二次雷达覆盖范围及影响因素分析
民航吉林空管分局 梁志国 严浩 文敏 马纯清
1 引言
航管二次雷达对保证民航飞机安全飞行、航班正常、提高空中交通管制效率具有重要的作用。
二次雷达覆盖范围是一项重要指标，这涉及到雷达设备的各项指标(如雷达天线增益、发射机发射功率、接收机带宽、接收机噪声系数等指标)的确定、准确合理的选址、规划和布局。
影响雷达实际作用距离的外界因素是非常复杂的，雷达的探测性能要受到雷达站选址和气候等多种因素的影响。
本文系统的研究了二次雷达辐射信号作用距离以及影响因素、空域覆盖问题。
2 理想条件下二次雷达覆盖范围分析
二次雷达覆盖范围由二次雷达的作用距离决定。
二次雷达探测飞机需要询问信号能够有效的到达飞机应答机天线，飞机的应答信号能够有效的到达雷达天线。
询问距离要想达到最大，条件就是询问信号到达飞机时的功率刚刚好等于飞机应答机最小可检测信号。
询问信号作用距离的公式为
2/1min I I I I Imax 4⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡''=P G G P R πλ，其中，I λ为询问信号波长，这里为0.291m ，I P 为询问
信号功率，典型值为2000瓦，I G 为询问信号增益，典型值为27dB ，即天线增
益为501，'I G 为应答机天线的接收增益，因为应答机天线为全向天线，所以天线增益为1，'min P 为应答机的灵敏度，即最小可检测信号，典型值为-71dBm ，
即79.4×10-12w 。
经计算可以得到询问信号的最大作用距离为2600km 。
应答信号到达雷达的距离达到最大的条件是应答信号到达雷达天线的功率刚刚好等于二次雷达最小可检测信号，应答信号作用距离的公式为
2/1min R R R R Rmax 4⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡''=P G G P R πλ，R λ为应答信号波长，0.275m ，'R P 为应答信号功率，
典型值为251W,24dBW ，R G 为雷达接收增益，27dB ，'R G 为应答频率应答机天线
增益，min P 为二次雷达最小可检测功率，典型值为-85dBm ，即3.16×10-12。
计算可以得到应答信号的最远作用距离为4365km 。
另一方面雷达的探测距离还要受地平线对飞机屏蔽的限制。
雷达的电磁波基本是按直线传播的，距离较远的飞机，由于地球表面的弯曲不能被发现。
雷达在地平线上的最大探测距离成为雷达的视距，视距有一个公式
()
t a 0 12.4h h d +=，a h 为雷达站的高度，t h 为飞机飞行的高度。
假设雷达站假设高度为20m ，飞机飞行高度为10000m ，可以得出结论雷达视距为430km 。
从430km 这个数值可以看出，雷达的测距探测范围大于450km 的限制主要是在视距。
因为民航飞机基本在12000米以下飞行，所以在远距离处飞行的飞机可能不在雷达辐射覆盖范围内，导致雷达无法探测到远距离处的飞机。
3 影响二次雷达覆盖范围的因素
第2节的二次雷达作用距离分析是在理想条件下计算的，这包括在雷达天线与目标的直线距离上没有任何障碍物，到达目标只有直射电磁波的能量，空间内的大气处处均匀、性质也相同，空间内的大气不吸收电磁波的能量。
但是在实际的电磁环境中二次雷达覆盖范围会有以下四个方面的影响：天气因素的影响，地面反射的影响，有源干扰的影响，无源干扰的影响。
3.1 天气因素对于二次雷达覆盖范围的影响
电磁波传输的实际介质是大气层，且大气是在不断变化的，这种变化对微波的传输会产生影响，特别是距地面约10000米以下的对流层的底层大气层对微波的传输影响最大。
