高頻地波雷達(dá)

高頻地波雷達(dá)海洋監(jiān)測技術(shù)01內(nèi)容簡介工作原理面臨的問題發(fā)展歷史發(fā)展現(xiàn)狀目錄03050204基本信息高頻地波雷達(dá)作為一種新興的海洋監(jiān)測技術(shù)，具有超視距、大范圍、全天候以及低成本等優(yōu)點，被認(rèn)為是一種能實現(xiàn)對各國專屬經(jīng)濟區(qū)(EEZ)監(jiān)測進(jìn)行有效監(jiān)測的高科技手段。各臨海發(fā)達(dá)國家均進(jìn)行了研發(fā)投入，并實施了多年的對比驗證和應(yīng)用示范。內(nèi)容簡介內(nèi)容簡介高頻地波雷達(dá)應(yīng)用示意圖高頻地波雷達(dá)利用短波（3～30MHz）在導(dǎo)電海洋表面繞射傳播衰減小的特點，采用垂直極化天線輻射電波，能超視距探測海平面視線以下出現(xiàn)的艦船、飛機、冰山和導(dǎo)彈等運動目標(biāo)，作用距離可達(dá)300km以上。同時，高頻地波雷達(dá)利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制，可以從雷達(dá)回波中提取風(fēng)場、浪場、流場等海況信息，實現(xiàn)對海洋環(huán)境大范圍、高精度和全天候的實時監(jiān)測。在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，地波超視距雷達(dá)的工作波長和電波傳播特性決定其具有獨特的性能優(yōu)勢（相對于微波雷達(dá)而言）：（1）作用距離遠(yuǎn)（300～400km）；（2）極強的反隱身能力；（3）抗低空突防；（4）抗反輻射導(dǎo)彈在海洋環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，地波超視距雷達(dá)具有覆蓋范圍大、全天候、實時性好、功能多、性價比高等特點，在氣象預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、航運、漁業(yè)、污染監(jiān)測、資源開發(fā)、海上救援、海洋工程、海洋科學(xué)研究等方面有廣泛的應(yīng)用前景。發(fā)展歷史發(fā)展歷史武漢大學(xué)研制的中程高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)OSMAR雷達(dá)的前身是電離層測高儀。上個世紀(jì)初為了解釋Maconi成功實現(xiàn)跨越大西洋的無線電通信，Kennelly和Heaviside提出在地球大氣層中存在一個導(dǎo)電層——1902年Kennelly猜測無線電波在大約80km的高空經(jīng)一傳導(dǎo)層反射，同年“聰明、憤世嫉俗、自學(xué)成才的數(shù)學(xué)家和工程師”O(jiān)liverHeaviside在為大不列顛百科全書撰寫的一篇文章中也獨立提出類似的思想。我們當(dāng)然知道那就是電離層，當(dāng)時科學(xué)家和工程師把那叫做“Kennelly-Heaviside層”，但那個層是否存在還眾說紛紜。隨后二極管、三極管、正反饋和超外差接收機等等無線電技術(shù)如雨后春筍般地出現(xiàn)，為電離層存在性的驗證準(zhǔn)備了必要的技術(shù)條件。到1925年Breit和Tuve設(shè)計出一個無線電脈沖發(fā)射及接收裝置，通過向上空發(fā)射無線電脈沖并接收到反射回來的脈沖(Echoes)，驗證了電離層的存在，同時可通過收發(fā)脈沖之間的時間間隔計算電離層的高度。這個裝置就是電離層測高儀。個人認(rèn)為Breit和Tuve發(fā)明的電離層測高儀其實就是雷達(dá)，也就是說雷達(dá)是在1925年就被發(fā)明了，而不是如同流傳的是二戰(zhàn)前幾年由英國人發(fā)明的。只不過Breit和Tuve的工作不夠“軍事”、不夠“傳奇”、不能體現(xiàn)雷達(dá)這個字眼的神秘性罷了。上世紀(jì)四、五十年代人們發(fā)現(xiàn)在海岸擔(dān)任探測和警戒任務(wù)的雷達(dá)總是受到來自海面不明原因的“干擾”。1955年，Crombie這一現(xiàn)象，進(jìn)行實驗研究，發(fā)現(xiàn)“數(shù)十米波長的電磁波與海洋表面的相互作用，將產(chǎn)生Bragg繞射現(xiàn)象”。原來那些干擾是波長等于無線電波波長一半、傳播方向平行于（接近或遠(yuǎn)離）雷達(dá)發(fā)射波束方向的海浪與無線電波“諧振”散射所產(chǎn)生的回波。