二次雷達(dá)作用距離及影響因素分析.doc

二次雷達(dá)覆蓋范圍及影響因素分析民航吉林空管分局 梁志國 嚴(yán)浩 文敏 馬純清1 引言航管二次雷達(dá)對保證民航飛機(jī)安全飛行、航班正常、提高空中交通管制效率具有重要的作用。二次雷達(dá)覆蓋范圍是一項(xiàng)重要指標(biāo)，這涉及到雷達(dá)設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)(如雷達(dá)天線增益、發(fā)射機(jī)發(fā)射功率、接收機(jī)帶寬、接收機(jī)噪聲系數(shù)等指標(biāo))的確定、準(zhǔn)確合理的選址、規(guī)劃和布局。影響雷達(dá)實(shí)際作用距離的外界因素是非常復(fù)雜的，雷達(dá)的探測性能要受到雷達(dá)站選址和氣候等多種因素的影響。本文系統(tǒng)的研究了二次雷達(dá)輻射信號作用距離以及影響因素、空域覆蓋問題。2 理想條件下二次雷達(dá)覆蓋范圍分析二次雷達(dá)覆蓋范圍由二次雷達(dá)的作用距離決定。二次雷達(dá)探測飛機(jī)需要詢問信號能夠有效的到達(dá)飛機(jī)應(yīng)答機(jī)天線，飛機(jī)的應(yīng)答信號能夠有效的到達(dá)雷達(dá)天線。詢問距離要想達(dá)到最大，條件就是詢問信號到達(dá)飛機(jī)時(shí)的功率剛剛好等于飛機(jī)應(yīng)答機(jī)最小可檢測信號。詢問信號作用距離的公式為，其中，為詢問信號波長，這里為0.291m，為詢問信號功率，典型值為2000瓦，為詢問信號增益，典型值為27dB，即天線增益為501，為應(yīng)答機(jī)天線的接收增益，因?yàn)閼?yīng)答機(jī)天線為全向天線，所以天線增益為1，為應(yīng)答機(jī)的靈敏度，即最小可檢測信號，典型值為-71dBm，即79.410-12w。經(jīng)計(jì)算可以得到詢問信號的最大作用距離為2600km。應(yīng)答信號到達(dá)雷達(dá)的距離達(dá)到最大的條件是應(yīng)答信號到達(dá)雷達(dá)天線的功率剛剛好等于二次雷達(dá)最小可檢測信號，應(yīng)答信號作用距離的公式為，為應(yīng)答信號波長，0.275m，為應(yīng)答信號功率，典型值為251W,24dBW，為雷達(dá)接收增益，27dB，為應(yīng)答頻率應(yīng)答機(jī)天線增益，為二次雷達(dá)最小可檢測功率，典型值為-85dBm，即3.1610-12。計(jì)算可以得到應(yīng)答信號的最遠(yuǎn)作用距離為4365km。另一方面雷達(dá)的探測距離還要受地平線對飛機(jī)屏蔽的限制。雷達(dá)的電磁波基本是按直線傳播的，距離較遠(yuǎn)的飛機(jī)，由于地球表面的彎曲不能被發(fā)現(xiàn)。雷達(dá)在地平線上的最大探測距離成為雷達(dá)的視距，視距有一個(gè)公式，為雷達(dá)站的高度，為飛機(jī)飛行的高度。假設(shè)雷達(dá)站假設(shè)高度為20m，飛機(jī)飛行高度為10000m，可以得出結(jié)論雷達(dá)視距為430km。從430km這個(gè)數(shù)值可以看出，雷達(dá)的測距探測范圍大于450km的限制主要是在視距。因?yàn)槊窈斤w機(jī)基本在12000米以下飛行，所以在遠(yuǎn)距離處飛行的飛機(jī)可能不在雷達(dá)輻射覆蓋范圍內(nèi)，導(dǎo)致雷達(dá)無法探測到遠(yuǎn)距離處的飛機(jī)。3 影響二次雷達(dá)覆蓋范圍的因素第2節(jié)的二次雷達(dá)作用距離分析是在理想條件下計(jì)算的，這包括在雷達(dá)天線與目標(biāo)的直線距離上沒有任何障礙物，到達(dá)目標(biāo)只有直射電磁波的能量，空間內(nèi)的大氣處處均勻、性質(zhì)也相同，空間內(nèi)的大氣不吸收電磁波的能量。但是在實(shí)際的電磁環(huán)境中二次雷達(dá)覆蓋范圍會(huì)有以下四個(gè)方面的影響：天氣因素的影響，地面反射的影響，有源干擾的影響，無源干擾的影響。3.1 天氣因素對于二次雷達(dá)覆蓋范圍的影響電磁波傳輸?shù)膶?shí)際介質(zhì)是大氣層，且大氣是在不斷變化的，這種變化對微波的傳輸會(huì)產(chǎn)生影響，特別是距地面約10000米以下的對流層的底層大氣層對微波的傳輸影響最大。