天波/地波集成探测技术时间可用度分析

2013-04-23杨龙泉凡俊梅焦培南曹红艳

电波科学学报 2013年5期

杨龙泉凡俊梅焦培南曹红艳

(中国电波传播研究所电波环境特性及模化技术国家重点实验室，山东青岛 266107)

引言

天波/地波集成探测系统是一种新的探测技术，收发分址两地，基于天波反射/地波绕射组合传播模式，实现对海面、目标的超视距探测[1]. 其传播信道是一种新的组合传播模式，主要是时变的电离层反射传播信道和不同盐份不同粗糙度的海面绕射传播信道，其中，电离层是不均匀、各向异性、色散随机介质，地波传播信道随频率、极化、海面状态而变化. 显然这种组合传播信道是非线性时变传播信道.

文献[2-4]描述了与时间有关的短波雷达的三个“可用度”为：使用可用度、工作信道可用度、系统时间可用度. 其中，使用可用度与平均无故障时间、开机时间和平均停机时间有关. 系统时间可用度和工作信道可用度是另外两个不同的时间概率概念. 工作信道可用度仅取决于自然环境条件，而系统时间可用度则与系统设备能力、目标散射特性、自然环境条件、工作波长等有关，能更全面描述系统在时间上的可用程度. 系统时间可用度是指在指定的探测距离上，达到给定目标信噪比的时间与总工作时间之比，是一个时间百分数. 考察总工作周期一般是对整个太阳黑子活动周期11年而言的.

本文对天波/地波集成探测系统时间可用度的影响因素(如电离层、地波绕射传播、环境噪声等自然条件因子，以及设备能力等人为设计因子)进行了分析，并给出了估算方法. 利用雷达方程，并考虑工作信道可用度，对典型设备能力条件、不同目标散射截面(Radar Cross-Section，RCS)下的系统时间可用度进行了计算，分析了系统探测能量、目标RCS对系统时间可用度的影响.

图1 天波反射/地波绕射组合传播模式

1 工作信道可用度

组合传播工作信道由电离层传播信道、海面地波绕射传播信道组成. 海面绕射传播信道虽受频率、极化、海面状态影响大，但在时间上相对稳定. 电离层是一种随机、色散、不均匀和各向异性的媒质，传播特性非常复杂.

1.1 电离层不规则现象影响

从宏观上看，电离层存在正规的和非正规的变化状态. 正规的变化包括：F层和E层的昼夜、季节、太阳黑子周期变化、日出日落效应、中纬槽等. 通过系统设计、工作参数的自适应管理可以克服这些变化的影响. 非正规的不稳定现象包括：突然电离层骚扰、电离层暴、极光、流星余迹、偶发E层(Es)等，它们对雷达正常工作有直接影响. 有些现象可能使得工作信道中断；有些虽不能导致探测系统完全失效，但会降低检测性能.

1) 突然电离层骚扰，发生在日照面电离层的D层. 太阳爆发8 min后，高频电波通过该区域时被强烈吸收，导致传播通道受阻或完全中断几分钟到几小时，致使系统完全失效，事件多发生在太阳活动高年.

2) 磁暴和电离层暴，发生在F层，电离层电子浓度重新分布，致使一定频率的通道中断.

3) 极冠吸收和极光带吸收，仅是高纬地区才有. 它可使通过极区传播的通道中断数小时甚至几天. 另外，极光对HF电波有强烈散射作用，引起频谱展宽. 从而导致杂波频谱完全淹没目标回波频谱.

4) 扩展F层，F层不均匀结构在所有纬度都可见，但以近赤道地区为多.

5) 流星余迹，它会造成一定范围内出现一个比大气无线电噪声大10 dB的背景噪声，使系统能见度降低.

6) 临频foF的限制，由电离层传播理论可知，当foF<2.5 MHz，即使采用较低的工作频率，也很难覆盖800～1 500 km，foF>10 MHz时，即使使用较高的频率，也很难覆盖远距离(3 000 km以上).

7) Es层全遮蔽和半遮蔽，当出现高密度的Es层时，电波能量全部在此高度反射而无法用F层传播，这样处在2 000 km外的地波接收站将无法工作. Es浓度不高，部分电波在Es反射，部分透过Es在F层反射，造成能量的分散.

上述电离层不稳定事件出现具有随机性，影响又很严重，不受人为控制；不与系统设备有关，不能人为克服. 因此，电离层不稳定事件控制系统的不可用度是最小不可用度.

1.2 电离层信道可用度

焦培南[2]曾分析了中纬度地区的工作信道可用度，本文将利用该统计结果来分析天地波体制探测技术的系统时间可用度.

