高頻地波雷達

高頻地波雷達利用短波（3～30MHz）在導電海洋表面繞射傳播衰減小的特點，採用垂直極化天線輻射電波，能超視距探測海平面視線以下出現的艦船、飛機、冰山和導彈等運動目標，作用距離可達300km以上。同時，高頻地波雷達利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制，可以從雷達回波中提取風場、浪場、流場等海況信息，實現對海洋環境大範圍、高精度和全天候的實時監測。

在軍事應用領域，地波超視距雷達的工作波長和電波傳播特性決定其具有獨特的性能優勢（相對於微波雷達而言）：

（1）作用距離遠（300～400km）；

（2）反隱身能力；

（3）抗低空突防；

（4）抗反輻射導彈

在海洋環境監測領域，地波超視距雷達具有覆蓋範圍大、全天候、實時性好、功能多、性價比高等特點，在氣象預報、防災減災、航運、漁業、污染監測、資源開發、海上救援、海洋工程、海洋科學研究等方面有廣泛的應用前景。

雷達的前身是電離層測高儀。上個世紀初為了解釋Maconi成功實現跨越大西洋的無線電通信，Kennelly和Heaviside提出在地球大氣層中存在一個導電層——1902年Kennelly猜測無線電波在大約80 km的高空經一傳導層反射，同年“聰明、憤世嫉俗、自學成才的數學家和工程師”Oliver Heaviside在為大不列顛百科全書撰寫的一篇文章中也獨立提出類似的思想。我們當然知道那就是電離層，當時科學家和工程師把那叫做“Kennelly-Heaviside層”，但那個層是否存在還眾説紛紜。隨後二極管、三極管、正反饋和超外差接收機等等無線電技術如雨後春筍般地出現，為電離層存在性的驗證準備了必要的技術條件。到1925年Breit和Tuve設計出一個無線電脈衝發射及接收裝置，通過向上空發射無線電脈衝並接收到反射回來的脈衝(Echoes)，驗證了電離層的存在，同時可通過收發脈衝之間的時間間隔計算電離層的高度。這個裝置就是電離層測高儀。

個人認為Breit和Tuve發明的電離層測高儀其實就是雷達，也就是説雷達是在1925年就被髮明瞭，而不是如同流傳的是二戰前幾年由英國人發明的。只不過Breit和Tuve的工作不夠“軍事”、不夠“傳奇”、不能體現雷達這個字眼的神秘性罷了。

上世紀四、五十年代人們發現在海岸擔任探測和警戒任務的雷達總是受到來自海面不明原因的“干擾”。1955年，Crombie關注這一現象，進行實驗研究，發現“數十米波長的電磁波與海洋表面的相互作用，將產生Bragg繞射現象”。原來那些干擾是波長等於無線電波波長一半、傳播方向平行於（接近或遠離）雷達發射波束方向的海浪與無線電波“諧振”散射所產生的回波。Crombie的研究揭示了上述“干擾”的物理來源，同時使地波雷達超視距探測海面狀態成為可能。

冷戰期間美、蘇部署了為數不少的超視距雷達用於探測對方的軍事動態，客觀上也為科學家研究無線電波與海洋粗糙面相互作用提供了很好的實驗條件。

1968～1972年，在NOAA工作的D.E.Barrick定量解釋了海面對無線電波的一階散射和二階散射的形成機制，為高頻雷達探測海洋表面狀態建立了堅實的理論基礎。Barrick和美國國家海洋大氣局（NOAA）電波傳播實驗室（EPL）經過十多年理論和實驗研究，於1970年代末研製成功用於探測海洋表面狀態的CODAR(Coastal Ocean Dynamics Application Radar)系統，並於1983年成立CODAR公司，實現了高頻地波雷達的商品化。與軍用高頻超視距雷達動輒數公里長的天線陣不同，Barrick創造性地運用一組交叉環/單極子天線（三個接收通道）即可獲取大面積海流的分佈信息。這一技術的確是非常天才式的發明，他的該項成果獲得1979年美國商務部的金質獎章。在他的論文中聲稱這種基本不佔地的接收天線的海流探測性能“等同於數百米陣列接收天線的性能”。當然這種“等同”只是在某種意義上的近似等同，從探測理論和信號處理的角度看，在探測精度、空間分辨率和時間分辨率上還是不能跟“數百米陣列天線”的性能相提並論，而且不能提供大面積風場和浪場的探測信息。但是Barrick對高頻雷達海洋探測的貢獻無論怎麼説都是無與倫比的，他的理論奠定了高頻雷達海洋探測的基礎，他的緊湊式雷達天線技術大大降低了地波雷達購置和安裝成本，直接導致了高頻地波雷達的規模化推廣應用，為海洋學家和沿岸防災減災及環境保護提供了新型觀測手段。