在對流層中，大氣成分、壓強(qiáng)、溫度、濕度會(huì)隨著高度的變化而變化，會(huì)使得微波產(chǎn)生吸收、反射、折射和散射等影響，并且天氣是變幻莫測的，電波在往返大氣層的時(shí)候，可能會(huì)受到大氣、云、霧、雪、降雨等不同氣象因子的影響，使之有所損耗。但是從整體來看，天氣因素對于二次雷達(dá)作用距離有一定的影響，但是影響較小，這是因?yàn)槎卫走_(dá)使用的發(fā)射和接收頻率較低。雨對于電磁波有較大的衰減，電磁波從雨中穿過會(huì)被吸收一部分；雨滴中的感應(yīng)電流的二次輻射能減小電波傳播方向上的功率密度。雨的衰減大小與降雨量、雨頂高度、電波頻率、溫度、電磁波的極化有關(guān)。霧是由直徑為0.01-0.02厘米的水珠。由于直徑小其對電磁波的散射衰減小，主要是吸收衰減。衰減量與霧的濃度、吸收系數(shù)、折射率、波長、水密度等參數(shù)有關(guān)。云中的水蒸氣粒子最大直徑一般在50-100um，大小較微波雷達(dá)的波長小的多，所以其對電磁波的散射遠(yuǎn)小于吸收。吸收系數(shù)與電磁波的波長、溫度、云的含水量、云的種類、分布范圍和高度等等有關(guān)。沙塵的形狀具有復(fù)雜的多樣性，尺寸分布在幾十到幾百微米，沙的直徑分布呈指數(shù)模式，其直徑分布的均值和方差依據(jù)地理環(huán)境和沙塵成因不同而不同，一般沙塵分為自然沙塵、爆炸沙塵和車揚(yáng)沙塵。沙塵對電磁波的主要影響是通過與空氣中的水分結(jié)合，形成一定的介電常數(shù)，對電磁波進(jìn)行衰減。3.2 反射對于二次雷達(dá)覆蓋范圍的影響當(dāng)詢問機(jī)詢問或應(yīng)答機(jī)回答時(shí)所發(fā)射的電磁波，碰到山峰或高大建筑物等固定目標(biāo)而反射時(shí)，將會(huì)造成距離和方位都不正確的假目標(biāo)的顯示。反射是目前困擾二次監(jiān)視雷達(dá)探測性能的主要因素。反射造成的影響非常大，包括解碼錯(cuò)誤、定向誤差、垂直波束分裂、旁瓣穿透、幻影飛機(jī)等等。對于反射問題，在二次雷達(dá)建設(shè)選址期間就需要有相關(guān)的規(guī)劃，需要按照規(guī)范選擇較高的地形，避開反射物。同時(shí)二次雷達(dá)采用一些技術(shù)處理，可以減弱反射對于雷達(dá)覆蓋的影響，這包括詢問旁瓣抑制(ISLS)、接收旁瓣抑制(RSLS)、可編程靈敏度控制(STC)、功率程序控制(PPC)、異步干擾抑制(Defruit)、單脈沖測角技術(shù)、應(yīng)答和點(diǎn)跡相關(guān)處理等技術(shù)。3.3有源干擾對于二次雷達(dá)覆蓋范圍的影響有源干擾分為人為的和偶然的(即有人故意做的或則來至其他電氣設(shè)備或機(jī)器的)，干擾信號進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)又分為從天線主瓣進(jìn)入和從天線旁瓣進(jìn)入。有源干擾能夠?qū)Χ卫走_(dá)詢問和應(yīng)答過程造成干擾，從而影響雷達(dá)的覆蓋。如圖1所示為有源干擾的示例圖。圖中有源連續(xù)波干擾對于飛機(jī)應(yīng)答機(jī)的應(yīng)答信號有干擾，導(dǎo)致二次雷達(dá)接收到大量的虛假應(yīng)答，雷達(dá)接收機(jī)飽和，無法正確解出正確應(yīng)答。在180度到210度之間的應(yīng)答輸出全部被假應(yīng)答覆蓋，在這一扇區(qū)雷達(dá)失去作用能力。圖1 有源干擾示例圖3.4 無源雜波對于二次雷達(dá)覆蓋范圍的影響從整體來看，由于二次雷達(dá)的工作原理與一次雷達(dá)不同，即二次雷達(dá)通過兩次有源輻射來探測目標(biāo)，且發(fā)射過程和接收過程使用的電磁波頻率不同，無源雜波對于二次雷達(dá)的影響很小。這里只做簡要介紹。無源雜波分為面雜波和體雜波。面雜波是由不規(guī)則表面引起的，如崎嶇的地形。體雜波是由空間分布的散射體引起的，如雨、箔條干擾物。面雜波和體雜波的幅度隨距離的變化規(guī)律不同，從而導(dǎo)致不同的二次雷達(dá)距離方程。4 結(jié)束語 本文初步的對二次雷達(dá)覆蓋范圍做了分析，包括理想條件下二次雷