高频地波雷达

概述

高频地波雷达利用短波（3～30MHz）在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点，採用垂直极化天线辐射电波，能超视距探测海平面视线以下出现的舰船、飞机、冰山和飞弹等运动目标，作用距离可达300km以上。同时，高频地波雷达利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机制，可以从雷达回波中提取风场、浪场、流场等海况信息，实现对海洋环境大範围、高精度和全天候的实时监测。

在军事套用领域，地波超视距雷达的工作波长和电波传播特性决定其具有独特的性能优势（相对于微波雷达而言）：（1）作用距离远（300～400km）；（2）极强的反隐身能力；（3）抗低空突防；（4）抗反辐射飞弹在海洋环境监测领域，地波超视距雷达具有覆盖範围大、全天候、实时性好、功能多、性价比高等特点，在气象预报、防灾减灾、航运、渔业、污染监测、资源开发、海上救援、海洋工程、海洋科学研究等方面有广泛的套用前景。

发展历史

雷达的前身是电离层测高仪。上个世纪初为了解释Maconi成功实现跨越大西洋的无线电通信，Kennelly和Heaviside提出在地球大气层中存在一个导电层——1902年Kennelly猜测无线电波在大约80 km的高空经一传导层反射，同年“聪明、愤世嫉俗、自学成才的数学家和工程师”Oliver Heaviside在为大不列颠百科全书撰写的一篇文章中也独立提出类似的思想。现在我们当然知道那就是电离层，当时科学家和工程师把那叫做“Kennelly-Heaviside层”，但那个层是否存在还众说纷纭。随后二极体、三极体、正反馈和超外差接收机等等无线电技术如雨后春笋般地出现，为电离层存在性的验证準备了必要的技术条件。到1925年Breit和Tuve设计出一个无线电脉冲发射及接收装置，通过向上空发射无线电脉冲并接收到反射回来的脉冲(Echoes)，验证了电离层的存在，同时可通过收发脉冲之间的时间间隔计算电离层的高度。这个装置就是电离层测高仪。

个人认为Breit和Tuve发明的电离层测高仪其实就是雷达，也就是说雷达是在1925年就被发明了，而不是如同现在流传的是二战前几年由英国人发明的。只不过Breit和Tuve的工作不够“军事”、不够“传奇”、不能体现雷达这个字眼的神秘性罢了。上世纪四、五十年代人们发现在海岸担任探测和警戒任务的雷达总是受到来自海面不明原因的“干扰”。1955年，Crombie关注这一现象，进行实验研究，发现“数十米波长的电磁波与海洋表面的相互作用，将产生Bragg绕射现象”。原来那些干扰是波长等于无线电波波长一半、传播方向平行于（接近或远离）雷达发射波束方向的海浪与无线电波“谐振”散射所产生的回波。Crombie的研究揭示了上述“干扰”的物理来源，同时使地波雷达超视距探测海面状态成为可能。冷战期间美、苏部署了为数不少的超视距雷达用于探测对方的军事动态，客观上也为科学家研究无线电波与海洋粗糙面相互作用提供了很好的实验条件。1968～1972年，在NOAA工作的D.E.Barrick定量解释了海面对无线电波的一阶散射和二阶散射的形成机制，为高频雷达探测海洋表面状态建立了坚实的理论基础。Barrick和美国国家海洋大气局（NOAA）电波传播实验室（EPL）经过十多年理论和实验研究，于1970年代末研製成功用于探测海洋表面状态的CODAR(Coastal Ocean Dynamics Application Radar)系统，并于1983年成立CODAR公司，实现了高频地波雷达的商品化。与军用高频超视距雷达动辄数公里长的天线阵不同，Barrick创造性地运用一组交叉环/单极子天线（三个接收通道）即可获取大面积海流的分布信息。这一技术的确是非常天才式的发明，他的该项成果获得1979年美国商务部的金质奖章。在他的论文中声称这种基本不占地的接收天线的海流探测性能“等同于数百米阵列接收天线的性能”。当然这种“等同”只是在某种意义上的近似等同，从探测理论和信号处理的角度看，在探测精度、空间解析度和时间解析度上还是不能跟“数百米阵列天线”的性能相提并论，而且不能提供大面积风场和浪场的探测信息。但是Barrick对高频雷达海洋探测的贡献无论怎幺说都是无与伦比的，他的理论奠定了高频雷达海洋探测的基础，他的紧凑式雷达天线技术大大降低了地波雷达购置和安装成本，直接导致了高频地波雷达的规模化推广套用，为海洋学家和沿岸防灾减灾及环境保护提供了新型观测手段。

