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高频地波雷达(HFSWR)简介


一、概述

  高频地波雷达(High-Frequance Surface Wave Radar,简称HFSWR)作为一种新兴的海洋监测技术,具有超视距、大范围、全天候以及低成本等优点,被认为是一种能实现对各国专属经济区(EEZ)监测进行有效监测的高科技手段。各临海发达国家均进行了研发投入,并实施了多年的对比验证和应用示范。

  高频地波雷达利用短波(3~30MHz)在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点,采用垂直极化天线辐射电波,能超视距探测海平面视线以下出现的舰船、飞机、冰山和导弹等运动目标,作用距离可达300km以上。同时,高频地波雷达利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机制,可以从雷达回波中提取风场、浪场、流场等海况信息,实现对海洋环境大范围、高精度和全天候的实时监测。

高频地波超视距雷达的工作原理
【图1】高频地波超视距雷达的工作原理(R1为视距,R2为雷达作用距离)

  在军事应用领域,相对于微波雷达而言,地波超视距雷达的工作波长和电波传播特性,决定其具有独特的性能优势:

  1. 作用距离远(300~400km);

  2. 极强的反隐身能力;

  3. 抗低空突防;

  4. 抗反辐射导弹;

  5. 其他优势,等等。

  在海洋环境监测领域,地波超视距雷达具有覆盖范围大、全天候、实时性好、功能多、性价比高等特点,在气象预报、防灾减灾、航运、渔业、污染监测、资源开发、海上救援、海洋工程、海洋科学研究等方面有广泛的应用前景。

高频地波雷达应用示意图
【图2】高频地波雷达应用示意图

  由于其独特的性能优势及应用前景,许多临海发达国家竞相研制、购置和部署地波超视距雷达,以抵御现代战争的威胁并满足海洋开发与研究的需要。美国、俄罗斯、英国、加拿大、德国、法国、澳大利亚、日本和新加坡等都研制过或正在发展高频地波超视距雷达,其中典型代表有加拿大的SWR-503系统、美国的Seasonde系统和德国的WERA系统等。

美国CODAR公司生产的著名SeaSonde地波雷达
【图3】美国CODAR公司生产的著名SeaSonde地波雷达(交叉环/单极子是其典型特征)

德国汉堡大学研制的WERA地波雷达系统
【图4】德国汉堡大学研制的WERA地波雷达系统

美国雷神(Raytheon)公司为加拿大生产的SWR-503系统
【图5】美国雷神(Raytheon)公司为加拿大生产的SWR-503系统

武汉大学研制的中程高频地波雷达系统OSMAR
【图6】武汉大学研制的中程高频地波雷达系统OSMAR(拍摄者:杨子杰)


二、历史

  雷达的前身是电离层测高仪。上个世纪初为了解释Maconi成功实现跨越大西洋的无线电通信,Kennelly和Heaviside提出在地球大气层中存在一个导电层——1902年Kennelly猜测无线电波在大约80 km的高空经一传导层反射,同年“聪明、愤世嫉俗、自学成才的数学家和工程师”Oliver Heaviside在为大不列颠百科全书撰写的一篇文章中也独立提出类似的思想。现在我们当然知道那就是电离层,当时科学家和工程师把那叫做“Kennelly-Heaviside层”,但那个层是否存在还众说纷纭。随后二极管、三极管、正反馈和超外差接收机等等无线电技术如雨后春笋般地出现,为电离层存在性的验证准备了必要的技术条件。到1925年Breit和Tuve设计出一个无线电脉冲发射及接收装置,通过向上空发射无线电脉冲并接收到反射回来的脉冲(Echoes),验证了电离层的存在,同时可通过收发脉冲之间的时间间隔计算电离层的高度。这个装置就是电离层测高仪。

  个人认为Breit和Tuve发明的电离层测高仪其实就是雷达,也就是说雷达是在1925年就被发明了,而不是如同现在流传的是二战前几年由英国人发明的。只不过Breit和Tuve的工作不够“军事”、不够“传奇”、不能体现雷达这个字眼的神秘性罢了。

