The influence of ionospheric non-uniformity on the detection area of HF bistatic sky-wave radar
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摘要:
高频双/多基地天波雷达具有反隐身性、隐蔽性、高精度等多种优势，但容易受到电离层传输信道的影响。本文针对电离层非均匀特性对高频双基地天波雷达电波传播的影响进行了仿真和试验研究。首先，对高频双基地天波雷达的电波传播模式进行分析；然后，针对电离层非均匀特性及其对天波传播路径的影响，利用IRI模型和射线追踪的方法进行了仿真研究；最后，利用短波收发设备构建的高频双基地天波雷达试验系统，开展了电离层非均匀性对杂波能量影响的试验研究。结果表明，电离层非均匀特性会对天波传播路径的可通性造成显著影响，在高频双基地天波雷达应用场景下，会造成目标可探测区域随频率和方位发生显著变化，从而影响雷达系统对目标的探测性能。本文的研究为高频双基地天波雷达的设计和应用提供了理论和实践依据。
Abstract:High-frequency bistatic/multistatic sky-wave radars have various advantages such as anti-stealth capability, concealment, and high precision. However, they are vulnerable to the influence of the ionospheric transmission channel. This paper conducts simulation and experimental studies on the impact of the ionospheric inhomogeneous characteristics on the radio wave propagation of high-frequency bistatic sky-wave radars. Firstly, the radio wave propagation mode of high-frequency bistatic sky-wave radars is analyzed. In response to the ionospheric inhomogeneous characteristics and their impact on the sky-wave propagation path, simulation studies are carried out using the International Reference Ionosphere (IRI) model and the ray tracing method. An experimental study on the influence of ionospheric inhomogeneity on clutter energy is conducted by using a high-frequency bistatic sky-wave radar experimental system constructed with shortwave transceiver equipment. The results show that the ionospheric inhomogeneous characteristics have a significant impact on the possibility of the sky-wave propagation path. In the application scenarios of high-frequency bistatic sky-wave radars, it will cause significant changes in the detectable area of the target with frequency and azimuth, thus affecting the detection performance of the radar system for the target. The research of this paper provides a theoretical and practical basis for the design and application of high-frequency bistatic sky-wave radars.
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0 引 言
高频双/多基地雷达凭借其抗干扰能力强、覆盖范围广、抗摧毁能力强、定位精度高等优势，在海洋环境监测、远距离目标探测、灾害预警等领域具有重要应用价值，地波、天波、天地波等多种高频双/多基地雷达在近年来得到了广泛研究[1-2]。文献[3]开展了对高频双基地地波雷达系统的布站研究，对布站原则进行了介绍；文献[4]对高频混合天地波雷达海杂波特点进行了分析研究，并通过试验对海杂波特点分析结论进行了验证；文献[5]提出了一种基于高频分布式天地波雷达系统的海洋表面流提取新方案，且经试验验证有效，为海洋监测提供了新方法。
高频波段电磁波信号在传播过程中易受电离层影响，导致雷达回波信号失真、定位精度下降，严重制约了雷达系统性能发挥，尤其在中低纬度地区，电离层活动频繁且结构复杂，其色散效应、空间梯度变化对双/多基地雷达信号回波能量的影响更为突出。文献[6]介绍了多输入多输出(multiple-input multiple-output, MIMO)技术在高频天波雷达的试验应用成果，MIMO技术为高频天波雷达的性能提升带来潜力，但电离层带来的扩展杂波也不容忽视；文献[7]针对高频地波雷达受电离层干扰产生大量虚假目标等问题，提出一种适用于单双基地复合雷达网络的数据关联方法；文献[8]针对电离层导致的杂波展宽影响目标检测的问题，提出了一种基于三次相位建模的污染校正新方法。但是，目前针对高频双基地天波雷达传播路径和可探测目标区域受电离层影响的研究较少。电离层除了会造成高频雷达地海杂波展宽并影响目标检测外，还会直接影响地海杂波能量强度，而杂波能量强度反映了雷达系统的目标探测能力，因此可以通过观察电离层对高频雷达杂波能量的影响来分析其对高频雷达目标探测能力的影响。