工作原理

无线电波朝海面发射时，在海水表面会存在一种电磁波传播模式，称为地波(Ground Wave)是一种表面波(Surface Wave)，因此高频地波雷达也叫做高频表面波雷达(HF Surface Wave Radar)。在中波和短波段海水表面的地波传播衰减很小，而且地波在一定程度上会沿着弯曲的地球表面传播，到达地平线以下很远的地方，即实现超视距传播。因此利用地波超视距传播特性进行探测的高频地波雷达也称为地波超视距雷达(Over-The-Horizon Radar)，探测距离根据发射功率和频率的不同通常可达到200～500km。另外两种类型的超视距雷达分别是天波超视距雷达和利用大气波导特徵的微波雷达，前者通过电离层对高频无线电波的反射实现对数千公里外目标的探测，后者可以对一两百公里外的目标进行探测。地波雷达海况探测的基础类似于晶格对X射线的Bragg散射，如图1所示，从左上方入射的两条射线（相同波源）被原子散射，在特定的观察方向上，如果两条射线的波程差为2的整数倍，那幺将会观察到亮条纹；如果波程差比2的整数倍多，那幺两射线能量相消，观察到的是暗条纹。

真实的海面不会是简单正弦波列，但是可以用类似于Fourier变换的方式把一个真实的海面分解成为千千万万简单正弦波列成分的叠加，这些正弦波列有不同幅度、周期、初相和传播方向。那幺这无数列正弦海浪成分是否都对电磁波产生散射呢？当然都会！但是并非所有的成分都产生相同的贡献，贡献最大的海浪成分还是图2所示的那类正弦波列，即满足 ,并且波矢量方向位于电磁波入射平面内的正弦海浪。对于岸基雷达探测， = 0?，即L = / 2，也就是波长等于雷达电波波长一半的海浪会对电波产生最强的后向散射（图2）。综上所述，虽然海面由无数的波浪组成，但岸基地波雷达主要只对特定的海浪感兴趣：

A. 波长等于电波波长的一半；B. 传播方向要幺接近雷达，要幺远离雷达。海面上满足上述条件的海浪总是存在，因此雷达总可以收到较强的海面回波，这也是前面所说当初人们发现海面上总是存在雷达“干扰”的原因！我们知道运动的物体可以对入射波产生都卜勒效应，电磁波照射到动态的海面上时，回波也会由于都卜勒效应而产生相对于雷达发射频率的偏移。对回波信号进行谱分析就会发现，回波谱峰相对于雷达载频有都卜勒频偏，如图5所示，其特点有二：1. 同时存在正、负频偏，频谱图上的正、负谱峰称为左、右Bragg峰；2. 左、右Bragg峰的频率偏移量基本相同，且主要只与雷达工作频率有关。导致这两个特点的因素正好与上述产生主要散射的海浪特点相对应：特点1对应上述特徵B，特点2对应上述特徵A。在理解特点2时需要明白海洋重力波传播的一个基本结论：海面上确定波长的重力波，其传播相速度也是确定的。相速度确定的话，它对电磁波所产生的都卜勒频移就是确定的了，也就有了上述特点。上面所说的是没有海水流动的情形。由于各类物理、化学过程的作用，海面上总是有海流存在，海流作为海水的整体运动，会在上面所说的由波浪传播相速度所导致的较大固定频移的基础上再附加一个由流速所导致的微小频偏，这个附加频偏对左、右Bragg峰的影响是相同的：远离雷达的流速分量使左、右Bragg峰均向负频率方向偏移，接近雷达的流速分量使它们向正频率方向偏移。地波雷达就是通过测量这个附加频偏从而获知海面海流速度的。当然一部雷达只能测量到海流的径向分量，要获得矢量海流，要幺用两部以上的雷达从不同方向探测，要幺就需要结合海洋动力学模型进行推算。

