高频地波雷达

高频地波雷达简介

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一、概述

高频地波雷达(HF Surface Wave Radar，简称HFSWR)作为一种新兴的海洋监测技术，具有超视距、大范围、全天候以及低成本等优点，被认为是一种能实现对各国专属经济区(EEZ)监测进行有效监测的高科技手段。各临海发达国家均进行了研发投入，并实施了多年的对比验证和应用示范。

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，采用垂直极化天线(所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度方向。当电场强度方向垂直于地面时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电波就称为水平极化波。)辐射电波，能超视距探测海平面视线以下出现的舰船、飞机、冰山和导弹等运动目标，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，实现对海洋环境大范围、高精度和全天候的实时监测。

高频地波超视距雷达的工作原理（R1为视距，R2为雷达作用距离）

在军事应用领域，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）抗反辐射导弹，等等。

在海洋环境监测领域，地波超视距雷达具有覆盖范围大、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应用前景。

高频地波雷达应用示意图

由于其独特的性能优势及应用前景，许多临海发达国家竞相研制、购置和部署地波超视距雷达，以抵御现代战争的威胁并满足海洋开发与研究的需要。美国、俄罗斯、英国、加拿大、德国、法国、澳大利亚、日本和新加坡等都研制过或正在发展高频地波超视距雷达，其中典型代表有加拿大的SWR-503系统、美国的Seasonde系统和德国的WERA系统等。

美国CODAR公司生产的著名SeaSonde地波雷达（交叉环／单极子是其典型特征）

德国汉堡大学研制的WERA地波雷达系统

美国雷声公司为加拿大生产的SWR－503系统

武汉大学研制的中程高频地波雷达系统OSMAR

二、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。随后二极管、三极管、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准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。

500米阵长的海洋探测用高频雷达（图片来自CODAR公司培训资料）

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年代末研制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、空间分辨率和时间分辨率上还是不能跟“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么说都是无与伦比的，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应用，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。