超视距雷达，克服地球曲率对雷达探测的影响

1、地球曲率对雷达探测的影响

雷达的探测距离会受到地球曲率的影响。下图中地面雷达(Ground-based radar)的覆盖范围是灰色部分，红色部分是预警机雷达的覆盖范围(含灰色部分)。图中200km附近的低空巡航导弹(Cruise missiles)虽然在地面雷达的最大探测范围之内，但地面雷达“看不到”，但在高处的预警机则可以看到。

预警机将整套雷达系统放置在飞机上，借由飞行高度，从空中搜索各类空中、海上或者是陆上目标，提供雷达较佳的预警与搜索效果。上图中一艘战舰和两架战机都超出了地面雷达的最大探测距离。

那么，问题来了：下图中雷达高度hR=1km，地球半径a=6400km，k=4/3，探测R=2000km处的飞机目标，求解雷达能探测到飞机的最低高度ht？

代入上图计算结果为：205km。若飞机目标低于该高度，雷达即使探测距离足够，也看不到它。大家注意到该公式中有一个k=4/3，这是考虑了“三分之四地球模型”，即：有效地球半径=4/3*实际地球半径。

这是因为地球的大气层会对雷达波弯曲和折射，从而一种简化的方式是采用虚拟地球代替实际地球，使用虚拟地球模型时，假设雷达波是直线传播的。

2、超视距雷达如何克服？

“超视距雷达”是如何克服地球曲率影响，对更远处低空目标进行探测的呢？

20世纪，高频通信利用电离层的折射效应获得了惊人的作用距离。但发射信号经由电离层反射并检测相同路径的后向散射回波的想法，直到20世纪60年代相干处理实现后才变得可能。随着数字信号处理的出现，相干积累时间不再受到限制。

天波超视距(Over the horizon,OTH)雷达系统发射信号经电离层反射后，照射地面或近地面目标，目标二次散射回波经由电离层反射后，被雷达系统接收并实现目标的检测。这类雷达系统属于天波超视距后向散射(OTH-B)雷达系统。

其采用的HF频段为6~30MHz，在该频段的1°波束宽度要求510米的天线孔径，而当频率采用6MHz时，天线尺寸将达到2550米。天线采用相控阵，方位上窄波束，俯仰上则可以采用宽波束。当30MHz的工作频率时，高25.5米的天线，提供20°的俯仰波束。

天线尺寸巨大，但其增益和效率相对较低，电波从电离层折射或反射的过程也是有损的，同时又要求具有相当远的作用距离，因此需要高平均功率进行合成，这意味着系统需要具有高占空比，长持续时间的脉压波形是系统的最佳选择。调频连续波信号(FMCW)是最为常用的解决方案。

OTH-B雷达的工作机理使得其从上到下照射地面杂波，这些杂波对接收机设计来说是一个重要因素，接收机噪声系数和接收天线增益变得不再那么关键，为获得高多普勒分辨率，OTH-B雷达采用相当长的相干处理时间，而电离层和目标特性将对相关处理时间产生限制。

3、超视距雷达系统

例如超视距雷达AN/FPS-118不仅能发现3000多千米以外的巡航导弹，而且能在大部分时间跟踪它们，这些巡航导弹的RCS(雷达散射截面积)小于B-2轰炸机，但高于F-117A隐身战斗机。

美国东海岸超视距雷达AN/FPS-118的接收天线阵3组天线的跨度均为1500多米，天线阵的有效覆盖扇区均为60度。发射天线阵由6组偶极子线列阵构成，每组偶极子阵列包含12个阵元，3分贝波束角7.5度，负责5-28兆赫之间的1个频段，最大连续波发射功率1.2兆瓦。

西海岸的AN/FPS-118系统发射天线阵总跨度为1100多米，高度超过10米，其后方的电磁辐射屏障高40多米。接收阵列的跨度为2440米，角度分辨率较更早建造的东海岸系统显著提高。接收天线阵元为高度5.4米的单极子。

超视距雷达探测距离远、覆盖面积大，具有天然抗低空突防、抗隐身飞行器、抗反辐射导弹等特点。主要用于战略预警及远程战术警戒情报雷达系统，实现对远程目标的早期预警，使预警时间提高到小时量级。

超视距雷达除了天波超视距雷达，还有地波超视距雷达和微波超视距雷达。天波超视距雷达是利用空间电离层对短波的反射构成的；地波超视距雷达是利用短波中更低的频段沿地面有较好的绕射作用，使电磁波沿曲线传播。微波超视距雷达是利用大气对微波传播有时构成的超折射现象而构成的，在温暖海洋的表面有较多的低空空域探测机会。

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