天地波超视距雷达在远洋无人航运中的运用

电子科技大学格拉斯哥学院 2017级颜必行

2000多年前古罗马哲学家西塞罗曾经说过“谁掌握了海洋，谁就掌握了世界”，而在航海技术和全球贸易飞速发展的今天，远洋贸易已然成为沟通国与国经济文化的重要渠道。然而，对于船员来讲，这从来都不是一份低风险的工作。海啸、海盗、长时间的海上生活都对船员的身心健康甚至生命安全造成巨大影响。但是通过人力进行航运也有其优势，在应对船只交汇时，人类的灵活性即可发挥重要作用。如果可以解决相应问题，那么进行无人航运可以大大减轻成本。借鉴汽车领域以GPS为基础的V2V技术，也许通过天地波超视距雷达群可以进行一定程度上的无人远洋航运。

一. 适合远洋无人航运的雷达类型

雷达的工作频率越低，越易受电离层(可反射短波频段的电波)影响；雷达的工作频率越高(波长越短)，越易受气象条件影响。雷达的覆盖范围与工作频率成反比，分辨率和准确度与工作频率成正比(频率越高，波长越短，可探测的最小物体长度越小)。常规微波雷达的探测距离由下式决定： $D=4.12\left(\sqrt{h_1}+\sqrt{h_2} \right )$ D是雷达探测距离，h1是雷达安装高度，h2是目标高度。常规微波雷达发射的无线电波在传播中不仅会被山脉等遮蔽，还会受到地球曲率的限制。一般来说建立直视距离超过几百公里的雷达系统是不切实际的。常规视距雷达对在地球曲率之下的低空目标无法进行早期预警。为克服视距对常规微波雷达的限制，人们发明了短波超视距(Over-The—Horizon，OTH)雷达。与常规微波雷达相比，短波超视距雷达具有探测距离远、监测范围广和反隐身能力等特点。短波超视距雷达具有规模庞大的发射及接收天线阵，发射天线长达几百上千米，接收天线更是长达数千米。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。中／短波频段的无线电波在海水表面的地波传播衰减很小，且在一定程度上会沿着弯曲的地球表面传播(绕射)，弯曲覆盖到达地平线以下很远的地方，实现超视距传播。

二. 对雷达进行综合运用加以改进

利用地波的超视距传播特性进行探测的地波雷达也称为超视距地波(Over—The—Horizon Surface Wave，OTH-SW)雷达。OTH-SW雷达通常使用4MHz～20MHz频段，采用垂直极化天线，能探测到海平面视线以下出现的舰船、飞机、冰山和导弹等运动目标，其探测距离根据发射功率和频率的不同可达到200 km～500km。OTH—SW雷达作为一种新兴的海洋监测技术，其超视距、大范围、全天候以及低成本等优点，可以十分钟的时间分辨率连续获取数万平方公里海面的海洋状态参数分布，这是任何其他探测手段无法做到的。超视距天波雷达也称为OTH-B(Over—The—Horizon Backscattering)雷达。天波雷达是将无线电波斜向投射到电离层，电波通过电离层折射到海面，有一部分电波将沿原来的路径再次经电离层折射到发射点，被雷达接收机接收，可以实现对８００～３５００ｋｍ的探测。虽然天波雷达具有探测距离远的特点，但由于经过两次电子浓度不均匀的电离层，探测精度比较差。

单纯利用天波或地波雷达都有其弊端，随着地波、天波雷达技术发展日益成熟，基于天波反射／地波绕射传播模式的天地波高频雷达系统以其独特的优点受到人们的重视。天地波超视距雷达通过天波发射模式将高频段电磁波斜入射到电离层，经电离层反射后到达海面，再经海面以表面波形式绕射传播到接收点，实现自上而下地照射探测区域，实现超远程探测。与传统地波雷达相比，天地波雷达只经历单程电波绕射传播衰减，因此探测距离比地波雷达远，覆盖范围更广，适合更大范围海域的监视监测。相比于天波雷达，天地波雷达经过单次电离层反射，电波传播受电离层等影响较小，信号相参性强于天波雷达，可增加目标的相参积累时间，进而提高对低速目标的发现概率。另外，地波接收机距离探测目标距离近，接收的回波强，探测可靠性比天波雷达高。因此，天地波雷达既具有天波雷达覆盖面积大、探测距离远的特点，又具有地波雷达对舰船目标发现概率高的特点。此外，天地波雷达属于双基地雷达，天波发射站一般部署在内陆腹地，地波接收设备属无源接收，具有天然反辐射的抵干扰能力，提高了雷达的生存能力。而且，配合天地波雷达的天波发射系统，可配合岸基接收阵或者舰载平台的地波接收，具有很大的灵活性，实现多基地的高频超视距雷达探测信息网，进一步改善超视距雷达探测的性能。

三. 结论

由此可知，使用天地波雷达，可以对海洋水文情况以及来往船只进行及时的勘察反馈而不需要船员进行侦查或于每艘船只均配备相关雷达系统。加之可以利用天地波雷达侦测范围远的特点，在气象卫星的辅助下，提前规划好特定航域的船只通行方案，即可大大减轻人工工作压力，只需对于雷达所反馈的情况，进行远程操作，又由于海上行船速度较慢，只要及时反馈，规避风险的时间还是比较充裕的。使用天地波雷达群可以推动远洋无人航运的发展，这也需要各国统一部署加强合作，在区域性经济合作组织开展海洋贸易（如海上丝绸之路）的过程中，可发挥重大作用。

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