  上世纪四、五十年代人们发现在海岸担任探测和警戒任务的雷达总是受到来自海面不明原因的“干扰”。1955年,Crombie关注这一现象,进行实验研究,发现“数十米波长的电磁波与海洋表面的相互作用,将产生Bragg绕射现象”。原来那些干扰是波长等于无线电波波长一半、传播方向平行于(接近或远离)雷达发射波束方向的海浪与无线电波“谐振”散射所产生的回波。Crombie的研究揭示了上述“干扰”的物理来源,同时使地波雷达超视距探测海面状态成为可能。

  冷战期间美、苏部署了为数不少的超视距雷达用于探测对方的军事动态,客观上也为科学家研究无线电波与海洋粗糙面相互作用提供了很好的实验条件。1968~1972年,在NOAA工作的D.E.Barrick定量解释了海面对无线电波的一阶散射和二阶散射的形成机制,为高频雷达探测海洋表面状态建立了坚实的理论基础。

500米阵长的海洋探测用高频雷达
【图7】500米阵长的海洋探测用高频雷达(图片来源:CODAR公司培训资料)

  Barrick和美国国家海洋大气局(NOAA)电波传播实验室(EPL)经过十多年理论和实验研究,于1970年代末研制成功用于探测海洋表面状态的CODAR(Coastal Ocean Dynamics Application Radar)系统,并于1983年成立CODAR公司,实现了高频地波雷达的商品化。与军用高频超视距雷达动辄数公里长的天线阵不同,Barrick创造性地运用一组交叉环/单极子天线(三个接收通道)即可获取大面积海流的分布信息。这一技术的确是非常天才式的发明,他的该项成果获得1979年美国商务部的金质奖章。在他的论文中声称这种基本不占地的接收天线的海流探测性能“等同于数百米阵列接收天线的性能”。当然这种“等同”只是在某种意义上的近似等同,从探测理论和信号处理的角度看,在探测精度、空间分辨率和时间分辨率上还是不能跟“数百米阵列天线”的性能相提并论,而且不能提供大面积风场和浪场的探测信息。但是Barrick对高频雷达海洋探测的贡献无论怎么说都是无与伦比的,他的理论奠定了高频雷达海洋探测的基础,他的紧凑式雷达天线技术大大降低了地波雷达购置和安装成本,直接导致了高频地波雷达的规模化推广应用,为海洋学家和沿岸防灾减灾及环境保护提供了新型观测手段。

采用交叉环/单极子接收天线的地波雷达采用交叉环/单极子接收天线的地波雷达
【图8】采用交叉环/单极子接收天线的地波雷达(图片来源:www.codar.com)

  有幸见到过一次Barrick先生,我说您在我们那儿至少是两院院士:关于海面对无线电波散射机制的理论弄个中科院院士,关于紧凑式雷达的工作弄个工程院院士一点问题都没有。不知是我的英语蹩脚老人家听不懂,还是人家老科学家淡泊名利,他只是淡淡一笑,说他觉得他现在挺好的。

与Barrick先生合影
【图9】与Barrick先生一起(拍摄者:文必洋)


三、原理

  无线电波朝海面发射时,在海水表面会存在一种电磁波传播模式,称为地波(Ground Wave)是一种表面波(Surface Wave),因此高频地波雷达也叫做高频表面波雷达(HF Surface Wave Radar)。在中波和短波段海水表面的地波传播衰减很小,而且地波在一定程度上会沿着弯曲的地球表面传播,到达地平线以下很远的地方,即实现超视距传播。因此利用地波超视距传播特性进行探测的高频地波雷达也称为地波超视距雷达(Over-The-Horizon Radar),探测距离根据发射功率和频率的不同通常可达到200~500km。另外两种类型的超视距雷达分别是天波超视距雷达和利用大气波导特征的微波雷达,前者通过电离层对高频无线电波的反射实现对数千公里外目标的探测,后者可以对一两百公里外的目标进行探测。