本文针对在电离层非均匀特性下的高频双基地天波雷达的传播特性、能量分布特性，以及其目标探测能力可能受到的影响进行了仿真和试验研究，研究成果可作为对高频双基地天波雷达系统设计和应用的依据。
1 双基地天波传播模式组成
1.1 传播模式组成
高频双基地雷达一般由发射站、接收站、电离层监测站等组成。雷达信号一般由发射站发出，经过天波或地波传播到达目标，再由目标散射经过天波或地波传播到达接收站。不同传播路径的组合构成了不同的传播模式，分别为天波-天波模式、天波-地波模式、地波-天波模式、地波-地波模式。本文的研究对象为高频双基地天波雷达，因此只讨论天波-天波模式，其传播模式组成如图1所示，即电磁波首先由发射站发出后，经自由空间到达电离层，再经过电离层传播后回到自由空间，并传播到达目标，然后由目标散射后，经自由空间传播又回到电离层，再经电离层传播后返回自由空间，最终到达接收站。
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图 1 高频双基地天波雷达传播模式示意图Fig. 1 Schematic of propagation mode of HF bistatic sky-wave radar1.2 几何关系
如图2所示，发射站T和接收站R分别部署于两地，大圆距离为D。以接收站R为圆心，对一定范围的扇形区域划分栅格，栅格的距离分辨率为ΔR，距离单元数为n，方位分辨率为Δθ，方位单元数为m，每个栅格的中心点为S(i, j)，其中i=1,2,⋯,n，j=1,2,⋯,m。发射站T到S(i, j)的传播路径长度为P1，S(i, j)到接收站R的传播路径长度为P2。
2 双基地天波传播建模仿真研究
2.1 电离层空间分布特性仿真
电离层的电子浓度分布在空间上是非均匀的，常见现象有“赤道双驼峰现象”和“中纬度槽”，这种非均匀分布属于电离层的普遍特征，而非突发异常现象。
国际参考电离层(International Reference Ionosphere, IRI)模型[9]是国际无线电科学联合会(International Union of Radio Science, URSI)推荐的一个通用电离层模型，反映了宁静电离层的平均状态。图3为依据IRI模型仿真得到的2024-10-26T12:00UT不同高度处的电子浓度分布，可以看出，电离层电子浓度在垂直和水平方向上的分布均呈现了非均匀的特性。
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图 3 2024-10-26T12:00UT不同高度电子浓度分布图Fig. 3 2024-10-26T12:00UT distribution of electron concentration at different heights图4为依据IRI模型仿真得到的2024-10-26不同时刻F2层临频的分布，可以看出，foF2也存在分布差异，不同区域在不同时刻的foF2变化幅度不同。
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图 4 2024-10-26不同时刻的foF2分布图Fig. 4 Distribution of foF2 at different times on Oct. 26, 20242.2 电离层非均匀下传播路径仿真
受电离层非均匀特性的影响，天波传播路径会随时间、频率等因素变化。利用射线追踪的方法对传播路径进行仿真，来分析电离层非均匀性对天波传播路径的影响。
在球坐标系中，射线方程可描述为：
drdP′=−1c∂H/∂H∂kr∂kr∂H∂ω (1) dθdP′=−1rc∂H/∂H∂kθ∂kθ∂H/∂H∂ω∂ω (2) dφdP′=−1rcsinθ∂H/∂H∂kφ∂kφ∂H/∂H∂ω∂ω (3) dkrdP′=1c∂H/∂H∂r∂r∂H/∂H∂ω∂ω+kθdθdP′+kφdφdP′ (4) dkθdP′=1r[1c∂H/∂H∂θ∂θ∂H/∂H∂ω∂ω−kθdrdP′+kφrcosθdφdP′] (5) dkφdP′=1rsinθ[1c∂H/∂H∂φ∂φ∂H/∂H∂ω∂ω−kφsinθdrdP′−kφrcosθdθdP′] (6) 式中：r、θ、φ为射线路径上的点在球坐标系中的坐标；kr、kθ、kφ为波矢量在球坐标系中的三个分量；P′为群路径；c为光速；H为哈密顿算符。射线方程的解算方法参考文献[10]。
选用IRI模型进行仿真，射线起点选在我国某地，仰角范围为1°～30°，时间为2024-10(取该月份统计平均值，暂时不考虑年份、季节变化的影响)，得到了不同频率下不同时间不同方位上的射线追踪仿真结果，如图5和图6所示。纵横轴分别为与射线起点的高度和距离。可以看出：12:00LT时，电离层等离子体频率的分布在不同方位上是相似的，说明电离层在水平方向的分布较为均匀，同时，不同频率在不同方位上一跳落地点的距离分布近似，均主要分布在800～2 000 km；20:00LT时，电离层等离子体频率在不同方位上具有明显差异，说明电离层在水平方向上分布不均匀，同时，相同频率在不同方位的一跳落地点距离分布存在差异，14 MHz的一跳落地点起始距离在80°和100°时相差200 km，18 MHz的一跳落地点起始距离在80°和100°时相差700 km。造成这种现象的主要原因为：12:00LT电离层相对稳定，其电子浓度空间分布较为均匀，而20:00LT是日落后电离层的活跃时间，其电子浓度空间变化较大，电离层的非均匀特性明显。
