天波/地波集成探測技術時間可用度分析

楊龍泉 凡俊梅 焦培南 曹紅艷

(中國電波傳播研究所電波環境特性及?；夹g國家重點實驗室，山東 青島 266107)

引 言

天波/地波集成探測系統是一種新的探測技術，收發分址兩地，基于天波反射/地波繞射組合傳播模式，實現對海面、目標的超視距探測[1]. 其傳播信道是一種新的組合傳播模式，主要是時變的電離層反射傳播信道和不同鹽份不同粗糙度的海面繞射傳播信道，其中，電離層是不均勻、各向異性、色散隨機介質，地波傳播信道隨頻率、極化、海面狀態而變化. 顯然這種組合傳播信道是非線性時變傳播信道.

文獻[2-4]描述了與時間有關的短波雷達的三個“可用度”為：使用可用度、工作信道可用度、系統時間可用度. 其中，使用可用度與平均無故障時間、開機時間和平均停機時間有關. 系統時間可用度和工作信道可用度是另外兩個不同的時間概率概念. 工作信道可用度僅取決于自然環境條件，而系統時間可用度則與系統設備能力、目標散射特性、自然環境條件、工作波長等有關，能更全面描述系統在時間上的可用程度. 系統時間可用度是指在指定的探測距離上，達到給定目標信噪比的時間與總工作時間之比，是一個時間百分數. 考察總工作周期一般是對整個太陽黑子活動周期11年而言的.

本文對天波/地波集成探測系統時間可用度的影響因素(如電離層、地波繞射傳播、環境噪聲等自然條件因子，以及設備能力等人為設計因子)進行了分析，并給出了估算方法. 利用雷達方程，并考慮工作信道可用度，對典型設備能力條件、不同目標散射截面(Radar Cross-Section，RCS)下的系統時間可用度進行了計算，分析了系統探測能量、目標RCS對系統時間可用度的影響.

圖1 天波反射/地波繞射組合傳播模式

1 工作信道可用度

組合傳播工作信道由電離層傳播信道、海面地波繞射傳播信道組成. 海面繞射傳播信道雖受頻率、極化、海面狀態影響大，但在時間上相對穩定. 電離層是一種隨機、色散、不均勻和各向異性的媒質，傳播特性非常復雜.

1.1 電離層不規則現象影響

從宏觀上看，電離層存在正規的和非正規的變化狀態. 正規的變化包括：F層和E層的晝夜、季節、太陽黑子周期變化、日出日落效應、中緯槽等. 通過系統設計、工作參數的自適應管理可以克服這些變化的影響. 非正規的不穩定現象包括：突然電離層騷擾、電離層暴、極光、流星余跡、偶發E層(Es)等，它們對雷達正常工作有直接影響. 有些現象可能使得工作信道中斷；有些雖不能導致探測系統完全失效，但會降低檢測性能.

1) 突然電離層騷擾，發生在日照面電離層的D層. 太陽爆發8 min后，高頻電波通過該區域時被強烈吸收，導致傳播通道受阻或完全中斷幾分鐘到幾小時，致使系統完全失效，事件多發生在太陽活動高年.

2) 磁暴和電離層暴，發生在F層，電離層電子濃度重新分布，致使一定頻率的通道中斷.

3) 極冠吸收和極光帶吸收，僅是高緯地區才有. 它可使通過極區傳播的通道中斷數小時甚至幾天. 另外，極光對HF電波有強烈散射作用，引起頻譜展寬. 從而導致雜波頻譜完全淹沒目標回波頻譜.

4) 擴展F層，F層不均勻結構在所有緯度都可見，但以近赤道地區為多.

5) 流星余跡，它會造成一定范圍內出現一個比大氣無線電噪聲大10 dB的背景噪聲，使系統能見度降低.

6) 臨頻foF的限制，由電離層傳播理論可知，當foF<2.5 MHz，即使采用較低的工作頻率，也很難覆蓋800～1 500 km，foF>10 MHz時，即使使用較高的頻率，也很難覆蓋遠距離(3 000 km以上).

7) Es層全遮蔽和半遮蔽，當出現高密度的Es層時，電波能量全部在此高度反射而無法用F層傳播，這樣處在2 000 km外的地波接收站將無法工作. Es濃度不高，部分電波在Es反射，部分透過Es在F層反射，造成能量的分散.

上述電離層不穩定事件出現具有隨機性，影響又很嚴重，不受人為控制；不與系統設備有關，不能人為克服. 因此，電離層不穩定事件控制系統的不可用度是最小不可用度.

1.2 電離層信道可用度

焦培南[2]曾分析了中緯度地區的工作信道可用度，本文將利用該統計結果來分析天地波體制探測技術的系統時間可用度.