发展现状

目标探测用高频地波雷达目标探测是高频地波雷达的主要功能之一，在军用领域高频地波雷达沿着纯军事化的思路以远距离目标预警能力为主要目标，其典型代表是英国的“监督员”系统、俄罗斯的“向日葵”系统和加拿大的SWR-503系统等。特点是宽频带、大发射功率（达数百千瓦）、大接收天线阵（阵长数百米到数公里），单部雷达就具有较强的目标探测能力。该类设备的缺点是系统过于複杂，研製成本高昂，机动性和隐蔽性差，需要较强的保障条件，难以大规模推广部署。民用领域高频地波雷达的目标检测功能目前处于研究试验阶段。民用高频地波雷达发射功率低，一般为几十瓦到百瓦级。天线阵列小，阵长一般小于一百米。目标探测距离和方位解析度目前还无法与军用高频地波雷达相比，目标检测机率和虚警率不能满足实际套用的需求，但随着高解析度空间谱估计技术的发展，以及抗电离层干扰技术的创新，民用高频地波雷达对于200km以内海面目标的探测与跟蹤具有很好的发展前景。海洋环境监测用高频地波雷达海洋动力学参数（海面风、浪、流）的探测是高频地波雷达的另一种主要用途。高频地波雷达可以以十分钟的时间解析度连续获取数万平方公里海面的海洋状态参数分布，这是任何其它探测手段无法做到的。目前国际海洋界已普遍接受高频地波雷达能有效探测流场的观点，国内外主要地波雷达的海流探测已达到可用于常规业务化海洋观测的水平。另一方面，在海浪、风场参数的探测方面，地波雷达处于研究开发阶段，距离实际套用尚有一定的距离。主要困难在于提取海浪和风场参数所依据的回波信号比较弱（比海面的主要散射回波低20～40dB），容易受噪声和干扰的影响，相应的反演理论和技术也处于研究探索阶段。国内地波雷达测风、浪技术在2008年取得突破。
民用高频地波雷达主要有两种天线阵列体制：小阵列式和紧凑携带型。前者阵长几十米到数百米，如德国的WERA、英国的OSCR和我国的OSMAR阵列式系统，后者如美国的SeaSonde。两者都可以实现海流的探测，紧凑携带型最大的优点是对阵地的要求低，安装适应性强。阵列式雷达探测精度具有优势，这是由基本的天线探测理论所决定的。从现有的设备上看，阵列式地波雷达才能提供大面积风、浪结果分布，而紧凑式天线系统（如SeaSonde）可提供雷达站周围2公里以内的风、浪信息（整个区域作为一个单点处理），但尚不能提供大面积风、浪参数的分布信息。国内高频地波雷达已取得的成就国内海况探测用高频地波雷达在国家自然科学基金、八六三计画和其它相关科技计画的支持下迅速发展起来，哈尔滨工业大学、华东师範大学、武汉大学、西安电子科技大学和湖北中南鹏力海洋探测系统工程有限公司都做出了很好的研究开发工作。在该领域形成了基本完整的自有智慧财产权体系。目前国内地波雷达已取得以下主要成就：(1)最早由哈尔滨工业大学于1980年代初开始开展高频地波雷达的研製工作，并且在哈尔滨工业大学威海校区建设有高频地波雷达站用于测试实验，在雷达系统、目标探测、抗干扰、雷达天线测试、雷达系统数位化改造等方面进行了长期的工作积累，取得大量经验和成果。(2)海态探测用高频地波雷达于八十年代末开始研製，武汉大学在1993年完成高频地波雷达OSMAR的样机并在广西北海进行了海流探测试验，取得成功，华东师範大学在九十年代末研製成一套地波雷达样机，并进行了海浪和流场的探测试验。(3)2001年以来，西安电子科技大学也开展了综合脉冲孔径体制高频地波超视距雷达的研究，已建立了实验站，开展相关的试验研究。(4)在“九五”、“十五”国家八六三计画的支持下，海洋动力学参数探测用地波雷达在十多年来得到迅速发展，从实验室样机到工程样机直到产品化进程发展很快，到目前已开发出成熟的OSMAR系列高频地波雷达产品，在可靠性方面不低于国外产品，在环境适应性的某些方面优于国外产品。(5)分别于2000年10月、2004年4月、2005年8月、2007年8月和2008年8月在东海等地组织进行了对高频地波雷达海洋动力学参数探测能力的五次海上现场对比验证试验，全面验证了国产高频地波雷达流场探测性能，其中2008年8月在福建示範区进行的比测试验证明国产高频地波雷达具备常规业务化运行能力。(6)国内已开发出全数位化高频地波雷达系统，从硬体系统的指标和先进性程度来看已居国际海洋探测用地波雷达领域领先水平。(7)“十一五”国家八六三计画支持的多频率高频地波雷达已研製工程样机，进行了一次海上比测试验。(8)近期一系列结果表明，国产地波雷达（如OSMAR071）在风、浪探测方面已取得明显突破。与海上定点浮标长达半年的波高比测结果表明两种测量结果时间序列的相关係数接近0.7，均方根误差优于0.4m.(9)採用紧凑式天线的携带型高频地波雷达OSMAR-S研製成功，已投入到实际运行观测之中，填补了国内空白。(10) 已经开始了地波雷达海流流场数据的海洋套用工作，如国家海洋局第三研究所利用福建示範区OSMAR雷达05-07年的流场结果数据，发现台湾海峡西南部海域表层海流主要由季风导致的顺岸流季节波动和常年存在的、流速约10cm/s的东北向背景流所共同组成。厦门大学近海海洋环境国家重点实验室利用雷达流场结果数据，研究了高流速条件下沙波拖曳係数变化规律，有关沙波减阻和拖曳係数的季节变化现象引起了国际同行的关注。