無線電波朝海面發射時，在海水錶面會存在一種電磁波傳播模式，稱為地波(Ground Wave)是一種表面波(Surface Wave)，因此高頻地波雷達也叫做高頻表面波雷達(HF Surface Wave Radar)。在中波和短波段海水錶面的地波傳播衰減很小，而且地波在一定程度上會沿着彎曲的地球表面傳播，到達地平線以下很遠的地方，即實現超視距傳播。因此利用地波超視距傳播特性進行探測的高頻地波雷達也稱為地波超視距雷達(Over-The-Horizon Radar)，探測距離根據發射功率和頻率的不同通常可達到200～500km。另外兩種類型的超視距雷達分別是天波超視距雷達和利用大氣波導特徵的微波雷達，前者通過電離層對高頻無線電波的反射實現對數千公里外目標的探測，後者可以對一兩百公里外的目標進行探測。

地波雷達海況探測的基礎類似於晶格對X射線的Bragg散射，如圖1所示，從左上方入射的兩條射線（相同波源）被原子散射，在特定的觀察方向上，如果兩條射線的波程差為2的整數倍，那麼將會觀察到亮條紋；如果波程差比2的整數倍多，那麼兩射線能量相消，觀察到的是暗條紋。

真實的海面不會是簡單正弦波列，但是可以用類似於Fourier變換的方式把一個真實的海面分解成為千千萬萬簡單正弦波列成分的疊加，這些正弦波列有不同幅度、週期、初相和傳播方向。那麼這無數列正弦海浪成分是否都對電磁波產生散射呢？當然都會！但是並非所有的成分都產生相同的貢獻，貢獻最大的海浪成分還是圖2所示的那類正弦波列，即滿足

,並且波矢量方向位於電磁波入射平面內的正弦海浪。對於岸基雷達探測， = 0?，即L = / 2，也就是波長等於雷達電波波長一半的海浪會對電波產生最強的後向散射（圖2）。

綜上所述，雖然海面由無數的波浪組成，但岸基地波雷達主要只對特定的海浪感興趣：

A. 波長等於電波波長的一半；

B. 傳播方向要麼接近雷達，要麼遠離雷達。

海面上滿足上述條件的海浪總是存在，因此雷達總可以收到較強的海面回波，這也是前面所説當初人們發現海面上總是存在雷達“干擾”的原因！

我們知道運動的物體可以對入射波產生多普勒效應，電磁波照射到動態的海面上時，回波也會由於多普勒效應而產生相對於雷達發射頻率的偏移。對回波信號進行譜分析就會發現，回波譜峯相對於雷達載頻有多普勒頻偏，其特點有二：

1. 同時存在正、負頻偏，頻譜圖上的正、負譜峯稱為左、右Bragg峯；

2. 左、右Bragg峯的頻率偏移量基本相同，且主要只與雷達工作頻率有關。

導致這兩個特點的因素正好與上述產生主要散射的海浪特點相對應：特點1對應上述特徵B，特點2對應上述特徵A。在理解特點2時需要明白海洋重力波傳播的一個基本結論：海面上確定波長的重力波，其傳播相速度也是確定的。相速度確定的話，它對電磁波所產生的多普勒頻移就是確定的了，也就有了上述特點。

上面所説的是沒有海水流動的情形。由於各類物理、化學過程的作用，海面上總是有海流存在，海流作為海水的整體運動，會在上面所説的由波浪傳播相速度所導致的較大固定頻移的基礎上再附加一個由流速所導致的微小頻偏，這個附加頻偏對左、右Bragg峯的影響是相同的：遠離雷達的流速分量使左、右Bragg峯均向負頻率方向偏移，接近雷達的流速分量使它們向正頻率方向偏移。