表1给出了根据我国中纬地区电离层观测站长期观测资料统计的对系统有决定性影响的电离层不稳定现象和事件的出现率. 表2给出了系统最小不可用度与距离的关系.

表1 对系统有决定性影响的电离层不稳定现象和事件的出现率

表2 中纬地区系统最小不可用度

2 系统时间可用度估算方法

2.1 雷达方程分析

天波发射-地波接收模式雷达方程，是分析系统时间可用度的基本计算依据. 方程如下

(1)

式中：RSN为信噪比；Pav为平均发射功率；Gt为发射天线增益系数；Gr为接收天线阵方向性系数；λ为工作波长；σ为目标散射截面；Ta为相干积累时间；P为天波反射路径；R为地波绕射路径； k为波尔兹曼常数；Fa为大气噪声因子；T0为环境温度；Ls为系统损耗因子；Lw为地波传播损耗因子；La为电离层损耗因子(主要包括吸收损耗、极化损耗).

除(4π)3,kT0为常数外，可以将式(1)分为自然条件因子和人为设计参数因子两部分，其中自然条件因子有λ2，σ，P2，R2，Fa,Lw,La它们是空间、时间、频率的函数；人为设计参数因子为Pav,Gt,Gr,Ta,Ls，RSN,它们也是空间、时间、频率的函数. 雷达方程的自然条件因子随距离、频率、时间和空间而变化，系统时间可用度计算中特别要考虑电离层损耗因子La、噪声kT0·Fa的空间、时间变化特性及其影响.

2.2 数据计算的设计

系统时间可用度计算最全面的统计是对11年进行的，统计分析的数据量大. 为降低运算量，考虑可靠且能说明问题的较少数据，作如下简化设计.

1) 发射站至接收站间距离取1 000 km、1 500 km、2 000 km、2 500 km四种情况.

2) 探测距离以距地波接收站的实际距离表示，距离范围为20～500 km，每20 km取一组数据.

3) 时间因子

太阳黑子数为10～150，典型数据取20(低年)、70(中年)、120(高年)三种；月份为1～12月，典型月份为1、4、7、10月；日夜小时数为00～23，每小时取一组数据.

4) 工作频率范围：5～20 MHz.

5) 电离层损耗因子

电离层吸收衰减损耗随工作频率f的平方成反比变化，频率越低电离层吸收越大，频率越高吸收越小；与天顶角χ的余弦成正比，夜间电离层的吸收很小，白天大，夏季相比春季、秋季、冬季电离层吸收要大，冬季电离层吸收最小；另外，吸收损耗还与太阳黑子数成正比变化；吸收损耗与电离层入射角有关. 电离层吸收损耗的计算方法采用国际电信联合会推荐方法[5]. 计算过程中，电离层法拉第旋转效应引起的极化损耗取3 dB.

6) 环境噪声因子

大气噪声[6]的一个基本特点是非平稳性. 它是一个随时间和地点而发生变化的随机过程，它计入不同频率、不同季节、不同时间和不同地点的大气无线电噪声特性. 其一般规律是：随频率升高而降低；在一年中，夏季高、冬季低；在一天中，晚上高、白天低；大气噪声随纬度升高而降低，地球赤道附近大气噪声最高.

7) 海面绕射传播衰减损耗

垂直极化的电磁波可以沿海面进行绕射传播，传播损耗衰减与选择的工作频率、海面电参数、天线、目标高度有关. 其光滑海面的地波传播损耗大小与距离成近似正比关系，传播状态相对稳定.

利用CCIR地波传播计算机程序GRWAVE计算天线与目标贴近地面和天线与目标在不同高度情况的衰减；附加衰减由《雷达电波折射与衰减手册》[7]图表获得. 计算过程中，海面的衰减损耗考虑中等盐分海水五级海态附加传播损耗.

3.3 系统时间可用度估算

时间可用度计算可分成固定目标RCS值和固定系统探测能量(Pav·Gt·Gr·Ta)值两种情况时探测距离与时间百分数的关系图表.

1) 固定目标的RCS值，以系统探测能量(Pav·Gt·Gr·Ta)为参量的探测距离与时间百分数关系图.

假设RSN=14 dB，Ls=12 dB. 飞机探测时，目标的RCS为10 dBm2，飞行高度取1 000 m，环境噪声以中纬度乡村级大气噪声为背景噪声，系统探测能量取110 dBJ、100 dBJ、90 dBJ、80 dBJ(如表3所示). 船舶探测时，目标的RCS为30 dBm2，船舶慢速目标以二阶或高阶连续海杂波谱为背景(一般二阶海杂波的幅度略高于噪声电平)，系统探测能量取116 dBJ、106 dBJ、96 dBJ、86 dBJ(如表3所示).