  地波雷达海况探测的基础类似于晶格对X射线的Bragg散射,如下图所示,从左上方入射的两条射线(相同波源)被原子散射,在特定的观察方向上,如果两条射线的波程差为2的整数倍,那么将会观察到亮条纹;如果波程差比2的整数倍多,那么两射线能量相消,观察到的是暗条纹。

Bragg散射示意图
【图10】Bragg散射示意图

  单列正弦海浪对电磁波的后向散射与此类似,如下图所示,从左上方入射的电磁波被正弦海浪散射,观察方向与入射方向相同,类似于Bragg散射的道理,当L cosΔ = λ / 2时(此时相邻射线的波程差为2),会观察到增强的散射。

单列正弦海浪对电磁波的后向散射
【图11】单列正弦海浪对电磁波的后向散射

  真实的海面不会是如上图所示的简单正弦波列,但是可以用类似于Fourier变换的方式把一个真实的海面分解成为千千万万简单正弦波列成分的叠加,如下图所示,这些正弦波列有不同幅度、周期、初相和传播方向。那么这无数列正弦海浪成分是否都对电磁波产生散射呢?当然都会!但是并非所有的成分都产生相同的贡献,贡献最大的海浪成分还是上图所示的那类正弦波列,即满足L cosΔ = λ / 2并且波矢量方向位于电磁波入射平面内的正弦海浪。对于岸基雷达探测,Δ= 0°,即L = λ / 2,也就是波长等于雷达电波波长一半的海浪会对电波产生最强的后向散射(图13)。

真实海面可看成无数简单正弦波列成分的叠加
【图12】真实海面可看成无数简单正弦波列成分的叠加

岸基地波雷达探测原理示意图
【图13】岸基地波雷达探测原理示意图

  综上所述,虽然海面由无数的波浪组成,但岸基地波雷达主要只对特定的海浪感兴趣:

  1. 波长等于电波波长的一半;

  2. 传播方向要么接近雷达,要么远离雷达。

  海面上满足上述条件的海浪总是存在,因此雷达总可以收到较强的海面回波,这也是前面所说当初人们发现海面上总是存在雷达“干扰”的原因!

  我们知道运动的物体可以对入射波产生多普勒效应,电磁波照射到动态的海面上时,回波也会由于多普勒效应而产生相对于雷达发射频率的偏移。对回波信号进行谱分析就会发现,回波谱峰相对于雷达载频有多普勒频偏,如下图所示,其特点有二:

  1. 同时存在正、负频偏,频谱图上的正、负谱峰称为左、右Bragg峰;

  2. 左、右Bragg峰的频率偏移量基本相同,且主要只与雷达工作频率有关。

OSMAR地波雷达回波谱特征及其与海面动力学参数的对应关系
【图14】OSMAR地波雷达回波谱特征及其与海面动力学参数的对应关系

  导致这两个特点的因素正好与上述产生主要散射的海浪特点相对应:特点1对应上述特征B,特点2对应上述特征A。在理解特点2时需要明白海洋重力波传播的一个基本结论:海面上确定波长的重力波,其传播相速度也是确定的。相速度确定的话,它对电磁波所产生的多普勒频移就是确定的了,也就有了上述特点。

  上面所说的是没有海水流动的情形。由于各类物理、化学过程的作用,海面上总是有海流存在,海流作为海水的整体运动,会在上面所说的由波浪传播相速度所导致的较大固定频移的基础上再附加一个由流速所导致的微小频偏,这个附加频偏对左、右Bragg峰的影响是相同的:远离雷达的流速分量使左、右Bragg峰均向负频率方向偏移,接近雷达的流速分量使它们向正频率方向偏移(参见图13)。地波雷达就是通过测量这个附加频偏从而获知海面海流速度的。当然一部雷达只能测量到海流的径向分量,要获得矢量海流,要么用两部以上的雷达从不同方向探测,要么就需要结合海洋动力学模型进行推算。除了海流信息之外,上图中还标明了海面波浪、风向及风速信息与回波谱特征的对应关系,地波雷达就是通过这些特征的分析反演得到海面动力学参数分布信息的。


