超视距雷达

天波雷达

介绍

超视距雷达，天波雷达（英语：Skywave OTH radar, Skywave Over-the-horizon radar，或称BTH, beyond the horizon），天波 (Skywave)是指从电离层(上层大气的带电层)反射或折射回地球的无线电波的传播，由于它不受地球曲率的限制，天波传播可以用于在洲际距离上超越地平线，它主要使用短波频段，通常为1.6-30MHz兆赫（187.4-10.0m米）。它使雷达系统能够发现非常远的目标，通常长达数千公里。几个OTH雷达系统在20世纪50年代和60年代开始部署，用于部分的早期预警雷达系统，但是这些一般都被空中早期预警雷达系统代替了。随着冷战结束，精确远程追踪的需求不那么重要，因为可用于海上侦察和禁毒执法，较为便宜的地面雷达重新受到关注，于是OTH雷达最近又恢复使用。

技术

无线电波是电磁辐射的一种形式，往往沿直线传播。所以地球的弯曲通常限制了雷达系统对于地平线外物体的探测距离。比如，装在10米（33英尺）桅杆顶部的雷达，考虑进大气折射效应，可以达到13千米（8.1英里）的地平线处。如果目标在地球表面之上，探测距离则会相应增加，所以相同的雷达，可以探测到一个在26km（16mi）远，10米（33英尺）高的目标。一般来说，建立直视距离超过几百公里的雷达系统不切实际。OTH雷达使用多种技术来超地平线探测，使之能够在早期预警雷达中十分有用。

设计OTH雷达的一种方法是使用电离层反射。由于大气的某种情况，向电离层传播的无线电信号会反射回地面。反射出大气后，少量信号会从地面反射回空中，少部分回到播出装置。只有一个频段才经常出现这种情况：高频（HF）或者说3-45MHz的短波部分。某种大气情况下，在此频段的无线电信号会反射回地面。“正确”的使用频率取决于当前大气情况，所以使用电离层反射的雷达系统通常实时监测反向散射信号的接受能力来持续调整发送信号的频率。鉴于每次反射的信号损失，“反向散射”信号非常小，所以，直到20世纪60年代，设计出极低噪音放大器之前，OTH雷达不切实际。

相比于从“目标”反射回的信号，从地面，海洋反射回的信号占大部分，所以需要某些系统将目标从背景噪音中区分出来。最简单的方法是用多普勒效应，此方法采用运动物体产生的频移来测量他们的速度。过滤掉与原发送频率相同的后向散射信号就可以看到移动的物体了。这个基本理念几乎用于所有现代雷达，但是在OTH系统的情况下，由于电离层运动引入相似的效果，它变得较为复杂。

雷达分辨率取决于波束宽度和目标的距离。如，1/2度波束宽度的雷达，120km（75mi）米远的目标会显示成1km（0.62mi）宽。由于OTH雷达的远程使用，通常测得的都是几十公里处的分辨率。这使得反向散射系统对目标交战几乎毫无用处，虽然这种精度已经足够用于早期预警了。实现高频处1/2度的束宽，需要几公里的天线阵列。

历史

早期对有效OTH系统的研究，是在美国海军研究实验室的威廉·J·泰勒博士指导下进行的；这项工作称为（梯皮计划）（泰勒的项目）。第一个实验性系统，MUSIC（Multiple Storage,Integration,and Correlation），在1955年开始运作，且可以用于探测卡纳维拉尔角600英里（970千米）远的火箭发射和1,700英里（2,700千米）内华达的核爆炸。1,700英里（2,700千米）另一个大大改进的系统，运作雷达的试验台，1961年建立在切萨皮克湾，名为MADRE（Magnetic-Drum Radar Equipment）。顾名思义，两个系统都要依靠对比存储在磁鼓（当时唯一的高速存储系统）上的信号。

第一个真正可用的发展是称为Cobra Mist的英美雷达系统。20世纪60年代后期开始建造，Cobra Mist使用巨大的10兆瓦发射器，从萨福克郡的位置可以探测到苏联西部。1972年系统开始测试，然而，突发的噪声源使得它无法使用。最终，1973年弃置这个地点，噪声源还未被确定。

