雷達遮蔽角計算及影響分析＊

韓丹，高浩然

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雷達遮蔽角計算及影響分析＊

韓丹1，高浩然2

（1.中國民用航空飛行學(xué)院 航空工程學(xué)院，四川 德陽 618307；2.中國民用航空飛行學(xué)院 學(xué)院辦公室，四川 德陽 618307）

雷達遮蔽角的計算是雷達站建設(shè)和運行的前提和基礎(chǔ)。為了保障其計算精度，結(jié)合等效地球半徑法對雷達遮蔽角公式進行了推導(dǎo)，并根據(jù)實際數(shù)據(jù)對經(jīng)驗公式與推導(dǎo)公式作了研究和對比，分析了其對飛行器進離場和雷達視距的影響，證明了雷達遮蔽角計算的重要性。

雷達遮蔽角；民航；雷達視距；電磁環(huán)境

民航雷達是民航通信導(dǎo)航監(jiān)視的重要組成部分。目前，文獻主要集中在對雷達站周圍的電磁環(huán)境進行評估——文獻[1]用電磁輻射分析儀對擬建成都區(qū)域管制中心范圍內(nèi)選點進行電磁環(huán)境水平的監(jiān)測和評價；文獻[2]通過電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測、參數(shù)預(yù)測，分析了建設(shè)雷達站對周圍電磁環(huán)境的影響，并提出污染防治措施；文獻[3]從雷達作為干擾源的角度分析C波段天氣雷達的電磁輻射情況。

擬建雷達選址首先對擬建雷達周圍的障礙物進行遮蔽分析，測量障礙物的遮蔽角，并繪制遮蔽角圖，以確定雷達天線的高度，進而計算出雷達在不同指定高度的視線覆蓋距離，確定雷達覆蓋范圍。已建雷達面臨與其他設(shè)備或建筑物共址建設(shè)問題，其他設(shè)備或建筑物需要滿足雷達工作的要求，且不影響雷達的性能，二者均對雷達的遮蔽角進行精確計算。大氣層密度分布不均，對無線電波傳播產(chǎn)生折射現(xiàn)象，對雷達的遮蔽判斷與分析有明顯的影響。本文主要對雷達的遮蔽角公式進行推導(dǎo)，并結(jié)合實際數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的遮蔽角公式進行對比分析。

1 雷達遮蔽角

雷達遮蔽角是以雷達天線中心點和該點所在水平面為基準(zhǔn)，在其作用范圍內(nèi)受障礙物遮蔽所形成的垂直張角，即雷達遮蔽角。

現(xiàn)有的雷達遮蔽角為：

圖1 雷達遮蔽角推導(dǎo)

為障礙物距雷達站的水平距離，即=.

根據(jù)三角形性質(zhì)有：

其中，′為到′的距離，相當(dāng)于在同一假設(shè)面內(nèi)，障礙物到雷達的垂直距離，即：

將式（3）、式（4）、式（5）代入式（2）有：

在三角形中，根據(jù)勾股定理有2+2=2，即：

由式（6），可得：

由式（6）、式（7）推理可得：

結(jié)合式（8）、式（9），得到：

2 實例驗證

2.1 實例計算

某氣象局?jǐn)M在機場附近建S波段雙線偏振雷達氣象雷達，存在氣象雷達與空管二次監(jiān)視雷達將共址建設(shè)和運行的情況。民航雷達和氣象雷達地形及擬建情況如圖2所示，民航雷達天線底座距海平面高度a為333.1 m，擬建氣象雷達天線頂端高為350.01 m，氣象雷達擬建在距民航雷達D 197 m處。在雷達的垂直方位上，氣象雷達對民航雷達形成遮蔽，設(shè)遮蔽角為.

根據(jù)推導(dǎo)公式（11），則有：

代入數(shù)值計算可得2≈0.554 8.

2.2 驗證分析

2.2.1 雷達遮蔽角的影響因素分析

對經(jīng)驗公式和推導(dǎo)公式的對比可以看出，當(dāng)雷達站高度為定值時，雷達遮蔽角與障礙物高度和障礙物對雷達的水平距離有關(guān)。如圖3所示，上方的曲線為經(jīng)驗公式曲線，下方的曲線為推導(dǎo)公式曲線。由圖3可以看出，隨著和的增加，經(jīng)驗公式和推導(dǎo)公式之間的差值越來越大。因此，在已知民航雷達站高度的情況下，雷達與障礙物間的水平距離和障礙物高對雷達遮蔽角的影響較大。

圖2 民航雷達與擬建氣象雷達共址

圖3 α與d，h之間的關(guān)系

2.2.2 雷達遮蔽角影響分析

2.2.2.1 對飛行器進離場影響分析

雷達遮蔽角的大小對雷達的探測范圍的判斷有明顯影響。在機場附近的雷達極易受雷達遮蔽角的影響，進而影響二次雷達對飛機進離場的探測。結(jié)合該地擬建氣象雷達方案及機場設(shè)備建設(shè)情況，在距離民航二次雷達17 163 m處的全向信標(biāo)附近740 m長空域，民航二次雷達的探測范圍會受到影響。受氣象雷達遮蔽，飛行器在進離場過程中經(jīng)過蛇口全向信標(biāo)臺時，二次雷達可能探測不到航空器。