四、现状

Ⅰ、目标探测用高频地波雷达

  目标探测是高频地波雷达的主要功能之一,在军用领域高频地波雷达沿着纯军事化的思路以远距离目标预警能力为主要目标,其典型代表是英国的“监督员”系统、俄罗斯的“向日葵”系统和加拿大的SWR-503系统等。特点是宽频带、大发射功率(达数百千瓦)、大接收天线阵(阵长数百米到数公里),单部雷达就具有较强的目标探测能力。该类设备的缺点是系统过于复杂,研制成本高昂,机动性和隐蔽性差,需要较强的保障条件,难以大规模推广部署。

  民用领域高频地波雷达的目标检测功能目前处于研究试验阶段。民用高频地波雷达发射功率低,一般为几十瓦到百瓦级。天线阵列小,阵长一般小于一百米。目标探测距离和方位分辨率目前还无法与军用高频地波雷达相比,目标检测概率和虚警率不能满足实际应用的需求,但随着高分辨率空间谱估计技术的发展,以及抗电离层干扰技术的创新,民用高频地波雷达对于200km以内海面目标的探测与跟踪具有很好的发展前景。

Ⅱ、海洋环境监测用高频地波雷达

  海洋动力学参数(海面风、浪、流)的探测是高频地波雷达的另一种主要用途。高频地波雷达可以以十分钟的时间分辨率连续获取数万平方公里海面的海洋状态参数分布,这是任何其它探测手段无法做到的。目前国际海洋界已普遍接受高频地波雷达能有效探测流场的观点,国内外主要地波雷达的海流探测已达到可用于常规业务化海洋观测的水平。

  另一方面,在海浪、风场参数的探测方面,地波雷达处于研究开发阶段,距离实际应用尚有一定的距离。主要困难在于提取海浪和风场参数所依据的回波信号比较弱(比海面的主要散射回波低20~40dB),容易受噪声和干扰的影响,相应的反演理论和技术也处于研究探索阶段。国内地波雷达测风、浪技术在2008年取得突破。

  民用高频地波雷达主要有两种天线阵列体制:小阵列式和紧凑便携式。前者阵长几十米到数百米,如德国的WERA、英国的OSCR和我国的OSMAR阵列式系统,后者如美国的SeaSonde。两者都可以实现海流的探测,紧凑便携式最大的优点是对阵地的要求低,安装适应性强。阵列式雷达探测精度具有优势,这是由基本的天线探测理论所决定的。从现有的设备上看,阵列式地波雷达才能提供大面积风、浪结果分布,而紧凑式天线系统(如SeaSonde)可提供雷达站周围2公里以内的风、浪信息(整个区域作为一个单点处理),但尚不能提供大面积风、浪参数的分布信息。

Ⅲ、国内高频地波雷达已取得的成就

  国内海况探测用高频地波雷达在国家自然科学基金、八六三计划和其它相关科技计划的支持下迅速发展起来,哈尔滨工业大学、华东师范大学、武汉大学和西安电子科技大学都做出了很好的研究开发工作。在该领域形成了基本完整的自有知识产权体系。目前国内地波雷达已取得以下主要成就:

  1. 哈工大从1980年代初开始开展高频地波雷达的研制工作,在雷达系统、目标探测、抗干扰、雷达天线测试、雷达系统数字化改造等方面进行了长期的工作积累,取得大量经验和成果。


  2. 海态探测用高频地波雷达于八十年代末开始研制,武汉大学在1993年完成高频地波雷达OSMAR的样机并在广西北海进行了海流探测试验,取得成功,华东师范大学在九十年代末研制成一套地波雷达样机,并进行了海浪和流场的探测试验。


  3. 2001年以来,西安电子科技大学也开展了综合脉冲孔径体制高频地波超视距雷达的研究,已建立了实验站,开展相关的试验研究。


  4. 在“九五”、“十五”国家八六三计划的支持下,海洋动力学参数探测用地波雷达在十多年来得到迅速发展,从实验室样机到工程样机直到产品化进程发展很快,到目前已开发出成熟的OSMAR系列高频地波雷达产品,在可靠性方面不低于国外产品,在环境适应性的某些方面优于国外产品。


