，电磁波只能是视距内传播，能形成超视距是

超视距雷达侦察装备试验条件分析

（Ｕｎｉｔ９１３３６ｏｆＰＬＡ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ０６６３２６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒａｄａｒｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｃａｎｒｅｃｅｉｖｅｔｈｅｗｅａｋｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓｉｇｎａｌｓｂｙｍｅａｎｓ
２０１５年６月
舰船电子对抗
ＳＨＩＰＢＯＡＲＤＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＣ０ＵＮＴＥＲＭＥＡＳＵＲＥ
Ｊｕｎ．２Ｏ１５
Ｖｏ１．３８Ｎｏ．３
第３８卷第３期
超视距雷达侦察装备试验条件分析
刘丽明，姚啸，樊鸿
ｔｒｏｐｏｓｃａｔｔｅｒａｎｄａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｗａｖｅｇｕｉｄｅａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｒｅａｌｉｚｉｎｇｏｖｅｒ－ｔｈｅ — — ｈｏｒｉｚｏｎｒｅ — —
ｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ，ｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｔｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｏｖｅｒ — ｔｈｅ — ｈｏｒｉｚｏｎｒａｄａｒｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅｉｎｏｕｔｅｒｆｉｅｌｄ．１【ｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｖｅｒ — ｔｈｅ — ｈｏｒｉｚｏｎ；ｒａｄａｒｒｅｃｏｎｎａｉｓｓａｎｃｅ；ｔｅｓｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

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以大气电离层为“反射镜”，工作于高频(High Frequency, HF) 波段的OTH-B 天波超视距雷达的典型探测半径可达1800 海里(e.g. MD 空军的AN/FPS-118)，但天线阵体型过于庞大，尺度以千米计，无法安装于机动式武器-传感器平台(如水面战舰) 之上。

MD 海军AN/TPS-71 ROTHR (Relocatable Over-the-Horizon Radar) “可再部署型” 天波超视距雷达。

地波超视距雷达的典型探测半径为180 海里(绿色)，庞大的HF 天线阵同样无法应用于水面战舰等空间紧的机动平台。

由于工作波长达数十米，高频超视距雷达的分辨率相当糟糕，且很难捕捉到小尺寸目标(如反舰导弹)。

高频超视距雷达的性能缺陷十分明显，空中预警平台成本则高昂，数量有限，且要伴随舰队长时间远洋活动须获得大型CATOBAR 航母的支持，舰载微波超视距雷达的吸引力不言而喻。

无线电波在大气中传播的速度接近，但不等于其在真空中的传播速度。

随着大气温度，湿度，压强的变化，无线电波传播速度相应改变，大气对无线电波的折射率也就发生变化。

接近地球表面的大气折射率为 1.000250 至 1.000400，变化幅度看似微小，却足以引起无线电传播路径的弯曲。

通常情况下大气折射率随着海拔升高而逐渐降低，造成无线电传播路径向下方弯曲(见上图)。

理想大气条件下这一折射作用的效果是使雷达地平线/水天线的距离比光学地平线/水天线高出约1/6，但如果某一高度区间大气的温度和/或湿度迅速变化，则可导致其无线电传播路径的弯曲度超过地球曲率，令雷达波束折向地面/水面方向，从而实现超视距探索。

n = 大气折射率，数值为光速/大气中的无线电传播速度
p = 干燥空气压强
T = 大气绝对温度
es = 大气中的水蒸气分压
通常所谓利用大气散射实现微波雷达超视距探测的说法实际上是错误的。

由大气构成不均一导致的对流散射(下) 虽能够有效地扩展微波通讯的覆盖半径，却因反射信号强度大幅度下降且传播路径无法确定而难以用于雷达探测(被动电子侦察手段却可利用散射信号推算发射源方位，不过这也是十分耗时费力的工作)。

真正的微波超视距雷达所依赖的，是由折射率迅速变化的气层提供的大气波导通道(上)。

以温度/湿度跃变层和地/水面(或另一温度/湿度跃变层) 为边界的大气波导通道能够实现雷达信号的远距传播，二战时美军水面战舰曾因此将远处(水天线之下) 的海岛当成日军舰队，在雷达控制下向空无一物的大海中发射了518 枚356 毫米和487 枚203 毫米炮弹。

尽管如此，微波超视距雷达实用化依然障碍重重。

由于仅以极小角度(通常不超过 1 度) 入射的信号才能在大气温度/湿度跃变层作用下进入波导通道(见上图)，依靠波导通道传播的雷达信号之路径受到非常严格的限制，在直射信号的水天线边界和波导信号的第一下触区之间形成了宽达数十海里的盲区(Skip zone)。

而折射率跃变层的存在造成的信号弯折，则在波导信号和非波导信号之间造成了雷达信号无法进入的另一盲区(Radar hole)。

大气波导通道在使超视距微波探测成为可能的同时，也制造了视线Line-of-sight 探测区域的信号“黑洞”。

美军先进折射效应预测系统AREPS (Advanced Refractive Effects Prediction System)显示的探测概率与目标距离的关系，亮区为高探测概率区，横坐标为目标距离(海里)，纵坐标为海拔高度(英尺)，雷达安装高度为24.4 米/80 英尺，目标为典型反舰导弹，折射率跃变层高度约在200-300 米。

目标掠海飞行时，在不足20 海里的视线探测区和约60 海里的波导信号第一下触区之间，存在宽达40 海里的覆盖空白，且波导信号第一下触区宽度十分有限，不足以为防空拦截提供足够的时间窗口(假定目标在70 海里外被发现，波导信号第一下触区宽10 海里，水面战舰在发现目标后立即发射舰空导弹，且不考虑舰空导弹的加速时间，则对空武器飞行速度仍需达到来袭反舰武器的 6 倍以上，方能在目标进入Skip zone 前实现拦截，如果反舰导弹突防速度为 2.5 马赫，舰空导弹的巡航速度就必须超过15 马赫! 在稠密大气中以15 马赫速度狂飙不论从导弹结构还是传感器工作环境角度考虑，都糟糕至极)。

理论上雷达信号从第一下触区反射向上后，可继续在波导通道向更远处传播，实现更远距离上的威胁预警。

实际上由于波涛翻滚的海面导致的信号散射，多数辐射能将以较大入射角逸出该波导通道，第二下触区的海面杂波累加至第一下触区杂波信号之上，则会导致杂波强度远远高于目标反射信号，再加上远处的大气环境难以确定，故而也就无从预测波导通道的边界和信号传输的路径，目前的微波超视距雷达至多也就能够提供半径60 海里左右的低空预警。

这个能力当然颇具实战价值，却与某些人宣扬的盾舰能依靠大气散射实施超视距探测，攻击水天线下的空中目标完全不是一码事。

第一下触区原则上可用于控制反舰导弹进行超视距打击，但敌舰亦能利用其散射信号，在更远的距离上对辐射源实施被动定位，抢先发射导弹。

由模型推导(非实测数据) 出的大气波导通道出现概率，色调越温暖，折射率跃变层/波导通道发生机率越高。

西太平洋整体而言属于大气波导通道的“沙漠”。

地中海，红海，波斯湾，印尼-袋鼠国海域，南太平洋低纬度海域，北非西侧海域为波导通道活跃区(波斯湾全年1/2 的时间里存在折射率跃变层)，然而这些海域大多靠近陆地且充斥着不计其数的民用船舶，雷达工作环境异常复杂，令大气波导通道所提供的超视距探测能力的实战效能大打折扣。