全向信標(biāo)臺的遮蔽高度記為遮，則遮=17 613×tan+a.當(dāng)=1=0.561 2時，遮1=505.62 m；當(dāng)=2=0.554 8時，遮2=503.65 m。由計算結(jié)果可以看出，本文推導(dǎo)的公式比經(jīng)驗公式高度上縮短了1.97 m。

2.2.2.2 對雷達視距的影響分析

雷達對某一飛行高度目標(biāo)的觀測距離稱為雷達直視距離。雷達信號的直視距離是由地球表面彎曲所引起的，大氣折射率的梯度為0.039×10－6m，相當(dāng)于增加了視距。從電波直射角度看，相當(dāng)于增加了地球的半徑，則等效地球半徑為3/4≈8 496 km[6]。雷達直視距離可由下式計算得到[1]：

式（12）中：0為雷達視線距離，km；為雷達遮蔽角；a為雷達天線高度；f為飛行高度，m。

現(xiàn)考慮飛行器飛行高度f=12500m，當(dāng)=1=0.561 2時，01=379.125 m；當(dāng)=2=0.554 8時，02=379.905 m。

由計算結(jié)果可以看出，推導(dǎo)公式計算的視距較經(jīng)驗公式計算的視距增加了770 m。

雷達遮蔽角受和的影響。隨著和變大，經(jīng)驗公式和推導(dǎo)公式的遮蔽角差值會越大。因此，當(dāng)遮蔽角差變大，特別是飛行高度較高時，對雷達視距的影響將更為明顯。如圖4所示，當(dāng)飛行高度在8 900～12 500 m的范圍內(nèi)，經(jīng)驗遮蔽角的視距和推導(dǎo)公式的視距為曲線①、曲線②。當(dāng)雷達的遮蔽角差變大，如果經(jīng)驗公式算得的遮蔽角為0.6（曲線③），推導(dǎo)公式計算得到的遮蔽角為0.65（曲線④），可以看出二者之間的差異便會越明顯。

圖4 不同α下d與h的關(guān)系

3 結(jié)束語

雷達遮蔽角計算是進行雷達站選址、與雷達站共址建設(shè)問題分析的前提與基礎(chǔ)。雷達遮蔽角的精確度對研究和分析至關(guān)重要。本文結(jié)合等效地球半徑法對雷達遮蔽角公式進行推導(dǎo)，通過實例計算分析了雷達的遮蔽影響，驗證了雷達遮蔽角精度的重要性，一定程度上說明了推導(dǎo)公式的適用性。本文考慮地球大氣層密度均勻、溫度為15 ℃這一條件下對雷達遮蔽角公式進行推導(dǎo)。而實際環(huán)境中大氣層密度不均勻、溫度變化多端，同時雷達遮蔽的影響因素較多，比如地質(zhì)條件、溫度、大氣環(huán)境等。因此，還需對多種影響因素進行深入研究與探討。

［1］高水生.蔡意.饒丹.成都區(qū)域管制中心電磁輻射環(huán)境影響分析與防護措施［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2010（10）：190-194.

［2］張磊，陳茜，李少婷，等.民航空管雷達站電磁環(huán)境影響分析［J］.環(huán)境與可持續(xù)展，2014，39（06）：50-53.

［3］鐘靜，林小杰，楊宏宇.C波段天氣雷達的電磁輻射分析［J］.科技風(fēng)，2018（24）：268.

［4］中國民用航空總局.MHT 4003—2014中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，航空無線電導(dǎo)航臺和空中交通管制雷達站設(shè)置場地規(guī)范［S］.［出版社不詳］，2014.

［5］裴旭，馬東立.等效地球半徑法應(yīng)用中的問題［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005，4（31）：455-458.

［6］文冰梅.航管雷達輻射信號作用距離及覆蓋問題的研究［D］.天津：中國民航大學(xué)，2007.

韓丹（1991—），女，主要研究方向為通信導(dǎo)航監(jiān)視、電磁環(huán)境評估。

2018年民航局安全能力建設(shè)項目（編號：TM2018-3-1/2）；2016年中國民用航空飛行學(xué)院研究所計劃（編號：XM2939）

2095－6835（2018）21－0009－03

TN957.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.21.009

國家自然科學(xué)基金面上項目“珠三角地區(qū)被動蒸發(fā)遮陽百葉對建筑圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的影響”（編號：51878287）；廣州市科技計劃項目“珠三角地區(qū)被動蒸發(fā)遮陽百葉對熱環(huán)境調(diào)節(jié)機理研究”（編號：201804010488）

〔編輯：張思楠〕