高频地波雷达总体方案及工程实施中的几个主要问题

第47卷　第5期 武汉大学学报(理学版) V o l.47　No.5 2001年10月 J.W uhan Univ.(Na t.Sci.Ed.) Oc t.2001,513～518

文章编号:0253-9888(2001)05-0513-06

高频地波雷达总体方案及

工程实施中的几个主要问题

杨子杰,吴世才,侯杰昌,文必洋,石振华

(武汉大学电子信息学院,湖北武汉430072)

摘　要:从线性调频中断连续波(FM I CW)基本原理出发,结合雷达方程和相控阵技术,阐述了在O S-M A R2000总体设计和研制过程中遇到的几个主要问题,如雷达探测性能估计、雷达波形设计、雷达参数的选择、相控阵形式、I/Q形成方式、数据采集与Do ppler提取、距离混迭与Do ppler频率混迭、零频干扰等.东海现场实验表明,采用120m八元相控天线阵,“一发八收”、收发共用天线工作模式,平均发射功率100W,可实现200km,120°扇面海流探测和100km风浪探测.

关　键　词:高频地波雷达;线性调频;相控阵;表面波

中图分类号:P715.7 文献标识码:A

0　概　述

地球表面70%以上都是海洋,它是地球上生命的摇篮,是人类赖以生存的重要环境.海洋不仅给人们提供丰富的食物和矿藏,而且也提供了与外界交往的便利通道,更是国家的安全屏障.无论人们出于经济目的还是军事目的,都需要及时而准确地知道海洋现场资料,而这些资料的获取必须依赖于先进的海洋监测设备和技术.国际上近30年来发展起来的高频地波雷达是一种可以连续大面积监测海洋状态的重要设备.代表当今国际先进水平的是美国CO DAR公司的Sea Sonde和加拿大设置在纽芬兰岛的HF-GW R,以及最近公布的SW R-503雷达,前者属轻便型近距离高频地波雷达,探测距离约60km,覆盖范围100km×60km,发射平均功率100W,距离分辨率0.3～3km,采用轻便5m鞭天线作发射天线,接收天线采用单极子/交叉环,雷达控制和数据处理采用普通的PC机,雷达以测海流为主,其测流精度一般为±7.0cm/s,流向精度为±10°,可提供局部波浪信息,Sea Sonde作为商品已售出50多台.HF-GW R系统原形由加拿大北方雷达系统有限公司于1991年在纽芬兰岛的Race角建造,它是纽芬兰纪念大学工程与应用科学学院与冷海洋资源工程中心(C-CORE)的研究人员在经过10年的研究以后,又用了26个月、耗资290万加元建造的.雷达可覆盖120°扇角内,20～400km范围,以探测和跟踪海面低速移动目标为主,也可以提供海况信息.HF-GW R是一个庞大而昂贵的系统,建造在1.5km狭长海岸上,发射天线为架设在高40m 铁塔上的对数周期天线,接收天线为40单元阵长880m的“风筝”形线天线,阵元高7m,间距22m,发射功率16kW,用了10台全数字接收机和12块DSP,配备V AX小型计算机来控制雷达所有功能和数据处理.HF-GW R在海岸警戒、渔业管理、海上交通管制、缉毒、打击走私、冰情探测、国防以及对预测失灵船舶漂浮和监测污染物的扩散都具有极大的应用价值.

本课题组研制的O SM AR2000原型样机从性能和系统复杂程度介于Seasonde和HF-GW R之间,都是采用调频中断连续波(FM ICW)体制的高频地波相干脉冲多普勒雷达.O SM AR2000以监测海

收稿日期:2001-05-10　

基金项目:国家863计划资助项目(863-818-01-02)

作者简介:杨子杰(1943-),男,教授,博士生导师,现从事高频地波雷达海洋环境监测技术的研究.E-mail:ZJ Y43017@

洋表面动力学要素——风、浪、流场为目的,天线阵长120m,采用“一发八收”、收发共用工作模式.发射平均功率100W,海流和风向探测距离200km,波浪和风场探测距离100km,覆盖120°扇面,用了8个接收通道,采用数字波束形成(DBF)可以探测角度分辨率为15°的风场和波浪信息,用多重信号分类法(M U SIC)或MV M空间谱估计算法可得到角度分辨率为 2.5°的流场.距离分辨率最小为 2.5 km.雷达总体结构如图1所示.图中T R表示收发开关,HPA为大功率放大器,PSTN为公用电话网

.

图1　O SM A R2000总体结构示意图

1　雷达探测性能估计

根据以海洋表面为探测目标的雷达方程,远场

条件下,在光滑海面和饱和海浪时

P r=

P t G t G rλ2

(4π)3R3

F4(R)e0ΔθΔR(1)

其中,P r为接收机输入功率,P t为发射功率,G t和

G r分别是发射和接收天线的等效自由空间的增益,

ΔR和Δθ则分别为雷达的距离分辨率和角度分辨

率,λ为雷达工作波长,F(R)是距离的函数,表示垂

直极化表面波在海面上传播时的No rto n衰减因

子,e0为海洋单位面积上的散射截面,在风浪充分

饱和时,即在风吹过一段相当长的距离和吹过一段

相当长的时间后,e0与探测频率和海洋状态无关,

几乎是一个常数,e0≈-29dB.若进一步考虑粗糙

海面情况下,雷达系统损耗,记总的损耗为L,再加

上噪声的影响,从雷达工程师习惯出发,定义雷达输

出信噪比为1时,雷达的最大探测距离为

R max=[

P t G t G rλ2e0ΔθΔRF4(R)

(4c)3K TB F n L

]1/3(2)

其中K为玻尔兹曼常数,B为接收系统带宽,T为

环境温度,F n为雷达接收机噪声系数.

为确定雷达最大探测距离,其关键是确定电波

沿海面传播时的Nor ton衰减因子F(R),海况引起

的附加损耗,外界环境噪声和干扰,以及系统损耗,

海况信息提取时需要的信噪比等.

根据计算机模拟和实测结果,海流提取时需5

～10dB的信噪比,而海浪和海风提取时,则需40～

50dB[1],在O SM AR2000的工作参数条件下,即工

作频率7.5M Hz,发射平均功率100W,ΔR=5km,

Δθ=15°,发射天线增益 2.4dB,接收天线增益8

dB,系统损耗15dB,与文献[1]计算参数相比,发射

功率减少7dB,发射天线增益减少 5.6dB,而ΔR

增加了3dB,其它参数相同,因此总的减少了9.6

dB,计算结果如图2所示[2].从曲线可上知,在7.5

M Hz时,当接收功率为-140dB W时,在光滑海面

时探测最大距离>200km.

在实际工作时,白天干扰较小,海流探测距离最

大达270km,海浪探测约100km,但在傍晚17∶00

～21∶00时,由于电离层D层消失,短波电台尤其

是作业渔船短波通信电台业务繁忙,干扰很大,若不

采取选频措施,将使探测距离大为减少.这是工作

在短波低频端的无线电开放式系统共有的问题.

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