地波雷達就是通過測量這個附加頻偏從而獲知海面海流速度的。當然一部雷達只能測量到海流的徑向分量，要獲得矢量海流，要麼用兩部以上的雷達從不同方向探測，要麼就需要結合海洋動力學模型進行推算。

目標探測用高頻地波雷達

目標探測是高頻地波雷達的主要功能之一，在軍用領域高頻地波雷達沿着純軍事化的思路以遠距離目標預警能力為主要目標，其典型代表是英國的“監督員”系統、俄羅斯的“向日葵”系統和加拿大的SWR-503系統等。特點是寬頻帶、大發射功率（達數百千瓦）、大接收天線陣（陣長數百米到數公里），單部雷達就具有較強的目標探測能力。該類設備的缺點是系統過於複雜，研製成本高昂，機動性和隱蔽性差，需要較強的保障條件，難以大規模推广部署。

民用領域高頻地波雷達的目標檢測功能處於研究試驗階段。民用高頻地波雷達發射功率低，一般為幾十瓦到百瓦級。天線陣列小，陣長一般小於一百米。目標探測距離和方位分辨率還無法與軍用高頻地波雷達相比，目標檢測概率和虛警率不能滿足實際應用的需求，但隨着高分辨率空間譜估計技術的發展，以及抗電離層干擾技術的創新，民用高頻地波雷達對於200km以內海面目標的探測與跟蹤具有很好的發展前景。

海洋環境監測用高頻地波雷達

海洋動力學參數（海面風、浪、流）的探測是高頻地波雷達的另一種主要用途。高頻地波雷達可以以十分鐘的時間分辨率連續獲取數萬平方公里海面的海洋狀態參數分佈，這是任何其它探測手段無法做到的。國際海洋界已普遍接受高頻地波雷達能有效探測流場的觀點，國內外主要地波雷達的海流探測已達到可用於常規業務化海洋觀測的水平。

另一方面，在海浪、風場參數的探測方面，地波雷達處於研究開發階段，距離實際應用尚有一定的距離。主要困難在於提取海浪和風場參數所依據的回波信號比較弱（比海面的主要散射回波低20～40dB），容易受噪聲和干擾的影響，相應的反演理論和技術也處於研究探索階段。國內地波雷達測風、浪技術在2008年取得突破。

民用高頻地波雷達主要有兩種天線陣列體制：小陣列式和緊湊便攜式。前者陣長几十米到數百米，如德國的WERA、英國的OSCR和我國的OSMAR陣列式系統，後者如美國的SeaSonde。兩者都可以實現海流的探測，緊湊便攜式最大的優點是對陣地的要求低，安裝適應性強。陣列式雷達探測精度具有優勢，這是由基本的天線探測理論所決定的。從現有的設備上看，陣列式地波雷達才能提供大面積風、浪結果分佈，而緊湊式天線系統（如SeaSonde）可提供雷達站周圍2公里以內的風、浪信息（整個區域作為一個單點處理），但尚不能提供大面積風、浪參數的分佈信息。

國內高頻地波雷達已取得的成就

國內海況探測用高頻地波雷達在國家自然科學基金、八六三計劃和其它相關科技計劃的支持下迅速發展起來，哈爾濱工業大學、華東師範大學、武漢大學、西安電子科技大學和湖北中南鵬力海洋探測系統工程有限公司都做出了很好的研究開發工作。在該領域形成了基本完整的自有知識產權體系。國內地波雷達已取得以下主要成就：

(1)最早由哈爾濱工業大學於1980年代初開始開展高頻地波雷達的研製工作，並且在哈爾濱工業大學威海校區建設有高頻地波雷達站用於測試實驗，在雷達系統、目標探測、抗干擾、雷達天線測試、雷達系統數字化改造等方面進行了長期的工作積累，取得大量經驗和成果。

(2)海態探測用高頻地波雷達於八十年代末開始研製，武漢大學在1993年完成高頻地波雷達OSMAR的樣機並在廣西北海進行了海流探測試驗，取得成功，華東師範大學在九十年代末研製成一套地波雷達樣機，並進行了海浪和流場的探測試驗。

