高火涛 周 林 赵华侨 张华君 史 劼 张小林

(武汉大学电子信息学院，湖北 武汉 430072)

引 言

高频地波海态探测雷达工作在电磁波谱的短波波段，利用它不仅能够实现对海面舰船、海冰、低飞导弹和飞机等移动目标的超视距探测，探测距离甚至可达300 km以上，还能利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机理，从雷达回波中获取海面风、浪、流等环境动力学参数，实现对海面进行大范围、高精度、全天候和低成本的实时监测，是一种能实现对专属经济区(Exclusive Economic Zone,EEZ)进行有效监测的高科技设备[1-3].

高频地波雷达研究始于上世纪60年代初[4].1972年，Barrick在美国国家海洋大气局(The National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA工作期间即开始从事高频地波雷达海洋环境动力参数探测技术研究，并于1977年公布了他们的海岸海洋动力学应用雷达(Coastal Ocean Dynamics Application Radar,CODAR)产品[4].目前国际上除美国外，加拿大、德国、英国、日本、俄罗斯、法国、澳大利亚和新加坡等国均在进行高频地波雷达的研究，并且实施了多年的对比验证试验和应用示范.中国从20世纪80年代初至今，哈尔滨工业大学(简称哈工大)、武汉大学(简称武大)、华东师范大学和西安电子科技大学(简称西电)等单位相继开展了高频地波雷达的研究，研究成果甚至实现了产业化.高频地波雷达尽管品种繁多.但一般都由发射天线、接收天线、发射机、接收机、信息处理机等设备组成.其中，发射机、接收机和信息处理系统等设备大同小异，系统差别主要表现在收发天线系统形式上，而且还处于发展之中.高频地波雷达尽管技术上有很大的发展，但仍然存在着不少问题值得进一步研究，其中之一就是雷达天线问题，它不仅直接关系到系统的成本，也影响着系统的整体性能，甚至制约着系统的推广应用.基于此，文章在详细介绍和总结国内外高频地波雷达天线40多年发展基础上，系统分析了高频地波雷达天线设计应考虑的若干实际和关键性问题，基于某高频地波雷达系统设计要求，提出并设计了一套新的高频地波雷达天线方案.

1 高频地波海态探测雷达天线发展状况

高频地波海态探测雷达天线分为发射天线和接收天线，实用中发射天线一般为垂直极化单极鞭天线、八木天线或对数周期天线形式，在窄带系统中，一般采用单极鞭天线或八木天线作为发射天线，对数周期天线一般用于宽带系统.由于发射天线对天线效率要求高，因此，其天线设计方案均是基于传统天线设计理念，一直以来，没有实质性的新意.接收天线形式较多，按形式可分为紧凑型和阵列型两种.美国国家海洋大气局(NOAA)电波传播实验室于20世纪70年代末研制的CODAR系统高频地波雷达系统[5]，发射天线采用的是定向八木天线，接收天线采用的是4元鞭天线组成的方阵，采用定向(Direction Finding DF)算法获得信号的到达角.图1为CODAR早期的收发天线.

进入20世纪80年代后，CODAR系统将接收天线重新设计成紧凑的交叉环/单极子天线，DF算法也由求闭合解过渡到最小二乘法[6]，其接收天线见图2.与此同时，英国也推出了表层海流雷达(Ocean Sruface Current Radar,OSCR)高频地波雷达[7]，其接收天线阵采用了线形相控阵技术.

图1 CODAR早期的接收天线 图2 单极子交叉环接收天线

到了20世纪90年代，随着微电子技术、天线技术、信号处理技术和计算机技术的发展，高频地波雷达整体性能发展到一个新的水平.CODAR公司以天线小型化为主要研究方向，在天线设计和信号波达方向估计算法上推陈出新，其中，最为典型的是SeaSonde系统[8]和超方向接收系统[9]，这两种系统发射天线均采用的是单极全向天线，但接收天线系统则大不相同，前者接收天线采用的是一种更为紧凑的交叉环/单极子天线，如图3所示，后者接收天线采用的是一种小型架高超方向圆形阵，如图4所示.在此期间，加拿大也推出了一种多用途的HF-GWR和SWR-503系统，其发射天线采用的是对数周期天线，发射波束宽度为120°，接收天线由40元宽带单极子天线组成相控阵，阵长880 m，该雷达属典型的窄波束雷达，如图5所示[10-12].德国汉堡大学物理海洋研究所通过引进早期的CODAR系统，开发了自己的WERA高频地波雷达系统，其接收天线由4～16个单极天线组成，基于波束形成(BF)和定向(DF)算法来确定回波到达角，如图6所示[13-14].英国[15-19]、俄罗斯[20]、澳大利亚[21-23]和日本[24]等国也分别推出了各自的高频地波雷达系统OSCR、Overseer、TELETS、Iluka和LROR等，其接收天线基本上是阵列形式.为了提高地波雷达性能，美国密歇根大学率先研制出一种岸基四频MCR高频地波雷达系统，其接收天线阵由8元环形天线组成，如图7所示[25].目前，澳大利亚正在研制名为海况监测分析雷达(SECAR)的双基地高频地波雷达，接收天线仍然为平面阵[26].

