陳鉅龍

【摘要】 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(diǎn)，采用垂直極化天線輻射電波，能超視距探測(cè)海平面視線以下出現(xiàn)的艦船、飛機(jī)、冰山和導(dǎo)彈等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，作用距離可達(dá)300km以上。同時(shí)，地波雷達(dá)利用海洋表面對(duì)高頻電磁波的一階散射和二階散射機(jī)制，可以從雷達(dá)回波中提取風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)、流場(chǎng)等海況信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境大范圍、高精度和全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，地波超視距雷達(dá)具有覆蓋范圍大、全天候等特點(diǎn)。在氣象預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)、海洋工程等方面有廣泛的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】 地波雷達(dá) 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè) 電磁波

一、發(fā)展歷史

上世紀(jì)四、五十年代人們發(fā)現(xiàn)在海岸擔(dān)任探測(cè)和警戒任務(wù)的雷達(dá)總是受到來(lái)自海面不明原因的“干擾”。有研究人員發(fā)現(xiàn)“數(shù)十米波長(zhǎng)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(lái)那些干擾是波長(zhǎng)等于無(wú)線電波波長(zhǎng)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(wú)線電波“諧振”散射所產(chǎn)生的回波。研究揭示了上述“干擾”的物理來(lái)源，使地波雷達(dá)超視距探測(cè)海面狀態(tài)成為可能。1968～1972年，在NOAA工作的D.E.Barrick定量解釋了海面對(duì)無(wú)線電波的一階散射和二階散射的形成機(jī)制，為高頻雷達(dá)探測(cè)海洋表面狀態(tài)建立了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。Barrick創(chuàng)造性地運(yùn)用一組交叉環(huán)/單極子天線（三個(gè)接收通道）即可獲取大面積海流的分布信息。他的緊湊式雷達(dá)天線技術(shù)大大降低了地波雷達(dá)購(gòu)置和安裝成本，直接導(dǎo)致了高頻地波雷達(dá)的規(guī)模化推廣應(yīng)用，為海洋學(xué)家和沿岸防災(zāi)減災(zāi)及環(huán)境保護(hù)提供了新型觀測(cè)手段。

二、工作原理

無(wú)線電波朝海面發(fā)射時(shí)，在海水表面會(huì)存在一種電磁波傳播模式，稱為地波（Ground Wave）是一種表面波（Surface Wave），因此高頻地波雷達(dá)也叫做高頻表面波雷達(dá)（HF Surface Wave Radar）。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(huì)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(shí)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(cè)的高頻地波雷達(dá)也稱為地波超視距雷達(dá)（Over-The-Horizon Radar），探測(cè)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(guò)電離層對(duì)高頻無(wú)線電波的反射實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)千公里外目標(biāo)的探測(cè)，后者可以對(duì)一兩百公里外的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。

地波雷達(dá)海況探測(cè)的基礎(chǔ)類似于晶格對(duì)X射線的Bragg散射，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，如果兩條射線的波長(zhǎng)差為2的整數(shù)倍，那么將會(huì)觀察到亮條紋；如果波長(zhǎng)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(shí)的海面不會(huì)是簡(jiǎn)單正弦波列，但是可以用類似于Fourier變換的方式把一個(gè)真實(shí)的海面分解成為千千萬(wàn)萬(wàn)簡(jiǎn)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(wú)數(shù)列正弦海浪成分是否都對(duì)電磁波產(chǎn)生散射呢？當(dāng)然都會(huì)！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1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(duì)于岸基雷達(dá)探測(cè)，即L = / 2，也就是波長(zhǎng)等于雷達(dá)電波波長(zhǎng)一半的海浪會(huì)對(duì)電波產(chǎn)生最強(qiáng)的后向散射（圖1）。

綜上所述，雖然海面由無(wú)數(shù)的波浪組成，但岸基地波雷達(dá)主要只對(duì)特定的海浪感興趣：

A. 波長(zhǎng)等于電波波長(zhǎng)的一半；

B. 傳播方向要么接近雷達(dá)，要么遠(yuǎn)離雷達(dá)。

海面上滿足上述條件的海浪總是存在，因此雷達(dá)總可以收到較強(qiáng)的海面回波，這也是前面所說(shuō)當(dāng)初人們發(fā)現(xiàn)海面上總是存在雷達(dá)“干擾”的原因！

我們知道運(yùn)動(dòng)的物體可以對(duì)入射波產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，電磁波照射到動(dòng)態(tài)的海面上時(shí)，回波也會(huì)由于多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生相對(duì)于雷達(dá)發(fā)射頻率的偏移。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行譜分析就會(huì)發(fā)現(xiàn)，回波譜峰相對(duì)于雷達(dá)載頻有多普勒頻偏，其特點(diǎn)有二：

