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超視距雷達(dá)，克服地球曲率對(duì)雷達(dá)探測(cè)的影響

2020.05.07

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地球曲率對(duì)雷達(dá)探測(cè)的影響

雷達(dá)的探測(cè)距離會(huì)受到地球曲率的影響。下圖中地面雷達(dá)(Ground-based radar)的覆蓋范圍是灰色部分，紅色部分是預(yù)警機(jī)雷達(dá)的覆蓋范圍(含灰色部分)。圖中200km附近的低空巡航導(dǎo)彈(Cruise missiles)雖然在地面雷達(dá)的最大探測(cè)范圍之內(nèi)，但地面雷達(dá)“看不到”，但在高處的預(yù)警機(jī)則可以看到。

預(yù)警機(jī)將整套雷達(dá)系統(tǒng)放置在飛機(jī)上，借由飛行高度，從空中搜索各類空中、海上或者是陸上目標(biāo)，提供雷達(dá)較佳的預(yù)警與搜索效果。上圖中一艘戰(zhàn)艦和兩架戰(zhàn)機(jī)都超出了地面雷達(dá)的最大探測(cè)距離。

那么，問題來了：

下圖中雷達(dá)高度hR=1km，地球半徑a=6400km，k=4/3，探測(cè)R=2000km處的飛機(jī)目標(biāo)，求解雷達(dá)能探測(cè)到飛機(jī)的最低高度ht？

代入上圖計(jì)算結(jié)果為：205km。若飛機(jī)目標(biāo)低于該高度，雷達(dá)即使探測(cè)距離足夠，也看不到它。大家注意到該公式中有一個(gè)k=4/3，這是考慮了“三分之四地球模型”，即：有效地球半徑=4/3*實(shí)際地球半徑。

這是因?yàn)榈厍虻拇髿鈱訒?huì)對(duì)雷達(dá)波彎曲和折射，從而一種簡化的方式是采用虛擬地球代替實(shí)際地球，使用虛擬地球模型時(shí)，假設(shè)雷達(dá)波是直線傳播的。

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超視距雷達(dá)如何克服？

“超視距雷達(dá)”是如何克服地球曲率影響，對(duì)更遠(yuǎn)處低空目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的呢？

20世紀(jì)，高頻通信利用電離層的折射效應(yīng)獲得了驚人的作用距離。但發(fā)射信號(hào)經(jīng)由電離層反射并檢測(cè)相同路徑的后向散射回波的想法，直到20世紀(jì)60年代相干處理實(shí)現(xiàn)后才變得可能。隨著數(shù)字信號(hào)處理的出現(xiàn)，相干積累時(shí)間不再受到限制。

天波超視距(Over the horizon,OTH)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)經(jīng)電離層反射后，照射地面或近地面目標(biāo)，目標(biāo)二次散射回波經(jīng)由電離層反射后，被雷達(dá)系統(tǒng)接收并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測(cè)。這類雷達(dá)系統(tǒng)屬于天波超視距后向散射(OTH-B)雷達(dá)系統(tǒng)。

其采用的HF頻段為6~30MHz，在該頻段的1°波束寬度要求510米的天線孔徑，而當(dāng)頻率采用6MHz時(shí)，天線尺寸將達(dá)到2550米。天線采用相控陣，方位上窄波束，俯仰上則可以采用寬波束。當(dāng)30MHz的工作頻率時(shí)，高25.5米的天線，提供20°的俯仰波束。

天線尺寸巨大，但其增益和效率相對(duì)較低，電波從電離層折射或反射的過程也是有損的，同時(shí)又要求具有相當(dāng)遠(yuǎn)的作用距離，因此需要高平均功率進(jìn)行合成，這意味著系統(tǒng)需要具有高占空比，長持續(xù)時(shí)間的脈壓波形是系統(tǒng)的最佳選擇。調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)(FMCW)是最為常用的解決方案。

OTH-B雷達(dá)的工作機(jī)理使得其從上到下照射地面雜波，這些雜波對(duì)接收機(jī)設(shè)計(jì)來說是一個(gè)重要因素，接收機(jī)噪聲系數(shù)和接收天線增益變得不再那么關(guān)鍵，為獲得高多普勒分辨率，OTH-B雷達(dá)采用相當(dāng)長的相干處理時(shí)間，而電離層和目標(biāo)特性將對(duì)相關(guān)處理時(shí)間產(chǎn)生限制。

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超視距雷達(dá)系統(tǒng)

例如超視距雷達(dá)AN/FPS-118不僅能發(fā)現(xiàn)3000多千米以外的巡航導(dǎo)彈，而且能在大部分時(shí)間跟蹤它們，這些巡航導(dǎo)彈的RCS(雷達(dá)散射截面積)小于B-2轟炸機(jī)，但高于F-117A隱身戰(zhàn)斗機(jī)。

美國東海岸超視距雷達(dá)AN/FPS-118的接收天線陣3組天線的跨度均為1500多米，天線陣的有效覆蓋扇區(qū)均為60度。發(fā)射天線陣由6組偶極子線列陣構(gòu)成，每組偶極子陣列包含12個(gè)陣元，3分貝波束角7.5度，負(fù)責(zé)5-28兆赫之間的1個(gè)頻段，最大連續(xù)波發(fā)射功率1.2兆瓦。

西海岸的AN/FPS-118系統(tǒng)發(fā)射天線陣總跨度為1100多米，高度超過10米，其后方的電磁輻射屏障高40多米。接收陣列的跨度為2440米，角度分辨率較更早建造的東海岸系統(tǒng)顯著提高。接收天線陣元為高度5.4米的單極子。

超視距雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大，具有天然抗低空突防、抗隱身飛行器、抗反輻射導(dǎo)彈等特點(diǎn)。主要用于戰(zhàn)略預(yù)警及遠(yuǎn)程戰(zhàn)術(shù)警戒情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)的早期預(yù)警，使預(yù)警時(shí)間提高到小時(shí)量級(jí)。

超視距雷達(dá)除了天波超視距雷達(dá)，還有地波超視距雷達(dá)和微波超視距雷達(dá)。天波超視距雷達(dá)是利用空間電離層對(duì)短波的反射構(gòu)成的；地波超視距雷達(dá)是利用短波中更低的頻段沿地面有較好的繞射作用，使電磁波沿曲線傳播。微波超視距雷達(dá)是利用大氣對(duì)微波傳播有時(shí)構(gòu)成的超折射現(xiàn)象而構(gòu)成的，在溫暖海洋的表面有較多的低空空域探測(cè)機(jī)會(huì)。

END

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