图3 SeaSonde接收天线 图4 超方向接收天线

图5 加拿大地波雷达接收天线阵

进入21世纪，美国基于数字技术推出了新一代的ISR多频收发共址地波雷达系统，该雷达的发射天线为小型化对数周期天线，接收天线为方形环天线阵，如图8所示[27-28].

图6 德国WERA接收天线 图7 MCR地波雷达接收天线

图8 ISR多频地波雷达

为了进一步减少天线占地面积，美国CODAR公司目前又开发了一种收发一体化的地波雷达系统，其天线系统如图9所示.有人甚至提出了一种天线置于浮标上的地波雷达系统，天线示意图如图10所示[29-30].

图9 收发一体化天线 图10 基于浮标的地波雷达天线示意图

在中国，高频地波雷达研究也相当活跃.20世纪80年代初至今，哈尔滨工业大学研制了岸基和舰载体制用于探测海面和低空移动目标的高频地波雷达(Frequency Surface Wave Over-The-Horizon Radar,HFSW-OTHR)，其发射天线采用的是对数周期天线，接收天线采用的是均匀平面阵[31].如图11所示.从1987年起，武汉大学在国家自然科学基金和国家863计划支持下，相继研制了用于海态分析的OSMAR系列地波雷达.发射天线有全向单极天线，也有八木天线；接收天线既有紧凑的交叉环/单极子天线，也有大小不等的阵列天线，如图12所示为“九五”期间研制的“一发八收，收发共用”收发天线阵[32-33].20世纪90年代中期，华东师范大学在国家教委的资助下，把一套收发设备改装成了一种海况监测分析雷达(SESAR)，其发射天线采用四元八木天线，接收天线由四个二元八木天线组成[34].如今西安电子科技大学基于SIAR技术也提出了自己的高频地波雷达系统，其接收天线为八木天线构成的平面天线阵[35]，如图13所示.

图11 哈工大地波雷达接收天线 图12 武大的地波雷达接收天线

发射天线 接收天线图13 西电地波雷达天线阵

由于地波雷达探测距离有限，为了增加雷达探测距离和机动性，美国、英国、德国和中国哈尔滨工业大学相继对舰载地波雷达进行了研究[36-40]，舰载地波雷达发射天线一般为单极天线，接收天线为单极子交叉环天线或沿船舷布设的阵列天线.如图14所示[41].

图14 舰载地波雷达

在地波雷达的发展过程中，除了研制固定式雷达系统以外，还有车载机动式可重构方案[42]和基于SAR的运动型方案[43]以及可搬迁多频地波雷达方案[44].如图15表示车载机动式可重构地波雷达天线示意图；图16表示基于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)的运动型车载天线方案；图17表示可搬迁多频地波雷达接收天线系统.显然，天线小型化，对提高车载可重构型和运动型以及可搬迁地波雷达机动性至关重要.

图15 车载可重构雷达收发天线 图16 基于SAR地波雷达收发天线

天线系统 雷达设备方舱图17 可搬迁多频地波雷达系统

值得一提的是，由于电离层的影响，高频雷达接收天线在接收来自海洋回波信号的同时，还会接收到来自电离层近垂直反射的雷达信号,该反射信号非常强，严重影响雷达正常工作，并形成大范围探测盲区，目前还没有非常有效的方法来抑制.为了抑制电离层杂波的影响，加拿大、新加坡、哈尔滨工业大学和武汉大学的高频地波雷达专家学者在接收天线设计方面进行了有益的探索[45-46].

2 地波雷达天线设计基本考虑

2.1 发射天线

作为高频地波海态探测雷达，发射天线用于向空间辐射高频电磁波能量，从系统设计本身而言，要求天线尽可能有高的辐射效率.从雷达方程[47-48]亦可看出：雷达方程不仅系统地描述了雷达探测距离与雷达系统各参数间的关系，也为分析雷达性能和成本核算提供了基础，增加发射天线的增益无疑可以有效增加探测距离.因此，在设计高频雷达发射天线时，应尽量考虑提高天线系统的辐射效率和增益.为了提升天线的增益，对于窄带系统，一般采用八木天线作为发射天线[34,36]，对于宽带或多频系统，一般采用对数周期天线作为发射天线[10-12].

