淺談環(huán)境對(duì)雷達(dá)電波傳播特性的影響

淺談環(huán)境對(duì)雷達(dá)電波傳播特性的影響

引言:人類生活在地球大氣的底層，雷達(dá)設(shè)備也大多處在地面和高層大氣之中。雷達(dá)工作環(huán)境包括地面至外層空間的整個(gè)高層大氣，因此整個(gè)地球大氣所發(fā)生的各種自然現(xiàn)象和物理過(guò)程都直接和間接地影響雷達(dá)的工作性能。我們采用按垂直高度分布區(qū)域的電氣特性及其對(duì)無(wú)線電波傳播的不同影響方法，即把整個(gè)雷達(dá)工作的高層大氣環(huán)境分為地面對(duì)流層，平流層中層，電離層等區(qū)域。我們將分別進(jìn)行雷達(dá)環(huán)境及各區(qū)域特征，不同雷達(dá)環(huán)境對(duì)雷達(dá)電波傳播的影響及雷達(dá)傳播的損耗，電波傳播的折射等方面展開進(jìn)行討論。一：雷達(dá)環(huán)境各區(qū)域特征我們把近地空間的大氣空域分區(qū)為地面對(duì)流層、平流層、電離層和磁層。地面、海面、極地、海交界環(huán)境特征使地球表面不均勻性，電氣特性不均勻性和復(fù)雜的地形地貌等都嚴(yán)重影響雷達(dá)無(wú)線電波傳播；對(duì)流層是最貼近地面的一層大氣，由于地面吸收太陽(yáng)能量，將光能轉(zhuǎn)化為熱能，在從地面向大氣底層傳輸就發(fā)生了強(qiáng)烈的對(duì)流，這是該層大氣的主要特征，對(duì)流層頂層為9000米赤道可達(dá)17000米，這個(gè)區(qū)域大氣折射率嚴(yán)重影響雷達(dá)無(wú)線電波傳播。對(duì)流層頂部到平流層頂部的空間為平流層，這里是大氣中水蒸氣含量很少，塵埃也很少，十分透明，大氣垂直對(duì)流不強(qiáng)，多為平流運(yùn)動(dòng)，而且這種運(yùn)動(dòng)尺度很大。該層的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)以平流層為平臺(tái)的雷達(dá)系統(tǒng)定點(diǎn)穩(wěn)定性影響較大，一般的說(shuō)這一段空間的大氣對(duì)雷達(dá)無(wú)線電波傳播影響不大；中層大氣邊界是由平流層頂?shù)?5000米左右處，此層的大氣物質(zhì)進(jìn)行著強(qiáng)光化反應(yīng)，以中性分子為主，一般的說(shuō)中層對(duì)無(wú)線電波傳播影響不大，但它是甚低頻波導(dǎo)傳播的上邊界，此外該層的風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；電離層是指60到1000km以上的高層大氣在太陽(yáng)輻射的影響下，大氣物質(zhì)發(fā)生電離，這區(qū)域的電離狀態(tài)顯著影響雷達(dá)無(wú)線電波傳播；磁層是指在太陽(yáng)風(fēng)和基本地球磁場(chǎng)相互作用下形成一個(gè)太陽(yáng)風(fēng)被排斥而地球磁場(chǎng)比太陽(yáng)風(fēng)壓迫變成類似彗星頭尾一樣的空穴。在此空穴里地球磁場(chǎng)起著主要控制作用的層區(qū)，正常的磁層對(duì)雷達(dá)無(wú)線電波傳播影響不大，但是太陽(yáng)風(fēng)暴爆發(fā)時(shí)。在擾動(dòng)的太陽(yáng)風(fēng)暴作用下，磁層內(nèi)磁場(chǎng)發(fā)生爆變，形成磁暴，并作用于電離層引發(fā)電離層暴變，此時(shí)雷達(dá)無(wú)線電波傳播會(huì)產(chǎn)生很大的影響。二：不同環(huán)境對(duì)雷達(dá)電波傳播的影響幾乎所有頻段雷達(dá)的電波傳播都受到各種不同環(huán)境的影響，雷達(dá)環(huán)境對(duì)雷達(dá)電波傳播的影響是多方面的。折射效應(yīng)，電波折射效應(yīng)是由于對(duì)流層和電離層大氣折射指數(shù)的空間變化是雷達(dá)信號(hào)在大氣層中傳播速度異于在真空中傳播速度而產(chǎn)生傳播折現(xiàn)的彎曲使得測(cè)量的目標(biāo)俯仰角和距離多普勒頻移等目標(biāo)實(shí)測(cè)參數(shù)不同于目標(biāo)真實(shí)參數(shù)的一種效應(yīng)。折射效應(yīng)對(duì)雷達(dá)性能的影響有兩個(gè)，一是雷達(dá)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)的垂直面作用范圍與自由空間時(shí)有所不同，一般在垂直面內(nèi)向下傾斜；二是使得目標(biāo)位置參數(shù)斜距、仰角、高度、距離、距離差及其變化率產(chǎn)生誤差，降低了檢測(cè)目標(biāo)的信噪比；衰減效應(yīng):電波衰減效應(yīng)是指無(wú)線電波在自由空間或介質(zhì)傳播過(guò)程中能量的減弱效應(yīng)。