在此期间，苏联也致力于相同的系统，在1971年开始了运作他们的实验系统。不久之后，西方称为Steel Yard的第一个运作性系统，在1976年开始工作。

超视距系统

美国空军

美国空军罗马实验室的AN/FPS-118OTH-B首次成功。1兆瓦发射器和分离的接收器原型安装在缅因州，可提供900到3,300公里，60度扇形的覆盖面。永久发射设施建设在美国莫斯科空军站，接收设施则在哥伦比亚福尔斯空军站，操作中心设在他们之间的班格尔。覆盖面可由额外的接收器延展，提供完整的180度弧（每60度称为一个“扇区”）。通用航空被授予了开发合同，将现有的东海岸系统扩展多两个区，同时在西海岸另建一个三扇区系统，阿拉斯加一个两扇区系统，和一个面向南方的一扇区系统。1992年，空军承包东海岸三扇区覆盖面顺时针方向的扩展，使之能够覆盖美国的东南边界。此外，范围扩大到3,000英里（4,800千米），穿过赤道。每周随机工作40小时。雷达数据传给迈阿密美国海关/海岸警卫队C3I中心；基韦斯特联合特遣队4号指挥中心；基韦斯特美国南方司令部指挥中心；和巴拿马美国南方司令部指挥中心。

随着冷战结束，缅因州的两位议员的影响力不足以维持运作，阿拉斯加和南向地点也被取消。

到2002年，西海岸设施被降级到“冷藏”状态，意味着管理者只提供最小限度的维护。拆除设施可行性研究开始。经过一段时间的公共投入和环境研究，2005年7月，美国空军空战司令部发表了“西海岸设施-超视距回波雷达设备拆除的最终环境评估”。

最终决定拆除俄勒冈州圣诞谷外的西海岸发射器地址内的所有雷达设备，和拆除加州Tulelake附近的接收器。2007年7月，工作完成，天线阵列被拆除，两处的建筑，围栏，和基础设施原封不动。

美国海军

美国海军也制作了自己的雷达系统,AN/TPS-71ROTHR(可重定位超视距雷达)，可覆盖64度角的楔形区域，距离500-1,600海里（925-3,000公里）。ROTHR最初用于记录太平洋上船只和飞机的运动，也使协调舰队运动在交战时处于有利地位。ROTHR系统原型安装在阿拉斯加阿留申群岛的安奇卡岛上，监视俄罗斯东海岸，1991年用到1993年。设备后来拆除保管。首次生产的系统安装在弗吉尼亚试验场用于接收测试，但是后来转用作反非法毒品交易，覆盖中美洲和加勒比地区。第二次生产的ROTHR设立在德克萨斯，在加勒比地区重复覆盖了一大部分，但也提供了太平洋和南至哥伦比亚的覆盖。也作用于反毒品交易。第三，也是最后生产的系统，安装在波多黎各，使缉毒监控的拓展穿过赤道，深入南美。

苏联/俄罗斯

苏联早在20世纪50年代也开始了OTH系统研究。他们的第一个实验模型是建设在1949年的维亚尔（扇子）。下一个正式的项目是杜加-2，建立在尼古拉耶夫外（在靠近敖德萨处的黑海海岸）。指向东端，1971年11月7日，杜加-2首次启动，并成功用于追踪从远东和太平洋发射到新地岛实验场的导弹。

接下来的第一个运作系统，西方称为“Steel Yard”，1976开始发出信号。建立在戈梅利，靠近切尔诺贝利，它指向北端，覆盖了美国本土。短波频段中部的大声重复的脉冲使它被业余无线电爱好者（ham）称为俄罗斯啄木鸟。最终，主要因为他干扰了商用飞机使用的特定远程空对地通信，苏联改变了所使用的频率，甚至并不承认他们是声源。第二个系统建在西伯利亚，同时覆盖了美国本土和阿拉斯加。

沃罗涅日-DM雷达：雷达的峰值功率达625千瓦，它拥有相控阵雷达、大型计算机组、信号分析处理设备及配套设备仪器，可通过更换相应的设备模块迅速完成日常维修和系统升级，时刻保持最先进的技术性能。2006年在列宁格勒州列赫图西村投入试验性作战值班，探测距离达6000公里。

澳大利亚

最近增加的是澳大利亚国防部在1998年开发，2000年完成的金达利作战雷达网。由澳大利亚皇家空军一号雷达监视部队操作。金达利是一个使用了OTH-B（超视距后向散射雷达）的多元静态雷达（多接收器）系统，使它兼具远程探测和反隐形的能力。官方的距离是3,000千米（1,900英里），但在1997年的原型就可以探测远在5,500千米（3,400英里）由中国发射的导弹。