2.2 接收天线

对于高频地波海态探测雷达，由于外部噪声远高于机内噪声，雷达噪声主要来自于雷达外部，即雷达的探测距离主要受制于雷达接收回波信号的信噪比[49-52].设雷达发射平均信号功率为Pav，Gt为发射天线增益，Gr为接收天线增益，A为距离雷达R处的Norton衰减因子，λ为雷达工作波长，R为目标与雷达站之间的距离，Ls为系统损耗，σ0为单位面积上的海浪散射截面，ΔR为雷达距离分辨率，Ti为回波信号的相干累积时间，N0为外部噪声密度，Nin为机内噪声密度.假设噪声不相干，根据雷达方程，在相干累积时间Ti内，有用信号的能量S为

(1)

设噪声密度可表示为Gr·N0+Nin，则雷达接收信号信噪比为

(2)

雷达探测距离为

(3)

由于在高频频段，外部噪声远大于接收机内部噪声.即一般情况下，Gr·N0>>Nin，则雷达距离方程可写为

(4)

与发射天线设计理念不同，式(4)中没有出现接收天线增益因子，即在一定信噪比条件下，高频地波雷达的探测距离与单元接收天线增益关系不大，只要不影响信噪比，对接收天线增益的要求可以适当降低，可以使用较小增益的天线作接收天线，即接收天线设计可小型化.这一点作者在2004年前就试验成功，并且将该成果用于OSMAR实际雷达工程.

与此同时，系统为了获得高分辨的信号到达角估计，接收天线一般采用多天线接收.如果系统目标仅为了获取表面流场，接收天线可采用如美国CODAR公司生产的紧凑的SeaSonde交叉环/单极子天线.由于SeaSonde紧凑的交叉环/单极子天线属于宽波束接收天线，难以获得高分辨的海面风浪场信息.在获得高分辨表面流信息的同时，为了获得高分辨的海面风浪场信息，接收天线应设计成多天线的阵列形式，如德国的WEAR、加拿大的SWR-503和中国的OSMAR2000等.

2.3 天线地网设计

高频地波雷达采用的是地波绕射传播模式，然而，由于地面的损耗，发射天线E面方向图将上翘，因此，为了提高系统效率和增加探测距离，必须设法压低E面方向图，使辐射方向尽量搭地以高效激发地波.工程上压低辐射方向的方法是，在地面敷设辐射状或栅格状金属地网.与此同时，为了有效激发地波，发射天线应尽量靠近海边.

2.4 抗干扰设计

由于高频雷达工作在短波段，在此波段，各种短波广播、通信信号非常密集[53-60]，加之由于电离层对雷达信号的强反射而直接进入雷达接收机形成的电离层杂波，这些都会严重影响系统正常工作，使雷达出现大范围的盲区甚至失效[60-61].为了抑制强烈射频干扰和电离层杂波，必须设计相应的平面接收天线阵、甚至一些辅助天线，如加拿大的SWR-503和哈工大的OTH-SW等[62].

2.5 接收天线阵校准

高频地波雷达采用多天线和波束形成或空间高分辨谱估计技术来得到信号到达角.众所周知，高分辨高精度空间测向技术是建立在接收天线和接收机通道一致的基础上，接收通道的幅相误差将影响信号方位估计和分辨，甚至使算法失效.而由于接收天线架设在岸边，地势条件复杂，各天线表现性能不可能完全一致，因此必须设法校准.由于天线阵远场距离达数千米量级，直接进行远场校准方法不现实.为了解决此问题，可在接收天线阵附近设计一些辅助天线，实施有源或无源的方法，实现对接收通道的校准[63-66].

2.6 电磁兼容设计

由于高频地波雷达接收天线架设在岸边、岛礁或舰船上，天线与周围地物环境的耦合严重影响天线的电气性能，不仅使天线幅相偏离设计指标，甚至使天线方向图发生严重的畸变，最终影响系统测量精度.为了减少天线之间的互耦，可在天线周围设计一些寄生天线，或针对天线周围的地物环境，进行天线-环境一体化优化设计.对于一些高要求的应用，还应现场测试天线的辐射方向图.

与此同时，高频雷达收发天线一般相距较近，在进行天线设计与架设时，还应考虑收发天线之间的相互影响，一种办法是，通过设计发射阵列，使其零点对准接收天线阵.