衰減效應(yīng)對(duì)雷達(dá)的性能影響主要是縮短了雷達(dá)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)的作用距離以及降低了雷達(dá)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)的信噪比；色散效應(yīng):色散效應(yīng)是由于大氣為非理想介質(zhì)，介質(zhì)中折射率與頻率有關(guān)，穿越介質(zhì)的電波信號(hào)傳播時(shí)延是頻率的函數(shù)，特別是寬帶信號(hào)就會(huì)散開，引起嚴(yán)重時(shí)延散布效應(yīng)。色散效應(yīng)又造成雷達(dá)成像分辨率大大下降，跟蹤距離、測(cè)角、測(cè)速誤差大大增加；閃爍效應(yīng):對(duì)流層湍流和電離層不均勻體運(yùn)動(dòng)的變化使無(wú)線電波穿過(guò)大氣層電離層時(shí)產(chǎn)生幅度、相位、極化和到達(dá)角的變化，表現(xiàn)為目標(biāo)信號(hào)電平的快速起伏。閃爍影響雷達(dá)的作用距離和成像精度,嚴(yán)重的電離層閃爍可引起雷達(dá)信號(hào)中斷；雜波:雜波主要是指非目標(biāo)雜散回波，雜波是影響雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別的重要因素；多路徑效應(yīng):多路徑效應(yīng)是指由于地面或電離層的反射電波的直達(dá)波和反射波和多條傳播路徑回波同時(shí)到達(dá)接收點(diǎn)而產(chǎn)生的多路徑傳播干涉衰減效應(yīng)，多路徑可產(chǎn)生信號(hào)交調(diào)誤碼和虛假目標(biāo)；多普勒效應(yīng):目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)接收機(jī)運(yùn)動(dòng)會(huì)引起返回信號(hào)頻率增加或減少的多普勒效應(yīng)，多普勒效應(yīng)可引起雷達(dá)的測(cè)速誤差；去極化效應(yīng):去極化效應(yīng)是指電波通過(guò)介質(zhì)后的極化狀態(tài)與原來(lái)極化狀態(tài)不同的現(xiàn)象，去極化效應(yīng)將直接影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)極化特征的提取和識(shí)別或能量的損耗；干擾與外噪聲:干擾與外噪聲包括大氣無(wú)線電噪聲、晴空大氣氣溫、地球表面輻射噪聲、天體輻射銀河系電噪聲、人為無(wú)線電噪聲和無(wú)線電臺(tái)干擾。它主要降低了雷達(dá)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)的信噪比和縮短了雷達(dá)探測(cè)和跟蹤目標(biāo)的作用距離。三：雷達(dá)干擾與噪聲環(huán)境對(duì)雷達(dá)的影響雷達(dá)噪聲和干擾環(huán)境是十分復(fù)雜多變的，有自然界的噪聲源、人工的噪聲源、還有電臺(tái)的干擾以及蓄意的干擾等。而這些噪聲和干擾是隨著頻率、時(shí)間和空間位置變化的。我們可以對(duì)雷達(dá)干擾以外噪聲包括大氣無(wú)線電噪、晴空大氣氣溫、地球表面輻射噪聲、天體輻射、銀河系電噪聲、人為無(wú)線電噪聲、無(wú)線電臺(tái)干擾等進(jìn)行測(cè)量計(jì)算和估值來(lái)消除此類干擾對(duì)雷達(dá)的影響。四：其他效應(yīng)對(duì)雷達(dá)的影響地面、海面及地海交界環(huán)境的不均勻性和電氣特性不均勻性及地形地貌都嚴(yán)重影響雷達(dá)天線電波傳播。從電磁理論的觀點(diǎn)看，地面和海洋的媒質(zhì)特性也以它們的介電常數(shù)和電導(dǎo)率為特征，他們的磁導(dǎo)率雖然在某些情況下略有差別，但都當(dāng)做單位值來(lái)處理。而對(duì)于環(huán)境的反射，我們可以運(yùn)用方向圖傳播因子來(lái)計(jì)算環(huán)境傳播對(duì)雷達(dá)的影響，它包含了繞射反射、折射與多路徑等各種效應(yīng)和天線方向圖的影響。五：總結(jié)影響雷達(dá)性能指標(biāo)的還不止以上這些，還有地形地貌、工作環(huán)境溫度、濕度、及雷達(dá)自身隨著工作時(shí)間的變化引起自身的工作溫也在發(fā)生變化，這些也會(huì)影響電波的傳輸功率及傳輸路經(jīng)，直接影響到雷達(dá)的探測(cè)距離及測(cè)角的精度。為了減少環(huán)境對(duì)雷達(dá)性能的影響，我們要對(duì)雷達(dá)工作的環(huán)境進(jìn)行測(cè)量及統(tǒng)計(jì)，并在各種環(huán)境下對(duì)雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)校。當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，我們對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，減少其對(duì)雷達(dá)性能的影響，使雷達(dá)總處于最