在11年周期的黑子数变化范围内，对所有季节和昼夜时间、4种收发距离情况下，利用雷达方程式(1)，求解探测距离R，统计探测距离的累积时间分布，并考虑电离层信道最小不可用度，则可得到指定探测能量Pav·Gt·Gr·Ta下时间可用度与作用距离的关系.

2) 固定系统探测能量，Pav·Gt·Gr·Ta以目标RCS为参量的探测距离与时间百分数关系图.

假定探测能量为100 dBJ，改变飞机的RCS值为20 dB、15 dB、10 dB、5 dB、0 dB等五种情况，飞机飞行高度为1 000 m. 计算方法与上面类似.

表3 探测能量(Pav ·Gt·Gr·Ta)等级

4 系统时间可用度计算结果分析

图1、图2为不同收发站间基线距离(1 000 km、1 500 km、2 000 km、2 500 km四种情况)、典型设备能力条件(四种系统探测能量量级)下，飞机、船舶探测时系统时间可用度计算结果. 计算结果显示：

1) 收发间距为1 000 km、1 500 km，探测能量110 dBJ时，飞机探测距离300 km对应的系统时间可用度超过80%；探测能量为106 dBJ时，探测船舶距离为300 km时，对应的系统时间可用度超过80%. 而对于收发间距为2 000 km、2 500 km，飞机、船舶探测距离为200 km时若要达到80%时间可用度，则要求探测能量分别要满足110 dBJ、106 dBJ以上.

2) 探测能量对系统时间可用度影响明显，随探测能量的增加，系统时间可用度提高；收发距离的变化也影响到系统时间可用度，随收发间距增大，时间可用度下降.

3) 电离层传播因素(随距离、时间、频率的变化特性)在系统时间可用度中起到重要作用.时间可用度随收发站间基线距离的特征与文献[2]天波雷达系统时间可用度的变化相似.

另外，探测能量的增加不仅受到技术、场地(或移动平台)限制，还需要高额费用投入，如收发设备、大规模天线，因此要根据最大效费比原则和实际需求来设计.

图4为指定探测能量100 dBJ、不同飞机目标RCS值(20、15、10、5、0 dB五种情况)、不同收发基线距离(四种情况)下，系统时间可用度的计算结果. 由图3可以看出：

(a) 收发站间距1 000 km (b) 收发站间距1 500 km

1) 相同RCS条件下，随收发基线距离增大，系统时间可用度下降.

2) 飞机RCS的变化会引起时间可用度的大幅度变化；飞机RCS值减小，系统时间可用度降低.

计算结果对不同类型飞机目标(不同RCS值)的系统探测性能的估算具有参考价值.

4 结论

天波/地波集成探测技术所利用的天波反射/地波绕射传播信道是非线性时变信道，其信道特性较单一传播信道要复杂. 本文详细分析了该系统时间可用度的影响因素、计算方法，对典型设备能力条件(不同探测能量)、不同RCS值条件下的系统时间可用度进行统计分析，并指出了探测能量、RCS值对系统时间可用度的影响. 研究结果对系统设计论证、布局设计具有十分重要的参考意义.

[1] 焦培南, 杨龙泉, 凡俊梅. 短波天波反射/地波绕射组合新传播模式及其可能应用[J]. 电波科学学报, 2007, 22(5): 745-750.

JIAO Peinan, YANG Longquan, FAN Junmei. New propagation mode associate with HF sky-surface wave and its application[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2007, 22(5):745-750. (in Chinese)

[2] 焦培南. 超视距雷达可用度[J]. 电波科学学报, 1986, 1(3): 21-25.

JIAO Peinan. The availability of OTH radar[J]. Chinese Journal of Radio Science, 1986, 1(3): 21-25. (in Chinese)

[3] 李宗强, 柳文. 低纬地区天波雷达系统时间可用度研究[J]. 电波科学学报, 2002, 17(3): 264-268.

LI Zongqiang, LIU Wen. Analysis of time availability of sky-wave over-the horizon radar[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2002, 17(3): 264-268. (in Chinese)

[4] 周文瑜, 焦培南. 超视距雷达技术[M]. 北京: 电子工业出版社, 2008.

[5] ITU. Recommendation ITU-R P. 533-4: HF Propagation Prediction Method[M]. Geneva: ITU, 1999.

[6] ITU. Recommendation ITU-R P. 372-8: Radio Noise[S]. Geneva: ITU, 2003.

[7] 江长荫, 张明高, 焦培南, 等. 中华人民共和国国家军用标准GJB/Z 87-97 雷达电波折射与衰减手册[S].北京: 国防科工委军标出版社, 1999.