超視距雷達

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超視距雷達，又稱天波雷達（Skywave OTH radar, Skywave Over-the-horizon radar、BTH, beyond the horizon）、天波（Skywave）是指從電離層(上層大氣的帶電層)反射或折射回地球的無線電波的傳播，由於它不受地球曲率的限制，天波傳播可以用於在洲際距離上超越地平線。它主要使用短波頻段，通常為1.6-30MHz兆赫（187.4-10.0m米）。它使雷達系統能夠發現非常遠的目標，通常長達數千公里。幾個OTH雷達系統在20世紀50年代和60年代開始部署，用於部分的早期預警雷達系統，但是這些一般都被空中早期預警雷達系統所代替。隨著冷戰結束，精確遠程追蹤的需求不那麼重要，因為可用於海上偵察和禁毒執法，較為便宜的地面雷達重新受到關注，於是OTH雷達最近又恢復使用。

## 技術

無線電波是電磁輻射的一種形式，往往沿直線傳播。所以地球的彎曲通常限制了雷達系統對於地平線外物體的探測距離。比如，裝在10m桅杆頂部的雷達，考慮進大氣折射效應，可以達到13km的地平線處。如果目標在地球表面之上，探測距離則會相應增加，所以相同的雷達，可以探測到一個在26km遠，10m高的目標。一般來說，建立直視距離超過幾百公里的雷達系統不切實際。OTH雷達使用多種技術來超地平線探測，使之能夠在早期預警雷達中十分有用。

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設計OTH雷達的一種方法是使用電離層反射。由於大氣的某種情況，向電離層傳播的無線電信號會反射回地面。反射出大氣後，少量信號會從地面反射回空中，少部分回到播出裝置。只有一個頻段才經常出現這種情況：高頻（HF）或者說3-45MHz的短波部分。某種大氣情況下，在此頻段的無線電信號會反射回地面。「正確」的使用頻率取決於當前大氣情況，所以使用電離層反射的雷達系統通常實時監測反向散射信號的接受能力來持續調整發送信號的頻率。

鑑於每次反射的信號損失，「反向散射」信號非常小，所以，直到20世紀60年代，設計出極低噪音放大器之前，OTH雷達不切實際。

相比於從「目標」反射回的信號，從地面，海洋反射回的信號占大部分，所以需要某些系統將目標從背景噪音中區分出來。最簡單的方法是用都卜勒效應，此方法採用運動物體產生的頻移來測量他們的速度。過濾掉與原發送頻率相同的後向散射信號就可以看到移動的物體了。這個基本理念幾乎用於所有現代雷達，但是在OTH系統的情況下，由於電離層運動引入相似的效果，它變得較為複雜。

雷達解析度取決于波束寬度和目標的距離。如：$\frac{1}{2}$度波束寬度的雷達，在顯示120km米遠的目標會顯示成1km寬。由於OTH雷達的遠程使用，通常測得的都是幾十公里處的解析度。這使得反向散射系統對目標交戰幾乎毫無用處，雖然這種精度已經足夠用於早期預警了。它實現高頻處$\frac{1}{2}$度的束寬就需要幾公里的天線陣列。

## 歷史

早期對有效OTH系統的研究，是在美國海軍研究實驗室的威廉·J·泰勒博士指導下進行的，這項工作稱為（梯皮計劃）。第一個實驗性系統，MUSIC （Multiple Storage, Integration and Correlation），在1955年開始運作，且可以用於探測卡納維拉爾角600mi遠的火箭發射和1,700mi內華達的核爆炸。1,700mi有另一個大大改進的系統（運作雷達的試驗台），1961年建立在切薩皮克灣，名為MADRE （Magnetic-Drum Radar Equipment）。顧名思義，兩個系統都要依靠對比存儲在磁鼓（當時唯一的高速存儲系統）上的信號。

第一個真正可用的發展是稱為Cobra Mist的英美雷達系統。20世紀60年代後期開始建造，Cobra Mist使用巨大的10兆瓦發射器，從英格蘭薩福克郡的位置可以探測到蘇聯西部。1972年系統開始測試，然而，突發的噪聲源使得它無法使用。最終，1973年官方棄置這個地點，噪聲源還未被確定。