(3)2001年以來，西安電子科技大學也開展了綜合脈衝孔徑體制高頻地波超視距雷達的研究，已建立了實驗站，開展相關的試驗研究。

(4)在“九五”、“十五”國家八六三計劃的支持下，海洋動力學參數探測用地波雷達在十多年來得到迅速發展，從實驗室樣機到工程樣機直到產品化進程發展很快，已開發出成熟的OSMAR系列高頻地波雷達產品，在可靠性方面不低於國外產品，在環境適應性的某些方面優於國外產品。

(5)分別於2000年10月、2004年4月、2005年8月、2007年8月和2008年8月在東海等地組織進行了對高頻地波雷達海洋動力學參數探測能力的五次海上現場對比驗證試驗，全面驗證了國產高頻地波雷達流場探測性能，其中2008年8月在福建示範區進行的比測試驗證明國產高頻地波雷達具備常規業務化運行能力。

(6)國內已開發出全數字化高頻地波雷達系統，從硬件系統的指標和先進性程度來看已居國際海洋探測用地波雷達領域領先水平。

(7)“十一五”國家八六三計劃支持的多頻率高頻地波雷達已研製工程樣機，進行了一次海上比測試驗。

(8)近期一系列結果表明，國產地波雷達（如OSMAR071）在風、浪探測方面已取得明顯突破。與海上定點浮標長達半年的波高比測結果表明兩種測量結果時間序列的相關係數接近0.7，均方根誤差優於0.4m.

(9)採用緊湊式天線的便攜式高頻地波雷達OSMAR-S研製成功，已投入到實際運行觀測之中，填補了國內空白。

(10) 已經開始了地波雷達海流流場數據的海洋應用工作，如國家海洋局第三研究所利用福建示範區OSMAR雷達05-07年的流場結果數據，發現台灣海峽西南部海域表層海流主要由季風導致的順岸流季節波動和常年存在的、流速約10cm/s的東北向背景流所共同組成。廈門大學近海海洋環境國家重點實驗室利用雷達流場結果數據，研究了高流速條件下沙波拖曳係數變化規律，有關沙波減阻和拖曳係數的季節變化現象引起了國際同行的關注。

抗干擾問題

地波雷達工作在短波段，而短波段是高頻通信、廣播和各類大氣、天電噪聲等比較集中的頻段，同時在高頻段中低端，電離層干擾是嚴重影響雷達探測性能的主要干擾。對於以目標探測為主的高頻地波雷達，電離層干擾常常會導致一兩百公里開外的目標基本無法探測。國內外已開展了大量關於抗電離層干擾的研究，由於電離層形態及其變化的複雜性，尚無有效的能適應各種情況的抗電離層干擾技術。

更精確的風、浪參數反演理論和技術

雖然國內在地波雷達風、浪探測方面已取得突破，但距離業務化運行的應用要求還有一定的距離。如前所述，地波雷達風、浪反演的主要困難在於提取海浪和風場參數所依據的回波信號容易受噪聲和干擾的影響。通過雷達實時選頻系統選擇乾淨頻率、應用噪聲抑制和抗干擾技術可以在一定程度上緩解這一問題。採用多頻率雷達探測也是解決該問題的一種手段。

雷達結果的應用規範問題

海態探測用高頻地波雷達輸出的是時間上連續的大面積流場、風場和浪場的分佈，時間分辨率一般為十分鐘到一個小時，所提供的信息在時間、空間和採樣方式所對應的物理含義上與其它測量方式（如浮標、船測、航空測量以及衞星遙感等）存在很大的不同。其它測量手段的數據經過多年的應用，都有明確的使用規範和應用標準，而地波雷達這一方面的工作還處於研究探索之中，國內外海洋學家在地波雷達數據質量控制以及將雷達數據與海洋動力學模型進行同化方面已積累了一定的經驗，但距離制訂明確的應用規範還存在較大距離。

小型陣列條件下的目標探測問題

即使在民用領域，地波雷達的目標探測也是一個很值得關注的方向，它對於近岸和港口航運管理、海上遇險施救等都有潛在的應用價值。由於小型陣列的方位分辨率低、民用地波雷達發射功率低以及前述的噪聲和干擾（包括海洋回波的干擾）等問題，對目標尤其是小目標和機動目標的檢測概率、虛警率、定位和跟蹤精度等方面都存在需要克服的一系列問題。