天波超视距雷达(OTH)基本概念 留言

基本概念

天波超视距(Over the horizon,OTH)雷达系统发射信号经电离层反射后，照射地面或近地面目标，目标二次散射回波经由电离层反射后，被雷达系统接收并实现目标的检测。技术上，这类雷达系统应该属于天波超视距后向散射(OTH-B)雷达系统。

20世纪，高频通信利用电离层的折射效应获得了惊人的作用距离。Ham广播话务员利用他们低功率的设备将声音传播到了全世界。最早使用的雷达系统也工作在高频(HF)波段，这在当时被认为是一个缺点。

发射信号经由电离层反射并检测相同路径的后向散射回波的想法，直到20世纪60年代相干处理实现后才变得可能，接下来的20年里，进展虽缓慢，但仍然稳步推进，而数字信号处理的出现，则使相干积累时间不再受到限制。

美国利用天波超视距后向散射(OTH-B)雷达系统，实现对数百之外的空袭行动进行预警，同时还可用于探测毒品走私飞机。下面将从天波超视距雷达的天线、波形及硬件方面来讨论如何将微波频段的雷达系统基本原理应用于低2~3个数量级的频段。

天线

由于天波超视距雷达系统采用的是HF频段为6~30MHz，在该频段的高端1°波束宽度要求510米的天线孔径，而当频率采用6MHz时，天线尺寸将达到2550米。

天线采用相控阵，方位上必须采用窄波束，俯仰上则可以采用宽波束。当采用30MHz的工作频率时，高25.5米的天线，提供20°的俯仰波束。

OTH-B雷达波束，要求以相对于水平面极低的角度发射的要求，对于微波频率不成问题，但对于HF频率，则需要花费高昂代价在天线前方建造导电地网。电离层的电子密度及可用工作频段决定了雷达的探测范围。跳跃距离更能从数百千米向外直至2900千米左右，由天线波束角度、折射电离层高度以及点球曲率决定其范围。

天线波束不可能像4π立体角辐射，因此雷达波束如同一个无限长、稍弯曲的平行平面波导，当出现单程信号，使其衰减小于距离平方的倒数，当不出现时衰减为无穷大。

波形

尽管天线尺寸巨大，但其增益和效率相对较低(响应需覆盖多个倍频程的带宽范围)，而电波从电离层折射或反射的过程是有损的，同时又要求具有相当远的作用距离，因此需要大量高平均功率进行合成，这意味着系统需要具有高占空比，事实上要求100%的占空比，同时由波形调制，实现某种隔离，并使接收机与发射机分置于不同的位置。

当具备足够的监视和预警功能，一个好的OTH-B雷达系统，需要提供较好的距离、多普勒信息。由于系统的最小作用距离也有数百千米，
因此长脉冲是可选波形。综合以上因素，长持续时间的脉压波形成为系统的最佳选择。

由于电离层的反射将改变信号的频率，因此物理实现上信号带宽只能达到百分之几，尽管采用某些编码规则，也可达到相同的性能，但调频连续波信号(FMCW)是最为常用的解决方案。

OTH-B雷达的工作机理使得其从上到下照射地面杂波，这些杂波对接收机设计来说是一个重要因素，接收机噪声系数和接收天线增益变得不再那么关键，为获得高多普勒分辨率，OTH-B雷达采用相当长的相干处理时间，而电离层和目标特性将对相关处理时间产生限制。雷达采用了现代数字信号处理技术。

目标在高频频段的雷达散射截面积在数米量级，且不存在影响统计检测的分裂、闪烁或其他起伏因素。虽然大型运输机处于谐振区，但其RCS足以实现对其的检测，小型私人飞机或小型导弹处于锐利区，其RCS取决于波长的四次方。

由于晚间电离层密度降低，需要采用更低的频率，从而更多目标落入瑞利区更难以检测。由于采用的绝对带宽窄、天线波束宽，OTH-B雷达的抗干扰性能较弱，尽管其采用了极窄带处理。但如果干扰机不在雷达的近区，则必须找到相对于跳跃距离的准确的点，否则将失效，另外OTH-B雷达还能通过正确选择频率，使波束快速捷变至其他方向。

硬件

多年来围绕全球高频通信技术的发展，使得天线、高功率、高占空比、可调谐发射机以及自适应接收机等技术水平都在不断进步，并且可直接应用于天波超视距雷达。

在高频段数百千瓦平均功率的发射机已成为可能，同时市场上用于跟踪电离层实时变化情况的伴随式电离层探测仪，可为发射机改变频率提供信息。FMCW波形产生器和数字信号处理技术也都是成熟的系统控制和管理设备，可从微波雷达领域直接获得。

原文始发于微信公众号（雷达通信电子战）