表1給出了根據我國中緯地區電離層觀測站長期觀測資料統計的對系統有決定性影響的電離層不穩定現象和事件的出現率. 表2給出了系統最小不可用度與距離的關系.

表1 對系統有決定性影響的電離層不穩定現象和事件的出現率

表2 中緯地區系統最小不可用度

2 系統時間可用度估算方法

2.1 雷達方程分析

天波發射-地波接收模式雷達方程，是分析系統時間可用度的基本計算依據. 方程如下

(1)

式中：RSN為信噪比；Pav為平均發射功率；Gt為發射天線增益系數；Gr為接收天線陣方向性系數；λ為工作波長；σ為目標散射截面；Ta為相干積累時間；P為天波反射路徑；R為地波繞射路徑； k為波爾茲曼常數；Fa為大氣噪聲因子；T0為環境溫度；Ls為系統損耗因子；Lw為地波傳播損耗因子；La為電離層損耗因子(主要包括吸收損耗、極化損耗).

除(4π)3,kT0為常數外，可以將式(1)分為自然條件因子和人為設計參數因子兩部分，其中自然條件因子有λ2，σ，P2，R2，Fa,Lw,La它們是空間、時間、頻率的函數；人為設計參數因子為Pav,Gt,Gr,Ta,Ls，RSN,它們也是空間、時間、頻率的函數. 雷達方程的自然條件因子隨距離、頻率、時間和空間而變化，系統時間可用度計算中特別要考慮電離層損耗因子La、噪聲kT0·Fa的空間、時間變化特性及其影響.

2.2 數據計算的設計

系統時間可用度計算最全面的統計是對11年進行的，統計分析的數據量大. 為降低運算量，考慮可靠且能說明問題的較少數據，作如下簡化設計.

1) 發射站至接收站間距離取1 000 km、1 500 km、2 000 km、2 500 km四種情況.

2) 探測距離以距地波接收站的實際距離表示，距離范圍為20～500 km，每20 km取一組數據.

3) 時間因子

太陽黑子數為10～150，典型數據取20(低年)、70(中年)、120(高年)三種；月份為1～12月，典型月份為1、4、7、10月；日夜小時數為00～23，每小時取一組數據.

4) 工作頻率范圍：5～20 MHz.

5) 電離層損耗因子

電離層吸收衰減損耗隨工作頻率f的平方成反比變化，頻率越低電離層吸收越大，頻率越高吸收越?。慌c天頂角χ的余弦成正比，夜間電離層的吸收很小，白天大，夏季相比春季、秋季、冬季電離層吸收要大，冬季電離層吸收最小；另外，吸收損耗還與太陽黑子數成正比變化；吸收損耗與電離層入射角有關. 電離層吸收損耗的計算方法采用國際電信聯合會推薦方法[5]. 計算過程中，電離層法拉第旋轉效應引起的極化損耗取3 dB.

6) 環境噪聲因子

大氣噪聲[6]的一個基本特點是非平穩性. 它是一個隨時間和地點而發生變化的隨機過程，它計入不同頻率、不同季節、不同時間和不同地點的大氣無線電噪聲特性. 其一般規律是：隨頻率升高而降低；在一年中，夏季高、冬季低；在一天中，晚上高、白天低；大氣噪聲隨緯度升高而降低，地球赤道附近大氣噪聲最高.

7) 海面繞射傳播衰減損耗

垂直極化的電磁波可以沿海面進行繞射傳播，傳播損耗衰減與選擇的工作頻率、海面電參數、天線、目標高度有關. 其光滑海面的地波傳播損耗大小與距離成近似正比關系，傳播狀態相對穩定.

利用CCIR地波傳播計算機程序GRWAVE計算天線與目標貼近地面和天線與目標在不同高度情況的衰減；附加衰減由《雷達電波折射與衰減手冊》[7]圖表獲得. 計算過程中，海面的衰減損耗考慮中等鹽分海水五級海態附加傳播損耗.

3.3 系統時間可用度估算

時間可用度計算可分成固定目標RCS值和固定系統探測能量(Pav·Gt·Gr·Ta)值兩種情況時探測距離與時間百分數的關系圖表.

1) 固定目標的RCS值，以系統探測能量(Pav·Gt·Gr·Ta)為參量的探測距離與時間百分數關系圖.

假設RSN=14 dB，Ls=12 dB. 飛機探測時，目標的RCS為10 dBm2，飛行高度取1 000 m，環境噪聲以中緯度鄉村級大氣噪聲為背景噪聲， 系統探測能量取110 dBJ、100 dBJ、90 dBJ、80 dBJ(如表3所示). 船舶探測時，目標的RCS為30 dBm2，船舶慢速目標以二階或高階連續海雜波譜為背景(一般二階海雜波的幅度略高于噪聲電平)，系統探測能量取116 dBJ、106 dBJ、96 dBJ、86 dBJ(如表3所示).