在此期間，蘇聯也致力於研發相同的系統，在1971年開始了運作他們的實驗系統。不久之後，被西方稱為Steel Yard的第一個運作性系統，在1976年開始工作。

### 超視距系統

#### 美國空軍

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美國空軍羅馬實驗室的AN/FPS-118 OTH-B 首次成功實現。1兆瓦發射器和分離的接收器原型安裝在緬因州，可提供900-3,300公里，60度扇形的覆蓋面。永久發射設施建設在美國莫斯科空軍站，接收設施則在哥倫比亞福爾斯空軍站，操作中心設在兩地之間之間的班格爾。覆蓋面可由額外的接收器延展，提供完整的180度弧（每60度稱為一個「扇區」）。通用航空被授予了開發合同，將現有的東海岸系統擴展多兩個區，同時在西海岸另建一個三扇區系統，在阿拉斯加建造了一個兩扇區系統，和一個面向南方的一扇區系統。1992年，空軍承包東海岸三扇區覆蓋面順時針方向的擴展，使之能夠覆蓋美國的東南邊界。此外，範圍擴大到3000mi，穿過赤道。每周隨機工作40小時。雷達數據傳給邁阿密美國海關/海岸警衛隊C3I中心，基韋斯特聯合特遣隊4號指揮中心，基韋斯特美國南方司令部指揮中心和巴拿馬美國南方司令部指揮中心。

隨著冷戰結束，緬因州的兩套系統因影響力不足而停止運作，阿拉斯加和南向地點也被取消。

到2002年，西海岸設施被降級到「冷藏」狀態，意味著其只提供最小限度的維護，並開始進行拆除設施的可行性研究。經過一段時間的公共投入和環境研究，於2005年7月，美國空軍空戰司令部發表了「西海岸設施-超視距回波雷達設備拆除的最終環境評估」。

最終官方決定拆除俄勒岡州聖誕谷外的西海岸發射器地址內的所有雷達設備，和拆除加州圖勒湖附近的接收器。2007年7月，拆除工作完成，天線陣列被拆除，兩處的建築、圍欄和基礎設施原封不動。

#### 美國海軍

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美國海軍也製作了自己的雷達系統,AN/TPS-71 ROTHR （可重定位超視距雷達），可覆蓋64度角的楔形區域，距離500-1,600海里（925-3,000公里）。ROTHR最初用於記錄太平洋上船隻和飛機的運動，也使協調艦隊運動在交戰時處於有利地位。ROTHR系統原型安裝在阿拉斯加阿留申群島的安奇卡島上，監視俄羅斯東海岸，這套系統從1991年用到1993年，設備後來拆除保管。首次生產的系統安裝在維吉尼亞試驗場用於接收測試，但是後來轉用作反非法毒品交易，覆蓋中美洲和加勒比地區。第二次生產的ROTHR設立在德克薩斯，在覆蓋了加勒比地區的一大部分，也覆蓋太平洋和南至哥倫比亞的。這套系統也作用於反毒品交易。第三，也是美軍最新生產的系統，它安裝在波多黎各，使緝毒監控的拓展穿過赤道，深入南美。

#### 蘇聯/俄羅斯

蘇聯早在20世紀50年代也開始了OTH系統研究。他們的第一個實驗模型是建設在1949年的「維亞爾」（扇子）。下一個正式的項目是「杜加-2」，建立在尼古拉耶夫外（在現今烏克蘭境內靠近敖德薩處的黑海海岸），指向東端。1971年11月7日，杜加-2首次啟動，並成功用於追蹤從遠東和太平洋發射到新地島實驗場的飛彈。

接下來的第一個運作系統，西方稱為「Steel Yard」，1976開始發出信號，它在戈梅利建立（靠近車諾比），它指向北端，覆蓋了美國本土。短波頻段中部的大聲重複的脈衝使它被業餘無線電愛好者（ham）稱為俄羅斯啄木鳥。最終，因為他干擾了商用飛機使用的特定遠程空對地通信，蘇聯改變了系統使用的頻率，甚至並不承認它是干擾源。第二個系統建在西伯利亞，同時覆蓋了美國本土和阿拉斯加。