  5. 分别于2000年10月、2004年4月、2005年8月、2007年8月和2008年8月在东海等地组织进行了对高频地波雷达海洋动力学参数探测能力的五次海上现场对比验证试验,全面验证了国产高频地波雷达流场探测性能,其中2008年8月在福建示范区进行的比测试验证明国产高频地波雷达具备常规业务化运行能力。


  6. 国内已开发出全数字化高频地波雷达系统,从硬件系统的指标和先进性程度来看已居国际海洋探测用地波雷达领域领先水平。


  7. “十一五”国家八六三计划支持的多频率高频地波雷达已研制工程样机,进行了一次海上比测试验。


  8. 近期一系列结果表明,国产地波雷达(如OSMAR071)在风、浪探测方面已取得明显突破。与海上定点浮标长达半年的波高比测结果表明两种测量结果时间序列的相关系数接近0.7,均方根误差优于0.4m。


  9. 采用紧凑式天线的便携式高频地波雷达OSMAR-S研制成功,已投入到实际运行观测之中,填补了国内空白。


  10. 已经开始了地波雷达海流流场数据的海洋应用工作,如国家海洋局第三研究所利用福建示范区OSMAR雷达05-07年的流场结果数据,发现台湾海峡西南部海域表层海流主要由季风导致的顺岸流季节波动和常年存在的、流速约10cm/s的东北向背景流所共同组成。厦门大学近海海洋环境国家重点实验室利用雷达流场结果数据,研究了高流速条件下沙波拖曳系数变化规律,有关沙波减阻和拖曳系数的季节变化现象引起了国际同行的关注。



五、问题

  高频地波雷达应用待突破的关键问题:

  1. 抗干扰尤其是电离层干扰的问题

  2.   地波雷达工作在短波段,而短波段是高频通信、广播和各类大气、天电噪声等比较集中的频段,同时在高频段中低端,电离层干扰是严重影响雷达探测性能的主要干扰。对于以目标探测为主的高频地波雷达,电离层干扰常常会导致一两百公里开外的目标基本无法探测。目前国内外已开展了大量关于抗电离层干扰的研究,由于电离层形态及其变化的复杂性,尚无有效的能适应各种情况的抗电离层干扰技术。

  3. 更精确的风、浪参数反演理论和技术

  4.   虽然国内在地波雷达风、浪探测方面已取得突破,但距离业务化运行的应用要求还有一定的距离。如前所述,地波雷达风、浪反演的主要困难在于提取海浪和风场参数所依据的回波信号容易受噪声和干扰的影响。通过雷达实时选频系统选择干净频率、应用噪声抑制和抗干扰技术可以在一定程度上缓解这一问题。采用多频率雷达探测也是解决该问题的一种手段。

  5. 雷达结果的应用规范问题

  6.   海态探测用高频地波雷达输出的是时间上连续的大面积流场、风场和浪场的分布,时间分辨率一般为十分钟到一个小时,所提供的信息在时间、空间和采样方式所对应的物理含义上与其它测量方式(如浮标、船测、航空测量以及卫星遥感等)存在很大的不同。目前其它测量手段的数据经过多年的应用,都有明确的使用规范和应用标准,而地波雷达这一方面的工作还处于研究探索之中,国内外海洋学家在地波雷达数据质量控制以及将雷达数据与海洋动力学模型进行同化方面已积累了一定的经验,但距离制订明确的应用规范还存在较大距离。

  7. 小型阵列条件下的目标探测问题

  8.   即使在民用领域,地波雷达的目标探测也是一个很值得关注的方向,它对于近岸和港口航运管理、海上遇险施救等都有潜在的应用价值。由于小型阵列的方位分辨率低、民用地波雷达发射功率低以及前述的噪声和干扰(包括海洋回波的干扰)等问题,对目标尤其是小目标和机动目标的检测概率、虚警率、定位和跟踪精度等方面都存在需要克服的一系列问题。

原文作者:吴雄斌
文章首发:科学网