由于改进的电子和信号处理，相比于美国的OTH-B的1兆瓦功率，金达利功率仅560千瓦，但却比美国20世纪80年代的系统提供更远的距离。

法国

法国在20世纪90年代也开发出了名叫诺斯特拉德马斯的OTH雷达（代表New Transhorizon Decametric System Applying Studio Methods）。2005年开始服务于法国军队，但是仍在开发。它基于星形的发射接受（单站）天线场，可用于探测360度，超过一千米高的飞机。使用的频率范围是6到30MHz。

代替OTH的方法

另一个常见的超视距雷达，是使用面波，也叫地波。地波是，低于1.6MHz的中波调幅广播和其他更低频的传送，的传播方式。沿地面传播距离增加时候，地波信号急速衰减，广播站距离也有限。但是海水，带有高传导性，可支持地波传到100公里或以上。这种地波OTH雷达用于监视，操作范围通常在4到20MHz之间。较低的频率获得更好的传播效果，但是从小物体反射回来的也少，所以根据被探测目标的类型，来决定最适频率。

OTH雷达的另一个完全不同的方式是用更低频率的爬波或者电磁面波。爬波是由于衍射而到物体背部的散射，这就是为什么两只耳朵能听到头一侧声音的原因，也是如何完成早期无线电通信和广播的原因。在雷达方面，尽管处理返回信号相当困难，但是爬波问题所在是围绕地球本身的衍射。这类系统的发展，由于快速增长的处理能力，变得可行。这种系统称为OTH-SW，SW表示面波。

第一个部署的OTH-SW系统为苏联放置，用于监测日本海交通，近期加拿大则使用了一个新型系统用于海岸监测。澳大利亚同样部署了高频面波雷达。

分类

超视距雷达按电磁波传播方式不同，可分为天波超视距雷达和地波超视距雷达两类。前者利用电离层折射，后者利用地球表面绕射。

天波超视距雷达又可分为前向散射和后向散射两种类型。天波前向散射雷达的发射站和接收站相距数千千米，利用目标对电离层的扰动来探测目标，必须多站配置才能求得目标距离，现已极少采用。天波后向散射雷达和地波超视距雷达的发射站及接收站均位于邻近地点，利用目标后向散射原理探测目标，可提供目标方位、距离和径向速度。天波后向散射雷达能探测地面距离为900～3500千米的低空目标。地波超视距雷达必须架设在海岸边，以减小传播损耗，对飞机的作用距离可达200～400千米。

超视距雷达一般采用方位电扫±30°的相控阵天线，用单脉冲比幅法测角，用多普勒信号处理技术完成动目标检测。天波后向散射雷达是低空防御系统中一种有效的预警手段，是超视距雷达发展的重点。超视距雷达还能进行海洋状态的遥测及空中交通管制。

优点

超视距雷达的主要优点是能克服地球曲率的限制，探测地平线以下的目标。天波超视距雷达的作用距离为1000～4000公里。地波超视距雷达的作用距离较短，但它能监视天波超视距雷达不能覆盖的区域。超视距雷达的工作波长接近或大于目标尺寸，因此它的目标散射截面比微波雷达大1～2个数量级。超视距雷达在使用上也存在不少问题，例如只能探测电离层以下即300～400公里以下的目标；只能获得目标的方位和距离信息，很难获得仰角信息；测量精度低、分辨率差；电波通道不稳定，干扰因素多，气候变化、北极光和太阳黑子直接影响天波超视距雷达的性能，甚至使它不能正常工作；在中波、短波波段,频谱拥挤,带宽窄，互相干扰严重。此外，超视距雷达系统庞大，雷达站内还配建诸如电离层监测站和气象站等支援设施。为了提高超视距雷达的效能，需要进一步增强系统对环境的自适应能力和抗干扰能力。

应用

超视距雷达主要用于早期预警和战术警戒，是对地地导弹（特别是低弹道的洲际导弹和潜地导弹）、部分轨道武器（包括低轨道卫星）和战略轰炸机的早期预警手段。它能在导弹发射后1分钟发现目标，3分钟提供预警信息，预警时间可长达30分钟。超视距雷达在警戒低空入侵的飞机、巡航导弹和海面舰艇时,可以在200～400公里的距离内发现目标。与微波雷达相比,超视距雷达对飞机目标的预警时间约可增加10倍；对舰艇目标的预警时间可增加30～50倍。它还能探测4000公里以内的核爆炸，通过测量电离层的扰动情况估计核爆炸的当量和高度。

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