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。
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。
二次雷达干扰现象的分析与解决摘要:二次雷达干扰直接威胁着航空安全,增加了航空管制的困难。
因此,文章旨在通过分析二次雷达干扰现象,提出具体解决方法,以期能够为航管提供更加准确的信息和数据,保障航空安全。
关键词:二次雷达;干扰现象;抗干扰措施二次雷达系统的不断完善和成熟,被广泛应用到航空管制中,但是在实际的应用过程中却面临着诸多的干扰问题,例如:窜扰现象和绕环现象等,以下对此进行了深入的分析,在提出具体的解决方法后,能够发挥出二次雷达系统的应用价值。
1 二次雷达系统在使用过程中存在的干扰问题1.1窜扰问题二次雷达工作的过程主要是为:询问机和应答机在相互配合工作的过程中在位提供相应的信息。
而当出现特殊需求时,对准空中目标搭设应答机,然后增加询问机的数量,根据布置的各项询问任务等进行询问。
如图1所示:图1二次雷达工作的过程分析地面控制系统主要接收应答机所传达的信息进行目标的判断,这些信息不仅仅包括询问机中传达的信息,还包括应答机中掺杂询问机所回复的信息。
当这些信息传达过程中形成了加大的干扰,询问机也不能接收到相匹配的信息,进而也就不能对目标进行身份的认证和定位。
因此,应答机在多方位的应答产生的信息时就会出现信息干扰的现象,这一现象被称之为窜扰。
当二次雷达系统出现窜扰现象后,对信息的接收等都产生了不良的影响。
1.2绕环(Ringing)现象雷达天线辐射信号能够显示出不同方向上的能量强度,这些具有差异的能量强度在分布各个方向后形成了雷达天线波瓣图。
询问波束能够在主瓣和旁瓣上询问,处在旁瓣时,如果被强功率的询问信息触发应答机则会偏向这一询问信号进行应答,雷达接收过程中可能后被这些假的目标所困扰,并且这些假的目标主要分布在雷达附近和雷达的中心环上,这一现象被称之为“绕环现象”,对雷达的分辨力或者精准的确定方位等具有较大的影响。
例如:方位精准变差或者分辨力模糊的情况下,难以对数据进行处理,特别是当出现不同的目标报告后,因此后续设备过载。
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。