临近空间双基地雷达信号衰减问题研究

王 博，陈长兴，牛德智，赵延明，李 岩

（1.空军工程大学电子系，陕西西安 710051；2.北京建筑材料科学研究总院有限公司，北京 100041）

临近空间双基地雷达是地基双基地雷达利用临近空间平台，将发射设备或接受设备置于临近空间［1］的一种新形式雷达，具有更远的探测距离和更大的探测范围。当探测距离大于视距时，处于地面部分的设备将不可避免地受到绕射效应的影响，导致信号衰减。同时，由于临近空间的含氧量和含水量相比地表大大降低，使得大气对信号的衰减程度发生了变化。本文中将从这两点出发，探讨临近空间双基地雷达的信号衰减问题。

1 临近空间双基地雷达探测目标情况

空间双基地雷达按照布站的不同分为地发空收和地收空发两类，本文中讨论地发空收的情况。图1为临近空间双基地雷达探测目标的示意图，图中T为雷达发射站，R 为雷达接收站，Tg为待测目标，O为地心原点，R0为地球半径，h1、h2分别为发射天线和目标的实际高度，Rt为探测距离，Rr为目标到接收站距离，L 为基线长度。

图1 临近空间双基地雷达探测目标示意图

在发射站T 点作地表的切线，设切线与发射站和目标点连线TTg的夹角为α，即目标偏离地平线的角度；切线与基线L 的夹角为β。由于所探讨的临近空间双基地雷达是应用于超视距探测的情况，故在探测目标时，信号在TTg段将进行一段绕射传播。

2 绕射对雷达探测的影响

2.1 绕射的基本原理

当雷达工作波长较长时，一般地面的电磁特性表现为光滑，反之为粗糙［2］。因此当波长为米波时，通常将地面视为光滑。

从发射源点发出的射线照射到光滑曲面时，射线将沿着发射点到曲面的切线传播，经过切点，进入阴影区后，射线被限制在曲面上继续前进［3］，同时持续不断地沿着曲面的切线方向发出绕射射线，这样在射线能量足够的情况下，总有一条沿曲面切线方向射出的绕射射线将到达目标点，这种情况下的射线称为表面绕射射线，或者称为爬行波射线。表面绕射射线在文献［4］中有详细论述。由于不断射出的射线带走了大量的能量，造成了信号的迅速衰减，此衰减就是绕射衰减。

2.2 绕射对雷达方程的影响

临近空间双基地雷达在进行超视距探测时，受到地球曲率的影响，在发射波传播途中沿地表发生绕射。因此在计算雷达探测距离时必须考虑绕射衰减因子Ft。双基地雷达方程［5］如下式：

为方便讨论，令等式右侧为kBFt。

对于绕射衰减，D.E.Kerr给出了绕射衰减因子Ft的计算方法［6］：

式中，V（x）为衰减系数；u（z1）和u（z2）为高度增益因子，x、z1、z2分别是用自然单位表示的目标距离、天线高度和目标高度。衰减系数和增益因子均与雷达工作频率成正比。由于绕射发生在发射过程中，因此量的确定以发射天线为基准。自然单位的表示参照文献［6］，同时该文献给出了衰减系数和高度增益因子的计算方法。

衰减系数：

高度增益因子：

式中，z 为天线高度或目标高度。由式（3）和（4）知V（x）与x 成反比，u 虽为分段函数，但在实数范围内为增函数，与z成正比。由于雷达工作频率f 反比于衰减系数V（x），正比于高度增益因子u，所以在选择雷达工作频率时应综合考虑其对衰减系数和高度增益因子的影响。

在图1中，由余弦定理并结合式1可得：

由式（2）—（7），可得出在不同波长和不同基线条件下的绕射衰减因子Ft和最大探测距离Rt。

2.3 绕射条件下探测距离结果

为了便于和文献［6］中所给的地基双基地雷达低空探测距离的计算结果相比较，选取和文献中相同的参数指标。设某主雷达为雷达发射机，其对高空目标作用距离为Rmax＝300km，天线高h1＝25m，目标高h2＝20 m。表1 给出了雷达工作波长分别为0.03、0.1、0.3、1m，基线长度分别为20、30、40、45km 时，相应绕射衰减因子和最大探测距离的数值。