面临的问题

抗干扰问题地波雷达工作在短波段，而短波段是高频通信、广播和各类大气、天电噪声等比较集中的频段，同时在高频段中低端，电离层干扰是严重影响雷达探测性能的主要干扰。对于以目标探测为主的高频地波雷达，电离层干扰常常会导致一两百公里开外的目标基本无法探测。目前国内外已开展了大量关于抗电离层干扰的研究，由于电离层形态及其变化的複杂性，尚无有效的能适应各种情况的抗电离层干扰技术。更精确的风、浪参数反演理论和技术虽然国内在地波雷达风、浪探测方面已取得突破，但距离业务化运行的套用要求还有一定的距离。如前所述，地波雷达风、浪反演的主要困难在于提取海浪和风场参数所依据的回波信号容易受噪声和干扰的影响。通过雷达实时选频系统选择乾净频率、套用噪声抑制和抗干扰技术可以在一定程度上缓解这一问题。採用多频率雷达探测也是解决该问题的一种手段。雷达结果的套用规範问题海态探测用高频地波雷达输出的是时间上连续的大面积流场、风场和浪场的分布，时间解析度一般为十分钟到一个小时，所提供的信息在时间、空间和採样方式所对应的物理含义上与其它测量方式（如浮标、船测、航空测量以及卫星遥感等）存在很大的不同。目前其它测量手段的数据经过多年的套用，都有明确的使用规範和套用标準，而地波雷达这一方面的工作还处于研究探索之中，国内外海洋学家在地波雷达数据质量控制以及将雷达数据与海洋动力学模型进行同化方面已积累了一定的经验，但距离制订明确的套用规範还存在较大距离。小型阵列条件下的目标探测问题即使在民用领域，地波雷达的目标探测也是一个很值得关注的方向，它对于近岸和港口航运管理、海上遇险施救等都有潜在的套用价值。由于小型阵列的方位解析度低、民用地波雷达发射功率低以及前述的噪声和干扰（包括海洋回波的干扰）等问题，对目标尤其是小目标和机动目标的检测机率、虚警率、定位和跟蹤精度等方面都存在需要克服的一系列问题。