工作原理工作原理無線電波朝海面發(fā)射時，在海水表面會存在一種電磁波傳播模式，稱為地波(GroundWave)是一種表面波(SurfaceWave)，因此高頻地波雷達(dá)也叫做高頻表面波雷達(dá)(HFSurfaceWaveRadar)。在中波和短波段海水表面的地波傳播衰減很小，而且地波在一定程度上會沿著彎曲的地球表面?zhèn)鞑?，到達(dá)地平線以下很遠(yuǎn)的地方，即實現(xiàn)超視距傳播。因此利用地波超視距傳播特性進(jìn)行探測的高頻地波雷達(dá)也稱為地波超視距雷達(dá)(Over-The-HorizonRadar)，探測距離根據(jù)發(fā)射功率和頻率的不同通?？蛇_(dá)到200～500km。另外兩種類型的超視距雷達(dá)分別是天波超視距雷達(dá)和利用大氣波導(dǎo)特征的微波雷達(dá)，前者通過電離層對高頻無線電波的反射實現(xiàn)對數(shù)千公里外目標(biāo)的探測，后者可以對一兩百公里外的目標(biāo)進(jìn)行探測。圖1Bragg散射示意圖地波雷達(dá)海況探測的基礎(chǔ)類似于晶格對X射線的Bragg散射，如圖1所示，從左上方入射的兩條射線（相同波源）被原子散射，在特定的觀察方向上，如果兩條射線的波程差為2的整數(shù)倍，那么將會觀察到亮條紋；如果波程差比2的整數(shù)倍多，那么兩射線能量相消，觀察到的是暗條紋。真實的海面不會是簡單正弦波列，但是可以用類似于Fourier變換的方式把一個真實的海面分解成為千千萬萬簡單正弦波列成分的疊加，這些正弦波列有不同幅度、周期、初相和傳播方向。那么這無數(shù)列正弦海浪成分是否都對電磁波產(chǎn)生散射呢？當(dāng)然都會！但是并非所有的成分都產(chǎn)生相同的貢獻(xiàn)，貢獻(xiàn)最大的海浪成分還是圖2所示的那類正弦波列，即滿足,并且波矢量方向位于電磁波入射平面內(nèi)的正弦海浪。對于岸基雷達(dá)探測，=0?，即L=/2，也就是波長等于雷達(dá)電波波長一半的海浪會對電波產(chǎn)生最強的后向散射（圖2）。發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀目標(biāo)探測用高頻地波雷達(dá)目標(biāo)探測是高頻地波雷達(dá)的主要功能之一，在軍用領(lǐng)域高頻地波雷達(dá)沿著純軍事化的思路以遠(yuǎn)距離目標(biāo)預(yù)警能力為主要目標(biāo)，其典型代表是英國的“監(jiān)督員”系統(tǒng)、俄羅斯的“向日葵”系統(tǒng)和加拿大的SWR-503系統(tǒng)等。特點是寬頻帶、大發(fā)射功率（達(dá)數(shù)百千瓦）、大接收天線陣（陣長數(shù)百米到數(shù)公里），單部雷達(dá)就具有較強的目標(biāo)探測能力。該類設(shè)備的缺點是系統(tǒng)過于復(fù)雜，研制成本高昂，機動性和隱蔽性差，需要較強的保障條件，難以大規(guī)模推廣部署。民用領(lǐng)域高頻地波雷達(dá)的目標(biāo)檢測功能處于研究試驗階段。民用高頻地波雷達(dá)發(fā)射功率低，一般為幾十瓦到百瓦級。天線陣列小，陣長一般小于一百米。目標(biāo)探測距離和方位分辨率還無法與軍用高頻地波雷達(dá)相比，目標(biāo)檢測概率和虛警率不能滿足實際應(yīng)用的需求，但隨著高分辨率空間譜估計技術(shù)的發(fā)展，以及抗電離層干擾技術(shù)的創(chuàng)新，民用高頻地波雷達(dá)對于200km以內(nèi)海面目標(biāo)的探測與跟蹤具有很好的發(fā)展前景。海洋環(huán)境監(jiān)測用高頻地波雷達(dá)海洋動力學(xué)參數(shù)（海面風(fēng)、浪、流）的探測是高頻地波雷達(dá)的另一種主要用途。高頻地波雷達(dá)可以以十分鐘的時間分辨率連續(xù)獲取數(shù)萬平方公里海面的海洋狀態(tài)參數(shù)分布，這是任何其它探測手段無法做到的。面臨的問題面臨的問題抗干擾問題地波雷達(dá)工作在短波段，而短波段是高頻通信、廣播和各類大氣、天電噪聲等比較集中的頻段，同時在高頻段中低端，電離層干擾是嚴(yán)重影響雷達(dá)探測性能的主要干擾。對于以目標(biāo)探測為主的高頻地波雷達(dá)，電離層干擾常常會導(dǎo)致一兩百公里開外的目標(biāo)基本無法探測。國內(nèi)外已開展了大量關(guān)于抗電離層干擾的研究，由于電離層形態(tài)及其變化的復(fù)雜性，尚無有效的能適應(yīng)各種情況的抗電離層干擾技術(shù)。更精確的風(fēng)、浪參數(shù)反演理論和技術(shù)雖然國內(nèi)在地波雷達(dá)風(fēng)、浪探測方面已