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剪水鹱的博客

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AN/FPS-118  

2016-03-07 10:43:13|  分类: 短波超视距雷达 |  标签: |举报 |字号 订阅

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AN/FPS-118 Over-The-Horizon-Backscatter OTH-B 天波超视距雷达东海岸发射天线阵 1997,2003,2007,2011 年谷歌地球卫星照片。每组天线阵覆盖 60 度扫描扇区。2011 年照片中已无法观察到发射天线阵。AN/FPS-118 的发射天线阵由 6 组偶极子线列阵构成,每组偶极子阵列包含 12 个阵元,3 分贝波束角 7.5 度,负责 5-28 兆赫之间的 1 个频段。该雷达最大连续波发射功率 1.2 兆瓦,是西方各型天波超视距雷达之冠 (帝国海军 AN/TPS-71 ROTHR Relocatable Over-The-Horizon Radar ROTHR 200 千瓦,袋鼠国 Jindalee Operational Radar Network JORN 300 千瓦,香水鸡 NOSTRADAMUS 50 千瓦),发射天线增益 23 分贝,最大有效辐射功率 240 兆瓦,典型有效辐射功率 100 兆瓦级 (80 dBW)。天波超视距雷达天线阵列前方的大地实际上是天线系统的有机组成部分,可贡献数分贝的额外增益 (具体数值取决于地面导电特性,雷达波束仰角等),经过处理的大尺度地表也为从遥感照片中寻找天波超视距雷达阵地提供了极大的便利。

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AN/FPS-118 东海岸接收天线阵 1996,2006,2007,2015 年谷歌地球卫星照片。东海岸接收天线阵 3 组天线的跨度均为 1518 米。AN/FPS-118 每组发射天线阵与接收天线阵的有效覆盖扇区均为 60 度。

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AN/FPS-118 西海岸发射天线阵 1994 与 2005 年卫星照。

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AN/FPS-118 西海岸发射天线阵中央阵列。自南向北分别为跨度 304 米,167 米,92 米,123 米,68 米,224 米的 12 单元偶极子线列阵。根据阵元间隔可大致估测出其核心工作频率: 304 米阵列 5.4 兆赫,167 米阵列 9.9 兆赫,92 米阵列 17.9 兆赫,123 米阵列 13.4 兆赫,68 米阵列 24.3 兆赫,224 米阵列 7.4 兆赫。该雷达系统发射天线阵总跨度为 1106 米,高度超过 10 米,其后方的电磁辐射屏障高 41 米。

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AN/FPS-118 西海岸接收天线阵 1993 与 2005 年谷歌地球卫星照片。西海岸接收阵列的跨度为 2440 米,角度分辨率较更早建造的东海岸系统显著提高。接收天线阵元为高度 5.4 米的单极子,其后方的电磁屏障高达 20 米。天波超视距雷达的发射天线阵元通常相对庞大复杂以获得较高增益,接收天线阵元则小巧简单 (高 4-6 米的单极子) 以控制建造成本 - 由于环境噪声几乎总是远大于系统内部噪声,提高接收天线增益对改善雷达性能效果不彰 (有用信号与环境噪声同比例放大)。

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AN/FPS-118 理论覆盖范围示意图。工作频率越低 (波长越大) 雷达信号对电离层的穿透能力越弱,从而可以使用更大的发射仰角,实现对探测近界距离的压缩。AN/FPS-118 雷达 5 兆赫信号的发射仰角范围达 8-33 度,28 兆赫信号的可用仰角则局限于 5-15 度。天波超视距雷达的最低工作频率相应地决定着其探测近界的距离。但低频信号的波长远小于巡航导弹级别目标的外形尺寸 (5 兆赫信号波长 60 米,大约是巡航导弹长度的 10 倍),将导致绝大多数辐射能量直接绕过观测对象,不顾而去 (目标雷达反射截面积可低至 - 20 分贝/0.01 平方米级)。AN/FPS-118 因此难以有效侦测潜射巡航导弹 (部署位置靠近帝国海岸,增大了对远程轰炸机的预警时间,但也导致敌方潜射巡航导弹的可能发射阵位基本由不适合探测小尺度目标的最低工作频率覆盖)。物理法则面前人人平等,“皿煮灯塔” 亦不例外。

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隐形轰炸机级别目标的典型外形尺度则处于天波超视距雷达整个工作频段 (按照 5-30 兆赫计算,波长为 60-10 米) 的共振散射与瑞利散射区之内。遭到天波超视距雷达照射时隐形轰炸机的雷达反射截面积可达 30 分贝/1000 平方米级且基本不受波长变化的影响。相比之下,B-2A,F-22A,J-20 的 X 波段前向雷达反射截面积只有 - 40 分贝/0.0001 平方米级,B-21 与六代机的 X 波段前向雷达反射截面积更可望降至 - 60 分贝/0.000001 平方米级。  

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以拥有完美导电表面的球体为例解释波长与雷达反射截面之间的关系:

若球体半径 x 2 π 达到雷达波长的 10 倍以上,则回波遵循光学模式,信号强度/雷达反射截面与球体面积成正比 (上图右)。如果只需考虑光学散射区,则表面积越小,雷达反射截面也越小,然而与波长远小于肉眼最大分辨能力 (当然也就比日常被观察物体的最小尺寸短得多) 的可见光不同,许多雷达的工作波长接近,甚至超过了被照射目标的典型线性尺度,回波模式相应移出了光学散射区而进入共振散射区 (球体半径 x 2 π 为雷达波长的 1-10 倍,上图中) 和瑞利散射区 (半径 x 2 π 为雷达波长的 0.1-1 倍,上图左)。进入共振散射区后,爬行/绕射波强度迅速增大,与直接反射回波相互叠加而导致信号强度 "波涛翻滚" (绕射波与直接回波的相位关系取决于波长与目标尺寸之比,相位相同时形成有利干扰,信号强度增加,相位相反时出现有源对消,回波强度减低)。在共振散射区与瑞利散射区交界处,反射信号强度达到顶峰,RCS 值可比球体实际截面积高出半个数量级。此后随着波长相对目标尺寸继续增加,回波强度迅速下降,最终绝大多数雷达波辐射能量将直接绕过目标,对其 "视而不见"。

雷达隐形主要依赖外形设计,而能够通过外形设计精确控制回波方向,将主要威胁锥内的信号强度成数量级降低的,只有光学散射区。共振散射区内外形设计基本失效,瑞利散射区内外形设计完全失效。 

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