沃羅涅日-DM雷達：雷達的峰值功率達625千瓦，它擁有相控陣雷達、大型計算機組、信號分析處理設備及配套設備儀器，可通過更換相應的設備模塊迅速完成日常維修和系統升級，並時刻保持最先進的技術性能。2006年在列寧格勒州列赫圖西村投入試驗性作戰值班，探測距離達6000公里。

#### 澳大利亞

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最近增加的一套系統是澳大利亞國防部於1998年開發，2000年完成的金達利作戰雷達網。這套系統由澳大利亞皇家空軍一號雷達監視部隊操作。它是一個使用了OTH-B（超視距後向散射雷達）的多元靜態雷達（多接收器）系統，使它兼具遠程探測和反隱形的能力。官方的距離是3000km，但在1997年的原型就可以探測遠在5500km由中國發射的飛彈。

由於改進了電子和信號處理系，相比於美國的OTH-B的1兆瓦功率，金達利功耗僅560千瓦，但卻比美國20世紀80年代的系統有更遠的偵測距離。

#### 法國

法國在20世紀90年代也開發出了名叫諾斯特拉德馬斯的OTH雷達。2005年開始於法國軍隊服役，但是其仍在開發中。它基於星形的發射接收（單站）天線場，可用於探測360°，超過一千米高的飛機。使用的頻率範圍是6-30MHz。

#### 中國

據報導，一些OTH-B和其他OTH-SW（面波）雷達在中國已經在運作。關於這些系統，官方透露出細節甚少。然而，這些雷達的傳播導致對其他國際授權使用者干涉較多。

最早呼籲中國要研究超視距雷達的專家是錢學森，但是直到包養浩、焦培南在1982年時研製出中國第一部「脈沖體制天波超視距試驗雷達」（112-1雷達），成功地在強雜波中檢測到900–1500km的民航機，因此獲得1985年國家科技進步二等獎。經過多年的研究，10年前就傳出解放軍組建「天波旅」，但是一直都未獲證實。2016年元月，加拿大《漢和防務評論》曾指出，中國對天波雷達已進入聯試階段尾聲，並成立了由解放軍總部直接管轄的天波旅。中國第一座天波雷達部署在湖北、河南、安徽三省交界處，探測範圍即可覆蓋整個東南沿海，東到日本東京以南的西太平洋海域，南到菲律賓以東海域。因此，第一座加上位於內蒙的第二座，兩者覆蓋範圍將交集在西太平洋，也就是說，未來東海發生戰爭時，美日可能部署的區域。探測距離超遠的天波雷達，其波長是10至60公尺，恰好是隱形戰機的長度，所以可具備相當反隱形偵測能力。此外經過衛星識別對航母群進行持續跟蹤，為其它偵察手段進行再次定位提供引導。

## 替代OTH的方法

另一個常見的超視距雷達，是使用面波（地波）。地波是低於1.6MHz的中波調幅廣播和其他更低頻的傳播方式。沿地面傳播距離增加時候，地波信號急速衰減，因而接收的廣播站距離也有限制。但是帶有高傳導性的海水可支持地波傳到100公里或以上。這種地波OTH雷達用於監視，操作範圍通常在4-20MHz。較低的頻率獲得更好的傳播效果，但是從小物體反射回來的也少，所以要根據被探測目標的類型來決定最適合的頻率。

OTH雷達的另一個完全不同的方式是用更低頻率的爬波或者電磁面波。爬波是由於衍射而到物體背部的散射（這就是為什麼兩隻耳朵能聽到頭一側聲音的原因，也是如何完成早期無線電通信和廣播的原因）。在雷達方面，儘管處理返回信號相當困難，但是爬波問題所在是圍繞地球本身的衍射。這類系統的發展因處理能力快速增長變得可行。這種系統稱為OTH-SW，SW表示面波。

第一個OTH-SW系統為蘇聯部署，用於監測日本海，近期加拿大則使用了新型系統用於海岸監測。澳大利亞同樣部署了高頻面波雷達。

## 外部連結

- A Canadian Perspective on High-Frequency Over-the-Horizon Radar - paper by R. J. Riddolls Defence R&D Canada – Ottawa
- The Development of Over-the-Horizon Radar in Australia - paper by D.H. Sinnott on the Australian Department of Defence website
- Google maps link - Russian "Steel-Yard" radar near Chernobyl.