浅谈环境对雷达电波传播特性的影响

浅谈环境对雷达电波传播特性的影响

引言:人类生活在地球大气的底层，雷达设备也大多处在地面和高层大气之中。雷达工作环境包括地面至外层空间的整个高层大气，因此整个地球大气所发生的各种自然现象和物理过程都直接和间接地影响雷达的工作性能。我们采用按垂直高度分布区域的电气特性及其对无线电波传播的不同影响方法，即把整个雷达工作的高层大气环境分为地面对流层，平流层中层，电离层等区域。我们将分别进行雷达环境及各区域特征，不同雷达环境对雷达电波传播的影响及雷达传播的损耗，电波传播的折射等方面展开进行讨论。一：雷达环境各区域特征我们把近地空间的大气空域分区为地面对流层、平流层、电离层和磁层。地面、海面、极地、海交界环境特征使地球表面不均匀性，电气特性不均匀性和复杂的地形地貌等都严重影响雷达无线电波传播；对流层是最贴近地面的一层大气，由于地面吸收太阳能量，将光能转化为热能，在从地面向大气底层传输就发生了强烈的对流，这是该层大气的主要特征，对流层顶层为9000米赤道可达17000米，这个区域大气折射率严重影响雷达无线电波传播。对流层顶部到平流层顶部的空间为平流层，这里是大气中水蒸气含量很少，尘埃也很少，十分透明，大气垂直对流不强，多为平流运动，而且这种运动尺度很大。该层的风场结构，对以平流层为平台的雷达系统定点稳定性影响较大，一般的说这一段空间的大气对雷达无线电波传播影响不大；中层大气边界是由平流层顶到85000米左右处，此层的大气物质进行着强光化反应，以中性分子为主，一般的说中层对无线电波传播影响不大，但它是甚低频波导传播的上边界，此外该层的风场结构较复杂；电离层是指60到1000km以上的高层大气在太阳辐射的影响下，大气物质发生电离，这区域的电离状态显著影响雷达无线电波传播；磁层是指在太阳风和基本地球磁场相互作用下形成一个太阳风被排斥而地球磁场比太阳风压迫变成类似彗星头尾一样的空穴。在此空穴里地球磁场起着主要控制作用的层区，正常的磁层对雷达无线电波传播影响不大，但是太阳风暴爆发时。在扰动的太阳风暴作用下，磁层内磁场发生爆变，形成磁暴，并作用于电离层引发电离层暴变，此时雷达无线电波传播会产生很大的影响。二：不同环境对雷达电波传播的影响几乎所有频段雷达的电波传播都受到各种不同环境的影响，雷达环境对雷达电波传播的影响是多方面的。折射效应，电波折射效应是由于对流层和电离层大气折射指数的空间变化是雷达信号在大气层中传播速度异于在真空中传播速度而产生传播折现的弯曲使得测量的目标俯仰角和距离多普勒频移等目标实测参数不同于目标真实参数的一种效应。折射效应对雷达性能的影响有两个，一是雷达探测和跟踪目标的垂直面作用范围与自由空间时有所不同，一般在垂直面内向下倾斜；二是使得目标位置参数斜距、仰角、高度、距离、距离差及其变化率产生误差，降低了检测目标的信噪比；衰减效应:电波衰减效应是指无线电波在自由空间或介质传播过程中能量的减弱效应。衰减效应对雷达的性能影响主要是缩短了雷达探测和跟踪目标的作用距离以及降低了雷达探测和跟踪目标的信噪比；色散效应:色散效应是由于大气为非理想介质，介质中折射率与频率有关，穿越介质的电波信号传播时延是频率的函数，特别是宽带信号就会散开，引起严重时延散布效应。色散效应又造成雷达成像分辨率大大下降，跟踪距离、测角、测速误差大大增加；闪烁效应:对流层湍流和电离层不均匀体运动的变化使无线电波穿过大气层电离层时产生幅度、相位、极化和到达角的变化，表现为目标信号电平的快速起伏。闪烁影响雷达的作用距离和成像精度,严重的电离层闪烁可引起雷达信号中断；杂波:杂波主要是指非目标杂散回波，杂波是影响雷达目标检测和识别的重要因素；多路径效应:多路径效应是指由于地面或电离层的反射电波的直达波和反射波和多条传播路径回波同时到达接收点而产生的多路径传播干涉衰减效应，多路径可产生信号交调误码和虚假目标；多普勒效应:目标相对于雷达接收机运动会引起返回信号频率增加或减少的多普勒效应，多普勒效应可引起雷达的测速误差；去极化效应:去极化效应是指电波通过介质后的极化状态与原来极化状态不同的现象，去极化效应将直接影响雷达对目标极化特征的提取和识别或能量的损耗；干扰与外噪声:干扰与外噪声包括大气无线电噪声、晴空大气气温、地球表面辐射噪声、天体辐射银河系电噪声、人为无线电噪声和无线电台干扰。它主要降低了雷达探测和跟踪目标的信噪比和缩短了雷达探测和跟踪目标的作用距离。三：雷达干扰与噪声环境对雷达的影响雷达噪声和干扰环境是十分复杂多变的，有自然界的噪声源、人工的噪声源、还有电台的干扰以及蓄意的干扰等。而这些噪声和干扰是随着频率、时间和空间位置变化的。我们可以对雷达干扰以外噪声包括大气无线电噪、晴空大气气温、地球表面辐射噪声、天体辐射、银河系电噪声、人为无线电噪声、无线电台干扰等进行测量计算和估值来消除此类干扰对雷达的影响。四：其他效应对雷达的影响地面、海面及地海交界环境的不均匀性和电气特性不均匀性及地形地貌都严重影响雷达天线电波传播。从电磁理论的观点看，地面和海洋的媒质特性也以它们的介电常数和电导率为特征，他们的磁导率虽然在某些情况下略有差别，但都当做单位值来处理。而对于环境的反射，我们可以运用方向图传播因子来计算环境传播对雷达的影响，它包含了绕射反射、折射与多路径等各种效应和天线方向图的影响。五：总结影响雷达性能指标的还不止以上这些，还有地形地貌、工作环境温度、湿度、及雷达自身随着工作时间的变化引起自身的工作温也在发生变化，这些也会影响电波的传输功率及传输路经，直接影响到雷达的探测距离及测角的精度。为了减少环境对雷达性能的影响，我们要对雷达工作的环境进行测量及统计，并在各种环境下对雷达进行标校。当环境变化时，我们对相关参数进行调整和补偿，减少其对雷达性能的影响，使雷达总处于最