[发明专利]一种浮标式高频地波雷达系统

说明书

技术领域

本发明属于海洋环境监测技术领域。

背景技术

人类与海洋的经济关系正沿着“点-线-面-体”的次序不断深入发展，并且这种发展有着加速的趋势。海洋变得越来越重要，海洋对人类的影响也越来越大，从人类的生存层面直至经济层面，甚至上升到政治和国际关系层面。然而，人类对海洋的监测能力始终落后于人类的海洋实践活动，目前基本还停留在“点”和“线”的层面上，远远不能满足对海洋“面”和“体”的实时监测的需要。

海洋监测能力的薄弱是长期影响我国发展海洋经济、预防海洋灾害、维护国家安全和统一的重大问题。高频地波雷达作为一种大面积、全天候、低成本的非接触式岸基遥感设备，是实现海洋“面”的层面上实时监测的最好工具。但要实现全国沿海主要海区的有效监管，需要在沿海地区布设几十部甚至上百部不同类型的地波雷达组成雷达网络进行探测。这不仅弥补了我国常规海洋监测仪器能力不足，大大提高了我国周边海域海洋环境实时监测的能力，实现我国海洋监测能力“代”的跨越，同时也可节约大量基础建设投入经费。

现有岸基中远程地波雷达设备探测距离一般为200km，近程的地波雷达设备探测距离就更近，而国际海洋法规定200海里为专属经济区，所以，完全利用岸基的地波雷达设备显然难以满足监测专属经济区的需求，我国深远海发展规划里明确了国家对远海情报资料收集战略。因此，必须实现对远海进行监测，研制开发浮标式高频地波雷达等系统实现对200km以外的外海进行实时监测，是对现有的岸基地波雷达的一个最好补充。建设具有全自动化工作能力的无人值守地波雷达系统平台，对于服务战略大通道的海洋环境监测尤为重要。

目前高频地波雷达在探测距离、探测要素的精度以及适用性等方面还存在明显的不足，主要表现在以下五个方面：

A、雷达有效覆盖范围不足。沿岸经济活动和防灾减灾要求对数百公里甚至数千公里内的海洋状态有较好的了解，而目前应用的地波雷达比较有效的探测范围通常在150km以内。如果要增加探测距离，通常采用降低工作频率和增加发射功率的办法实现。降低工作频率意味着雷达天线尺度、设备复杂度的增加，以及结果分辨率和结果精度的降低，对中、短尺度重力波信息的探测能力减弱。增加发射功率则降低了设备的可靠性和电磁环境方面的适用性，而且重要的是探测距离随着发射功率递增的速度是迅速下降的关系，如把功率由10kW提高到100kW，探测距离仅仅增加30～40km，雷达运行成本与探测距离呈指数关系上升。因此，仅仅依靠地波雷达本身并不能在提高探测距离上有较大的作为。利用天波的远距离传播机制，通过分布式雷达组网、天-地波一体化探测、浮标式高频地波雷达可以大幅度提高高频雷达系统的探测距离，是拓展海洋监测雷达探测距离的有效途径。

B、探测信息量不足，导致结果准确性和可靠性不高。迄今为止，国内所有海洋探测用地波雷达均属于收发共站的单站雷达，雷达仅从海面的后向散射回波中提取信息，而后向散射回波所包含的信息尤其是有关物理参量的方向信息(如流向、风向和浪向等)极为有限，导致所探测参量的方向误差较大，严重降低雷达探测的准确性，致使结果无法应用。这一点在近年高频地波雷达对比试验和实际应用中表现得很明显，是制约地波雷达进一步推广应用的基础技术瓶颈。因此急需发展可以获取海面非后向散射信息的雷达系统，即“多发多收”模式的分布式高频雷达系统，由位于不同地点的多部雷达通过相参的方式组合成一个大的雷达系统。它不是简单的多部单站雷达反演结果的综合，它在原始信号层面即获取了较为全面的物理量信息，能较大程度提高风、浪、流探测的准确性，以确保我国高频地波雷达海洋探测全面进入业务化应用程度。同时，浮标式高频地波雷达也能够提供大量的探测信息，这些信息是基于远海探测，弥补了岸基雷达远海数据量不足的问题。

C、雷达系统抗干扰能力不足。高频雷达工作在强干扰的频段，特别是电离层干扰、射频干扰、和瞬态冲击干扰严重，其中电离层干扰是中低纬度地区地波雷达面临的最严重问题，是制约地波雷达应用的主要困难之一，目前国际上尚无有效的通用电离层干扰抑制方法。电离层干扰强度高，信号特性十分复杂。国内外大量研究表明，电离层干扰很难在单台雷达内得到抑制，“多发多收”的分布式高频雷达系统、结合电离层垂测仪及斜测仪的探测信息几乎成为提高超视距雷达抗电离层干扰能力的唯一选择。采用天波传播、地波接收实现远距离探测的一大优势是避开了电离层F层的干扰问题，所接收到的回波谱中不存在通常地波雷达回波谱中的电离层F层的干扰，当然天波传播过程中电离层反射点电子密度变化或运动会产生谱的平移和展宽，这种影响可以通过地波所获取的海面信息所补偿。