在对流层中，大气成分、压强、温度、湿度会随着高度的变化而变化，会使得微波产生吸收、反射、折射和散射等影响，并且天气是变幻莫测的，电波在往返大气层的时候，可能会受到大气、云、雾、雪、降雨等不同气象因子的影响，使之有所损耗。
但是从整体来看，天气因素对于二次雷达作用距离有一定的影响，但是影响较小，这是因为二次雷达使用的发射和接收频率较低。
雨对于电磁波有较大的衰减，电磁波从雨中穿过会被吸收一部分；雨滴中的感应电流的二次辐射能减小电波传播方向上的功率密度。
雨的衰减大小与降雨量、雨顶高度、电波频率、温度、电磁波的极化有关。
雾是由直径为0.01-0.02厘米的水珠。
由于直径小其对电磁波的散射衰减小，主要是吸收衰减。
衰减量与雾的浓度、吸收系数、折射率、波长、水密度等参数有关。
云中的水蒸气粒子最大直径一般在50-100um ，大小较微波雷达的波长小的多，所以其对电磁波的散射远小于吸收。
吸收系数与电磁波的波长、温度、云的含水量、云的种类、分布范围和高度等等有关。
沙尘的形状具有复杂的多样性，尺寸分布在几十到几百微米，沙的直径分布呈指数模式，其直径分布的均值和方差依据地理环境和沙尘成因不同而不同，一般沙尘分为自然沙尘、爆炸沙尘和车扬沙尘。
沙尘对电磁波的主要影响是通过与空气中的水分结合，形成一定的介电常数，对电磁波进行衰减。
3.2 反射对于二次雷达覆盖范围的影响
当询问机询问或应答机回答时所发射的电磁波，碰到山峰或高大建筑物等固定目标而反射时，将会造成距离和方位都不正确的假目标的显示。
反射是目前困扰二次监视雷达探测性能的主要因素。
反射造成的影响非常大，包括解码错误、定向误差、垂直波束分裂、旁瓣穿透、幻影飞机等等。
对于反射问题，在二次雷达建设选址期间就需要有相关的规划，需要按照规范选择较高的地形，避开反射物。
同时二次雷达采用一些技术处理，可以减弱反射对于雷达覆盖的影响，这包括询问旁瓣抑制(ISLS)、接收旁瓣抑制(RSLS)、可编程灵敏度控制(STC)、功率程序控制(PPC)、异步干扰抑制(Defruit)、单脉冲测角技术、应答和点迹相关处理等技术。
3.3有源干扰对于二次雷达覆盖范围的影响
有源干扰分为人为的和偶然的(即有人故意做的或则来至其他电气设备或机器的)，干扰信号进入雷达接收机又分为从天线主瓣进入和从天线旁瓣进入。
有源干扰能够对二次雷达询问和应答过程造成干扰，从而影响雷达的覆盖。
如图1所示为有源干扰的示例图。
图中有源连续波干扰对于飞机应答机的应答信号有干扰，导致二次雷达接收到大量的虚假应答，雷达接收机饱和，无法正确解出正确应答。
在180度到210度之间的应答输出全部被假应答覆盖，在这一扇区雷达失去作用能力。
图1 有源干扰示例图
3.4 无源杂波对于二次雷达覆盖范围的影响
从整体来看，由于二次雷达的工作原理与一次雷达不同，即二次雷达通过两次有源辐射来探测目标，且发射过程和接收过程使用的电磁波频率不同，无源杂波对于二次雷达的影响很小。
这里只做简要介绍。
无源杂波分为面杂波和
体杂波。
面杂波是由不规则表面引起的，如崎岖的地形。
体杂波是由空间分布的散射体引起的，如雨、箔条干扰物。
面杂波和体杂波的幅度随距离的变化规律不同，从而导致不同的二次雷达距离方程。
4 结束语
本文初步的对二次雷达覆盖范围做了分析，包括理想条件下二次雷达覆盖范围的计算，以及天气因素，地面反射，有源干扰，无源干扰对于二次雷达覆盖范围的影响。
这些分析涉及航管雷达辐射信号作用距离的影响因素、空域覆盖以及雷达站选址问题。
本文内容对于评估航管雷达性能和雷达站选址布局有重要意义和应用价值，对于二次雷达站的日常维护以及问题排查有实际意义。
