高频地池雷达传播衰减

HarbinInstituteofTechnology课程报告课程名称:新体制雷达技术专题论文题目：高频地波雷达的传播衰减系：电信学院级:电子一班者：刘玉鑫号：13S005061间：2014.06间：哈尔滨工业大学高频地波雷达的传播衰减无线电磁波在传播过程中遇到目标会产生反射回波，其回波特性体现了目标的方位、速度、距离以及目标的形状、尺寸等。雷达根据接收到的目标回波特性实现其探测、跟踪等任务。因此，雷达接收机所接收到的回波强度是影响雷达威力范围的直接因素。本章将对地波到达目标时的场强、地波在传播中的损耗及最终雷达接收机接收到的回波功率进行研究分析，并建立地波传播、目标回波模型，为高频地波雷达威力范围预估提供仿真模型支持。1.1空间地波场强雷达发射的电磁波在传播过程中到达目标时的电磁波场强直接影响了目标回波的强度。本节将根据地波传播特性等方面的理论，对高频地波在粗糙面的传播进行仿真分析与建模。空间电磁波根据传播轨迹的可将其极化方式分为三种：直线极化、圆极化和椭圆极化。雷达发射的电磁波采用其中的直线极化。线极化波又根据其电场方向与地面的关系分为垂直极化和水平极化。前者电波场强与地面为垂直关系，后者为水平关系。水平极化的电磁波在地面传播时会出现较大感应电流，其传播损耗要比垂直极化波大10dB，因此高频地波雷达采用的是垂直极化波。电偶极子、垂直极化电磁波的空间场强公式，用球坐标表示如下所示：1「「E=-——VxVxUkn2E= 1工（sin。空）Rkn2Rsin。8。 50式中k——自由空间波束，其大小为k=2兀/人；n——大气折射指数；R——空间某点到发射源点的距离；U 赫兹矢量；0——电场的强度与半径方向的夹角。上式中U可由下式计算：U=!exp(F/2)12fe-ikDsg(2)(S,H)x[g(1)(S,H)I2兀rsin(D/r)I « /V0 0J-f如)(s，0)/dH-i®1)(S，0)1g(2)(S,H脚dg(2)(S,0)/dH-ikAg(2)(S,0)J b式中Ha——发射天线高度;

H——接收天线高度；D——收发天线沿地球表面的距离；A——归一化表面阻抗；r0——地球平均半径，大小为6370Km。上式中的g(1)(S,H)、g(2)(S,H)是式(2-4)的两个解。d⑵g(S,h+k2{m2(h)-S2}g(S,h)—0dh(2)对于中长距离的雷达电波传输，式(2-3)存在极点。根据极点分布，可以得利用残余级数表示的赫兹矢量U如下：_\8k3兀exp(—沅/2)11/2寸exp(-ikDS)g(2)(S,H)g(2)(S,H)UJ nX na nbn=1Irsin(D/r) I V⑵(S,0) g⑵(S,0)g⑵(S,0)n=10 0 n=1 n n n则得空间中地波场强表达式如下：1E牝(8.877xlOiK)211 (sin(D/R))120寸exp(-jkDS)G2(S,H)G2(S,H)乙 n n a n b—n=1V2(S,0) G2(S,0)G2(S,0)n=1n n n1.2基本传输损耗基本传输损耗指雷达发射天线的发射功率与接收天线接收到的功率的比值。描述了电磁波从雷达发射到达目标，再由目标反射的有效回波到达雷达的整个传输过程中，电波的损耗。本节用£心催来代表由GRWA/E程序计算所得的空间某点的地波场强。根据Milson方程式可知，发射机的发射功率有如下表达式：c2兀ZTP=———012t3人2o对于偶极子天线段的10，认为是5人/2兀，所以发射机的发射功率可表示为：P-竺Z(竺)2—蒙Z