表1 临近空间双基地雷达最大探测距离计算结果

由表1 数据可以看出，在基线长度小于视距（39 km）时，绕射衰减因子Ft随波长的增加而增大，对应的探测距离减小；当基线长度大于视距时，绕射衰减因子Ft随波长的增加而减小，对应的探测距离增大，如图2和图3所示。因为绕射衰减因子由衰减系数和高度增益因子两部分组成，而这两部分随雷达工作频率的增加变化趋势相反，基线较小时高度增益为绕射因子的主导元素，波长越短，天线等效高度越大，探测距离越远；当基线长度增加至大于视距时，高度增益的影响趋于弱化。变化规律与地基双基地雷达相同，在具体数据的数值大小上，要优于地基双基地雷达，即同波长、同基线条件下比之地基双基地雷达衰减小，而探测距离远。

图2 绕射衰减因子随波长变化关系曲线

图3 探测距离随波长变化关系曲线

3 临近空间环境的大气衰减

在大气传播影响方面，临近空间双基地雷达区别于地基双基地雷达的地方在于：临近空间双基地雷达的目标回波接收点在图4中［7］的S 点而非B 点，即传播介质为临近空间而非地表空间。地面（海面）和传播介质对雷达性能的影响体现在3个方面［8］：（1）电波在自由空间的传播衰减；（2）大气层引起的电波折射；（3）地面（海面）反射波、电波直射波与目标回波的干涉效应。由于将接收机置于S 点接收目标上的表面回波，回波路径不再与电波直射波重合，因此很大程度上避免了干涉效应的影响。此外，临近空间飞行器通常飞行在电离层以下，所以电离层的干扰也很小。

图4 布站方式示意图

对于大气衰减而言，氧气和水蒸气是雷达电波衰减的主要原因。衰减体现在大气中气体微粒对电磁波能量的吸收，进而转化成热能损失掉。图5［9］中在一标准大气压下，大气中氧含量为20%，水蒸气微粒含量为1%（即7.5g／m3）时大气衰减曲线，图5中实线和虚线分别为氧分子和水蒸气微粒的衰减情况。图5中氧气的衰减谐振峰在60GHz（λ＝0.5cm）和118 GHz（λ＝0.25cm）处；水蒸气的微粒衰减谐振峰在22.24GHz（λ＝1.35cm）和184GHz（λ＝0.16cm）处。频率低于1GHz时，即波长大于0.3m 时，大气衰减非常小，基本可以忽略。上述是一标准大气压的情况，实际在临近空间中气压要小得多，氧和水蒸气的含量远不如标准大气压下的含量，但由于同一种物质对电磁波能量的吸收特性是相同的，在物质含量减小时，图6中的曲线将向下平移。

图5 大气衰减曲线

美国空军地球物理实验室给出了部分主要大气成分的数密度随高度变化的轮廓［10］如图6 所示。在图中可以看出除了二氧化氮和臭氧外，其余成分随着高度的增加和压强的减小其数密度呈持续减小趋势，进而被气体吸收的电磁能量减少。因此当处于临近空间时，大气衰减必然小于标准大气压时的情况，大气衰减可忽略时的界线波长将进一步减小。

4 结束语

图6 一些主要大气成分数密度垂直轮廓

对在临近空间双基地雷达超视距探测目标时所受到的绕射衰减和大气衰减进行了论述。在论述中可以看出，当基线达到一定距离时，波长越长，绕射能力越强，达到米波波段［11］时，电磁波已经基本不受大气衰减影响。仅从本文讨论的问题来看，雷达使用波长越长，对临近空间双基地雷达进行超视距探测越有利。由于临近空间已经接近太空，其中存在的射线和高能粒子［12］都将对电磁波产生一定程度的影响，这一部分的影响还需要作出进一步的研究和讨论。

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