在11年周期的黑子數變化范圍內，對所有季節和晝夜時間、4種收發距離情況下，利用雷達方程式(1)，求解探測距離R，統計探測距離的累積時間分布，并考慮電離層信道最小不可用度，則可得到指定探測能量Pav·Gt·Gr·Ta下時間可用度與作用距離的關系.

2) 固定系統探測能量，Pav·Gt·Gr·Ta以目標RCS為參量的探測距離與時間百分數關系圖.

假定探測能量為100 dBJ，改變飛機的RCS值為20 dB、15 dB、10 dB、5 dB、0 dB等五種情況，飛機飛行高度為1 000 m. 計算方法與上面類似.

表3 探測能量(Pav ·Gt·Gr·Ta)等級

4 系統時間可用度計算結果分析

圖1、圖2為不同收發站間基線距離(1 000 km、1 500 km、2 000 km、2 500 km四種情況)、典型設備能力條件(四種系統探測能量量級)下，飛機、船舶探測時系統時間可用度計算結果. 計算結果顯示：

1) 收發間距為1 000 km、1 500 km，探測能量110 dBJ時，飛機探測距離300 km對應的系統時間可用度超過80%；探測能量為106 dBJ時，探測船舶距離為300 km時，對應的系統時間可用度超過80%. 而對于收發間距為2 000 km、2 500 km，飛機、船舶探測距離為200 km時若要達到80%時間可用度，則要求探測能量分別要滿足110 dBJ、106 dBJ以上.

2) 探測能量對系統時間可用度影響明顯，隨探測能量的增加，系統時間可用度提高；收發距離的變化也影響到系統時間可用度，隨收發間距增大，時間可用度下降.

3) 電離層傳播因素(隨距離、時間、頻率的變化特性)在系統時間可用度中起到重要作用.時間可用度隨收發站間基線距離的特征與文獻[2]天波雷達系統時間可用度的變化相似.

另外，探測能量的增加不僅受到技術、場地(或移動平臺)限制，還需要高額費用投入，如收發設備、大規模天線，因此要根據最大效費比原則和實際需求來設計.

圖4為指定探測能量100 dBJ、不同飛機目標RCS值(20、15、10、5、0 dB五種情況)、不同收發基線距離(四種情況)下，系統時間可用度的計算結果. 由圖3可以看出：

(a) 收發站間距1 000 km (b) 收發站間距1 500 km

(c) 收發站間距2 000 km (d) 收發站間距2 500 km圖2 系統時間可用度計算結果(探測飛機，目標RCS為10 dBm2)

(a) 收發站間距1 000 km (b) 收發站間距1 500 km

(c) 收發站間距2 000 km (d) 收發站間距2 500 km圖3 系統時間可用度計算結果(探測船舶，目標RCS為30 dBm2)

(a) 收發站間距1 000 km (b) 收發站間距1 500 km

(c) 收發站間距2 000 km (d) 收發站間距2 500 km圖4 系統時間可用度計算結果(探測飛機，探測能量100 dBJ)

1) 相同RCS條件下，隨收發基線距離增大，系統時間可用度下降.

2) 飛機RCS的變化會引起時間可用度的大幅度變化；飛機RCS值減小，系統時間可用度降低.

計算結果對不同類型飛機目標(不同RCS值)的系統探測性能的估算具有參考價值.

4 結 論

天波/地波集成探測技術所利用的天波反射/地波繞射傳播信道是非線性時變信道，其信道特性較單一傳播信道要復雜. 本文詳細分析了該系統時間可用度的影響因素、計算方法，對典型設備能力條件(不同探測能量)、不同RCS值條件下的系統時間可用度進行統計分析，并指出了探測能量、RCS值對系統時間可用度的影響. 研究結果對系統設計論證、布局設計具有十分重要的參考意義.

[1] 焦培南, 楊龍泉, 凡俊梅. 短波天波反射/地波繞射組合新傳播模式及其可能應用[J]. 電波科學學報, 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. 超視距雷達可用度[J]. 電波科學學報, 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] 李宗強, 柳 文. 低緯地區天波雷達系統時間可用度研究[J]. 電波科學學報, 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. 超視距雷達技術[M]. 北京: 電子工業出版社, 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] 江長蔭, 張明高, 焦培南, 等. 中華人民共和國國家軍用標準GJB/Z 87-97 雷達電波折射與衰減手冊[S].北京: 國防科工委軍標出版社, 1999.