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图 5 14 MHz 2024-10不同时刻不同方位的射线追踪结果Fig. 5 Ray tracing results at different times in October 2024 and with different directions at 14 MHz![]()
图 6 18 MHz 2024-10不同时刻不同方位的射线追踪结果Fig. 6 Ray tracing results at different times in October 2024 and with different directions at 18 MHz2.3 双基地天波雷达双程传播路径仿真
天波传播路径一跳落地点的距离分布关系到高频天波雷达的目标可探测区域。因此，可通过对高频双基地天波雷达传播路径的射线追踪仿真，分析电离层非均匀性对雷达系统目标探测的影响。
高频双基地天波雷达的传播路径为发射站T到栅格点S(i, j)再到接收站R的天波传播路径(称之为T-S-R路径)，T-S-R路径是否可通对高频双基地天波雷达的目标探测至关重要。若S(i, j)对应的T-S-R路径不可通，则S(i, j)处于传播盲区，高频双基地天波雷达将无法探测S(i, j)位置的目标。由点及面，若由众多S(i, j)组成的某个区域内的T-S-R路径不可通，则高频双基地天波雷达将无法探测该区域内的目标。T-S-R路径的可通性是由发射站T到栅格点S(i, j)的天波传播路径(称之为T-S路径)和接收站R到栅格点S(i, j)的天波传播路径(称之为R-S路径)的可通性共同决定的，即只有T-S路径和R-S路径均可通，T-S-R路径才可通。因此，先分别对T-S路径和R-S路径进行仿真，再综合评估T-S-R路径的可通性。
本次仿真主要针对电离层非均匀特性突出的时间，参考前文仿真结果，时间选为2024-10T20:00LT。仿真中，按照图2所示的几何关系，栅格距离为1 000 ～3 000 km，距离分辨率ΔR=100km，距离单元数n=21，方位为60°～140°，方位分辨率Δθ=5°，方位单元数为m=17，发射站T和接收站R均为国内某地，两地间隔D=500 km。分别仿真了14 MHz、18 MHz两个频率下每个栅格对应的T-S-R路径可通性，结果如图7所示，其中白色表示路径可通，黑色表示路径不可通，横轴为以接收站R为圆心的方位，纵轴为与接收站R的距离。可以看出，在电离层非均匀的背景下，不同频率的可通区域变化较大，且相同频率的可通区域在方位上的分布差别也较大，进一步得出，电离层非均匀性对高频双基地天波雷达的目标可探测区域影响较大。
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图 7 不同频率下T-S-R路径可通性仿真结果Fig. 7 Simulation result of T-S-R path connectivity at different frequencies由2.2节、2.3节的仿真研究可以得出，电离层具有非均匀特性，这种非均匀特性会对天波传播路径的可通性造成显著影响，具体表现在不同频率的可通区域不同，相同频率在不同方位上的可通距离也不同。在高频天波雷达应用场景下，电离层非均匀性会造成目标可探测区域随频率和方位发生显著变化，当为单基地配置时，可以通过频率选择和波束宽度控制有效减少电离层非均匀性的影响，而为双/多基地配置时，只通过频率选择和波束宽度控制不能有效解决电离层非均匀性的影响，还应考虑站点布局优化，尽量使收发路径反射点的电离层特性相近。
3 试验验证分析研究
3.1 试验系统介绍
为了验证仿真分析结果的正确性，开展了高频双基地天波雷达信号收发试验。试验系统由发射设备和接收设备组成，其中发射设备主要包括激励器、发射机、发射天线等，接收设备主要包括接收天线、接收机、数据处理设备等。发射设备和接收设备的工作频段为5～30 MHz。试验系统设备组成如图8所示。
本次试验时间为2024-10-26T20:00—21:00LT，发射设备和接收设备分别部署于发射站T和接收站R，两地间隔约500 km，进行定频信号收发试验，以模拟高频双基地天波雷达目标探测场景。
本次试验首先由激励器按照表1依次产生2种线性调频连续波信号，发射机在经过功率放大后通过发射天线向空间发射电磁波，定频接收机按照对应时序依次接收采集2种线性调频连续波信号，经过波束形成、脉冲压缩、相干积累处理后，得到距离-多普勒(range-Doppler, RD)谱图。本次试验工作处理流程见图9。
表 1 定频信号参数表Tab. 1 Parameters of fixed frequency signal信号类型 工作频率/MHz 脉冲宽度/ms 带宽/kHz 积累次数 线性调频连续波 14 20 10 256 18 20 10 256 ![]()
图 9 定频信号收发工作及处理流程Fig. 9 Fixed frequency signal transmission and reception work and processing flow3.2 试验结果分析
图10为14 MHz和18 MHz时不同方向的RD谱图，为了方便观察回波能量，对RD谱图进行了局部放大，横轴为多普勒频率，纵轴为与接收站R的距离。可以看出，14 MHz信号在80°方向的能量前沿(即杂波回波能量的起始距离)为2 200 km，100°方向的能量前沿为2 000 km；18 MHz信号在80°方向没有明显的回波能量，100°方向的能量前沿为2 400 km。
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图 10 不同频率下不同波束方向RD谱图Fig. 10 RD spectrum with different frequencies and beam directions为进一步分析杂波能量分布特性，对基带数据在40°～160°、步进2°分别进行波束形成，从得到的不同波束方向的RD谱图中提取杂波能量，形成杂波能量随方位和距离的分布图，结果如图11所示。可以看出，杂波能量在不同方位的距离分布不同，且不同频率的杂波能量前沿均呈现随方位增大而减小的趋势。