1. 同時(shí)存在正、負(fù)頻偏，頻譜圖上的正、負(fù)譜峰稱為左、右Bragg峰；

2. 左、右Bragg峰的頻率偏移量基本相同，且主要只與雷達(dá)工作頻率有關(guān)。

導(dǎo)致這兩個(gè)特點(diǎn)的因素正好與上述產(chǎn)生主要散射的海浪特點(diǎn)相對(duì)應(yīng)：特點(diǎn)1對(duì)應(yīng)上述特征B，特點(diǎn)2對(duì)應(yīng)上述特征A。在理解特點(diǎn)2時(shí)需要明白海洋重力波傳播的一個(gè)基本結(jié)論：海面上確定波長(zhǎng)的重力波，其傳播相速度也是確定的。相速度確定的話，它對(duì)電磁波所產(chǎn)生的多普勒頻移就是確定的了，也就有了上述特點(diǎn)。

上面所說(shuō)的是沒(méi)有海水流動(dòng)的情形。由于各類物理、化學(xué)過(guò)程的作用，海面上總是有海流存在，海流作為海水的整體運(yùn)動(dòng)，會(huì)在上面所說(shuō)的由波浪傳播相速度所導(dǎo)致的較大固定頻移的基礎(chǔ)上再附加一個(gè)由流速所導(dǎo)致的微小頻偏，這個(gè)附加頻偏對(duì)左、右Bragg峰的影響是相同的：遠(yuǎn)離雷達(dá)的流速分量使左、右Bragg峰均向負(fù)頻率方向偏移，接近雷達(dá)的流速分量使它們向正頻率方向偏移。

地波雷達(dá)就是通過(guò)測(cè)量這個(gè)附加頻偏從而獲知海面海流速度的。當(dāng)然一部雷達(dá)只能測(cè)量到海流的徑向分量，要獲得矢量海流，要么用兩部以上的雷達(dá)從不同方向探測(cè)，要么就需要結(jié)合海洋動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行推算。

三、發(fā)展現(xiàn)狀及面臨問(wèn)題

（一）發(fā)展現(xiàn)狀。海洋動(dòng)力學(xué)參數(shù)（海面風(fēng)、浪、流）的探測(cè)是高頻地波雷達(dá)的一種主要用途。高頻地波雷達(dá)可以以十分鐘的時(shí)間分辨率連續(xù)獲取數(shù)萬(wàn)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(cè)手段無(wú)法做到的。目前國(guó)際海洋界已普遍接受高頻地波雷達(dá)能有效探測(cè)流場(chǎng)的觀點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外主要地波雷達(dá)的海流探測(cè)已達(dá)到可用于常規(guī)業(yè)務(wù)化海洋觀測(cè)的水平。而在海浪、風(fēng)場(chǎng)參數(shù)的探測(cè)方面，地波雷達(dá)處于研究開(kāi)發(fā)階段，距離實(shí)際應(yīng)用尚有一定的距離。主要困難在于提取海浪和風(fēng)場(chǎng)參數(shù)所依據(jù)的回波信號(hào)比較弱（比海面的主要散射回波低20～40dB），容易受噪聲和干擾的影響，相應(yīng)的反演理論和技術(shù)也處于研究探索階段。通過(guò)雷達(dá)實(shí)時(shí)選頻系統(tǒng)選擇干凈頻率、應(yīng)用噪聲抑制、多頻率雷達(dá)探測(cè)和抗干擾技術(shù)可以在一定程度上緩解這一問(wèn)題。

（二）抗干擾問(wèn)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(shí)在高頻段中低端，電離層干擾是嚴(yán)重影響雷達(dá)探測(cè)性能的主要干擾。對(duì)于以目標(biāo)探測(cè)為主的高頻地波雷達(dá)，電離層干擾常常會(huì)導(dǎo)致一兩百公里開(kāi)外的目標(biāo)基本無(wú)法探測(cè)。

（三）雷達(dá)結(jié)果的應(yīng)用規(guī)范問(wèn)題。海態(tài)探測(cè)用高頻地波雷達(dá)輸出的是時(shí)間上連續(xù)的大面積流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和浪場(chǎng)的分布，時(shí)間分辨率一般為十分鐘到一個(gè)小時(shí)，所提供的信息在時(shí)間、空間和采樣方式所對(duì)應(yīng)的物理含義上與其它測(cè)量方式（如浮標(biāo)、船測(cè)、航空測(cè)量以及衛(wèi)星遙感等）存在很大的不同。地波雷達(dá)距離制訂明確的應(yīng)用規(guī)范還存在較大距離。

（四）小型陣列條件下的目標(biāo)探測(cè)問(wèn)題。由于小型陣列的方位分辨率低、民用地波雷達(dá)發(fā)射功率低以及前述的噪聲和干擾（包括海洋回波的干擾）等問(wèn)題，對(duì)目標(biāo)尤其是小目標(biāo)和機(jī)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)概率、虛警率、定位和跟蹤精度等方面都存在需要克服的一系列問(wèn)題。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 葉春明，盧雁.高頻地波雷達(dá)發(fā)展動(dòng)向與分析[J].艦船電子工程，2010年01期.

[2] 張雅斌.高頻地波雷達(dá)干擾與海雜波信號(hào)處理研究[D].西安電子科技大學(xué)，2010年.

[3] 時(shí)玉彬，楊子杰，陳澤宗，萬(wàn)顯榮.海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)高頻地波雷達(dá)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電訊技術(shù)，2002年03期.