2.7 天线的防雷设计

由于高频雷达收发天线体积庞大，很容易遭受雷击.为了防雷，一般在雷达天线阵附近架设高大的避雷铁塔.由于避雷塔高大，设计建造成本高，在天线附近还会影响天线的性能.为了简化设施，可将天线和避雷设施进行一体化设计.

3 高频地波雷达天线发展趋势

由于高频地波雷达工作在短波段，按照一般天线设计思想，不仅接收天线阵占地面积大，发射天线的几何尺寸也很高大.由于受到海岸、岛礁、舰船载体和海边气象条件的限制，高频地波雷达天线设计太大，不仅投资建站费用高，“三防”设计难度大，工程化设备的维护也非常困难，作为军用设施，抗打击能力也很差.因此，便携式、收发共用、小型高分辨[67-68]能力强和软件化是未来高频地波雷达天线设计的发展趋势.

4 一种新的地波雷达天线设计

某新型高频地波雷达天线技术指标要求：

工作频段：7.5～25 MHz

发射天线高度：≤8 m

发射天线占地：≤15 m×15 m

发射天线平均方向增益：≥4 dBi

发射天线驻波比：带内驻波比均小于3，90%以上的频点驻波比小于2.5

接收天线高度：≤2 m

接收天线阵占地：50 m×15 m(地形无需平整)

抗风：10级台风能正常工作，12级台风不损坏

4.1 发射天线设计

由雷达对发射天线的技术要求，在此根据倒锥形天线为基本原型进行设计，为了增加天线带宽和改善天线的性能，可在倒锥天线周围附加6根寄生振子；为了减小天线风阻，增强抗击台风的能力，天线体可用若干导线做成锥形轮廓，如图18所示.基于矩量法和遗传算法[69]，通过优化设计得到发射天线各参数为：

导线根数N：5

天线总高度：7.5 m

寄生振子高：2.6 m

寄生振子到天线的距离：0.8 m

上锥体半锥角：35°

下锥体半锥角：43°

图19表示天线E面方向图与导线根数的关系.图20表示天线的驻波-频率特性.图21表示天线的增益-频率特性.从图可见，天线设计达到了系统设计要求.从天线的结构也不难看出，该天线结构简单，无需设计匹配网络和加载，效率高，抗风能力强.

图18 天线结构示意图

图19 E面方向图

图20 天线驻波比

图21 天线增益

4.2 接收天线单元设计

根据上述分析，在高频段，接收机外界噪声比接收机内部噪声高得多，与发射天线设计思想不同，高频地波雷达接收天线对增益和驻波比的要求可适当放宽，在此可基于螺旋加载天线基本理论设计接收天线[70-71].如图22表示设计的雷达接收天线，天线高度和直径分别为1.8 m和0.01 m.如图23表示1.8 m高天线与7 m高天线接收到的40 km处的雷达海面回波谱信噪比日变化.图24表示1.8 m高天线与7 m高天线接收到的40 km处的雷达海面回波谱，其中，实线表示1.8 m高天线接收的回波谱，虚线表示7 m高天线接收的回波谱.从此结果可见，该天线属于电小天线，结构简单、抗风能力强，但接收效果与7 m高大天线的接收效果可比拟.

图22 1.8 m高接收天线实物照片

(a) 7 m高天线接收信号信澡比

(b) 1.8 m高天线接收信号信噪比 图23 实测雷达回波信噪比对比

图24 实测雷达回波Doppler谱比较

4.3 接收阵设计

阵列式的高频地波雷达系统，一般采用均匀直线阵形式.然而，由于海边地势复杂，要开辟出一大块平整的地基用于架设多个接收天线，一般要开山炸石，工程基建和资金投入非常巨大.为了减少建站基建费用，当相邻天线上下高度差小于8 m时，可按照海岛实际地形，将接收天线阵设计成任意地貌共形天线阵.图25表示地貌共形天线阵的布设示意图.图26表示非线性共形天线阵在H面的扫描方向图(频率7.5 MHz).由此可见，本新型地波雷达接收阵设计是可行的.

图25 共形天线阵布设示意图

图26 非线性阵的H面方向图

5 结 论

高频地波雷达工作在短波段，其电波传播环境及外界电磁环境有别于微波段无线电系统，正是由于其特殊性，决定了高频地波雷达收发天线设计方法及考虑的问题有别于其它波段.论文在回顾40多年来国内外高频地波海态雷达天线研究和成果转化的基础上，有针对性重点分析了高频地波雷达天线设计和工程实施应考虑的技术问题，指出了地波雷达天线未来的研究方向，设计了一套新的高频地波雷达天线方案，计算机仿真说明了可行性.

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