为了对比高频双基地天波雷达路径仿真结果与试验结果，将2.3节图7仿真结果中14 MHz、18 MHz不同方位可通路径距离最小值画在了图11中。可以看出，仿真中的可通路径距离最小值与试验中杂波能量前沿的变化趋势相同，即相同频率下随方位增大而减小，相同方位下随频率增大而增大。仿真中的可通路径距离最小值与试验中杂波能量前沿相似，但存在一定差异，这种差异原因是：可通路径距离最小值是基于IRI模型的计算结果，而IRI模型反映的是电离层的平均状态，而非瞬时状态，与试验时刻的电离层状态存在差异是正常现象。同时电离层非均匀特性对高频双基地天波雷达的目标探测能力影响较大，主要体现在：1)不同频率杂波能量的分布差别较大，可能导致系统可选工作频率大幅减少；2)相同频率的杂波能量在不同方位上的分布差别也较大，反映出了雷达照射能量不聚焦，从而影响目标信噪比。
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图 11 不同频率下杂波能量空间分布图Fig. 11 Spatial distribution of clutter energy at different frequencies4 结 论
本文对高频双基地天波雷达的电波传播模式进行了分析，利用IRI模型和射线追踪的方法开展了电离层非均匀特性对高频双基地天波雷达传播路径影响的仿真研究，并利用高频双基地天波雷达试验系统开展了电离层非均匀性对杂波能量影响的试验研究。通过以上分析研究发现：1)电离层具有非均匀特性，且这种特性是否显著与时间有关；2)电离层非均匀特性会对天波传播路径的可通性造成显著影响；3)在高频双基地天波雷达应用场景下，电离层非均匀性会造成目标可探测区域随频率和方位发生显著变化，并对其目标探测能力产生较大影响。
综合以上发现得出，电离层非均匀性会影响高频双基地天波雷达的目标探测性能，这种影响主要体现在目标探测区域会随时间、频率、方位产生显著变化。本文的研究发现可以为高频双基地天波雷达的系统设计、布站优化、频率选择等提供依据。下一步可以开展电离层非均匀性对高频双基地天波雷达目标探测性能的定量分析和研究。
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图 1 高频双基地天波雷达传播模式示意图
Fig. 1 Schematic of propagation mode of HF bistatic sky-wave radar
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图 3 2024-10-26T12:00UT不同高度电子浓度分布图
Fig. 3 2024-10-26T12:00UT distribution of electron concentration at different heights
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图 4 2024-10-26不同时刻的foF2分布图
Fig. 4 Distribution of foF2 at different times on Oct. 26, 2024
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图 5 14 MHz 2024-10不同时刻不同方位的射线追踪结果
Fig. 5 Ray tracing results at different times in October 2024 and with different directions at 14 MHz
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图 6 18 MHz 2024-10不同时刻不同方位的射线追踪结果
Fig. 6 Ray tracing results at different times in October 2024 and with different directions at 18 MHz
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图 7 不同频率下T-S-R路径可通性仿真结果
Fig. 7 Simulation result of T-S-R path connectivity at different frequencies
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图 9 定频信号收发工作及处理流程
Fig. 9 Fixed frequency signal transmission and reception work and processing flow
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图 10 不同频率下不同波束方向RD谱图
Fig. 10 RD spectrum with different frequencies and beam directions
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图 11 不同频率下杂波能量空间分布图
Fig. 11 Spatial distribution of clutter energy at different frequencies
表 1 定频信号参数表
Tab. 1 Parameters of fixed frequency signal
信号类型 工作频率/MHz 脉冲宽度/ms 带宽/kHz 积累次数 线性调频连续波 14 20 10 256 18 20 10 256 
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