t3人22兀12兀0对于发射机的高度为中等高度时,其发射功率有如下表达式：P-50Z0RR

t12兀tRR为在完全导电平面上发射阻抗和自由空间中的阻抗之比。基于以上推导，高频地波的基本传输损耗乙如下：507RRZRRE2人24兀Z0RRL=P_12E2人24兀Z0RR-Pr对于以rV/m为单位的场强有:50x1012Z2 、L=3（2E）°«2RRRR）代入上式中，设Y=k2RRRR，则上式可化为：,25x10i2Z2YL= °—⑵EGrwave）2对上式进行dB形式的对数变换，可得分贝形式的基本传输损耗为：BTL=10logL=169.542+10logY-20logE10 10 10GRWAVE令上式中的常数BTLC=169.542+10log10Y，则得到基本传输损耗的如下形式：BTL=BTLC-20logE根据以上的推导，当我们计算出空间某点的地波场强时，就可以直接得到该点的基本传输损耗。1.3高频地波雷达回波功率以基本雷达方程为基础，推导高频地波雷达方程。在发射天线为赫兹电振子、垂直极化电磁波、紧贴海面，自由空间特性阻抗Q=12版的标准条件下R处的电场强度E2（R）与雷达系统参数有如下关系：E2（R）xGP式中G0——标准天线增益；P——电磁波发射功率P=1KW。00设在实际中雷达发射的电磁波在空间R处的电场强度为E：（R），则其与雷达系统参数有如下关系：E2（R）xGP式中G——发射天线增益，G^=nD，门为发射天线效率；P—雷达发射功率。' 't由式（2-59）及（2-60）可得实际电场强度与标准场强间关系为：E2（R）GPE[r）-GP00将雷达系统损耗与信号占空比及峰值发射功率考虑进来，对于收发共址的高频地波雷达系统的回波功率P为：rE4（R）PYGG人2bP= 己_j r4兀Q2P2G2L0 0s式中R——发射、接收天线与目标之间的距离；E（R）——标准化场强；P——峰值发射功率；TP 测试雷达的发射功率，大小为1Kw；0Y 信号占空比；。一一目标散射截面积；G、Gr一一分别为发射天线、接收天线的天线增益;D0―标准天线增益，大小为3。L——雷达系统损失。1.4地波传播仿真与分析仿真中程序变量的取值变量名（单位）变量值注释Dmin(Km)0距离范围起始值Dmax(Km)500距离范围结束值Dstep(Km)1距离米样间隔Ans320对流层地表折射率Hscale(Km)7.5对流层距地高度Epslon80地表相对介电常数Sigma(S/m)4地面/海面的传导率Hrr(m)0雷达接收天线高度Htt(m)0雷达发射天线高度U(m/s)10.28海面风速下图为地波频率分别为3MHz、8MHz、12MHz>16MHz以及20MHz时，地波场强随距离的变化情况。从图中可以看出，随着距离的增大，地波在海面的场强逐渐减小。同时，当地波雷达的频率增加时，在相同距离点上，场强的减小更加显著。在频率为3MHz时，场强的零点出现在比500Km更远的距离，当频率为8MHz时；场强零点在500Km附近；20MHz的频率零点则出现在250Km左右。可以看出，不同频率的地波的传播效果差异较大。

图1-1不同频率地波的场强随距离的变化图1-2为不同地波频率在粗糙海面传播时的传输衰减情况。显然，随着距离的增大，传输损耗增大；频率增大时，传输损耗也随之增大。而且随着距离的增大，不同频率地波的传输损耗差距加大，3MHz地波的传输损耗在距离50Km处是20MHz的2/3，到距离为500Km时，仅为20MHz的1/2。图1-2不同频率地波的衰减随距离的变化通过图1-3及图1-4，可以看出高频地波在海面传播时的地波场强和传输衰减与频率和距离的关系。当频率和距离都较大的时候，地波在传播的过程中场强减小最大，传播衰减最大。地波场强100500-50频率地波场强100500-50频率(MHz) 100 距离(Km)I120■l00806040201-201-40=®-60图1-3地波场强与频率及距离的关系220地波衰减20025018020016015014010012050100806040频率(MHz)距离(Km)02000220地波衰减20025018020016015014010012050100806040频率(MHz)距离(Km)02000图1-4地波场强与频率及距离的关系,-£0^衰1.5小结以雷达方程为基础，结合高频地波雷达特性，推导了高频地波雷达的回波功率公式以及根据空间某点场强来计算基本传输损耗的公式。得到高频地波雷达回波功率模型。利用计算机仿真对高频地波的传播进行了模拟，结论如下：高频地波传播距离越远，其强度衰减越快；高频地波的