單基地一階海雜波的仿真研究

渤海船舶職業(yè)學(xué)院電氣工程系 常 亮

1.引言

高頻地波超視距雷達(dá)在探測海面過程中產(chǎn)生的海雜波的特性分析對雷達(dá)的整體性能起到了非常重要的作用，從1955年，Crombie開始提出一階海雜波諧振散射的本質(zhì)[1]，從此對于海雜波的研究就被作為重要課題不斷的被探索深入，在單基地高頻地波超視距雷達(dá)中，由于Bragg諧振散射原理（當(dāng)海浪波的波長等于雷達(dá)波長的一半時會發(fā)生Bragg諧振散射），在多普勒頻域上可以看出兩個幅度明顯占優(yōu)的峰線，也就是我們俗稱的Bragg峰。方向?yàn)槌蚶走_(dá)和遠(yuǎn)離雷達(dá)，是由一片海域內(nèi)流動的海浪造成的，而在理想狀態(tài)下，Bragg峰的多普勒頻率值和雷達(dá)的波長即雷達(dá)的工作頻率有關(guān)，所以在知道雷達(dá)頻率的情況下我們可以精確的計(jì)算出Bragg峰的理論值。但是在實(shí)際情況中，海面會有洋流、風(fēng)向的影響，而由海浪產(chǎn)生的一階海雜波的Bragg峰也會偏離理想狀態(tài)下的值。但是通過研究可以證實(shí)，這種多普勒頻率上的偏移，不管是在朝向雷達(dá)方向還是在遠(yuǎn)離雷達(dá)方向上始終是保持一致的，經(jīng)過多次測量發(fā)現(xiàn)其偏移量也大致相等，并且有一定的預(yù)知性。所以可以認(rèn)為Bragg峰形態(tài)上的特征知識對目標(biāo)檢測與洋流測量也帶來了極大的便利，為單基地海雜波檢測提供了可靠的理論依據(jù)。本文簡要敘述了單基地一階海雜波的產(chǎn)生機(jī)理，并通過仿真進(jìn)一步了解為后文的檢測奠定了基礎(chǔ)。

2.單基地高頻雷達(dá)一階海雜波理論

整體上來看，海面可以作為一個隨機(jī)運(yùn)動的散射體。但是實(shí)驗(yàn)證明，在理想條件下（不考慮洋流，風(fēng)向，水深的影響），當(dāng)高頻雷達(dá)發(fā)射的電磁波波長的一半和海浪波波長相等時，會發(fā)生Bragg諧振散射原理，并且此時海浪波的方向?yàn)槌蚶走_(dá)或者遠(yuǎn)離雷達(dá)。假設(shè)海浪波波長為sλ，雷達(dá)波長為λ，如果：

則發(fā)生Bragg諧振散射。如圖1所示。

在無洋流的深水中，理論位置的一階位置可以通過下式計(jì)算：

式中，λ為雷達(dá)的發(fā)射波的波長，fc為雷達(dá)的發(fā)射頻率，g為重力加速度，c為光速。

海浪波的頻率等同于諧振的多普勒頻率，所以在回波功率譜上，在這兩個頻率點(diǎn)形成對稱的尖銳譜峰，即我們所說的Bragg諧振散射原理，該點(diǎn)的多普勒頻率就是一階Bragg諧振頻率。我們要研究的單基地一階海雜波就是一階Bragg諧振頻率。

3.理想條件下的單基地一階海雜波仿真

利用邊界微擾法Barrick導(dǎo)出了在沒有洋流、窄波束的情況下一階海面散射系數(shù)表達(dá)式為：

公式中的參數(shù)，k為雷達(dá)的波矢，ωB=2πfB為Bragg角頻率，φ為電磁波的方位角，ω為多普勒角頻率，m=±1表示多普勒頻移符號，S(·)為海浪的有向波高譜。

仿真結(jié)果如圖2所示：理想狀態(tài)下的一階Bragg峰為兩條對稱的譜線，對數(shù)據(jù)按照Bragg頻率歸一化處理，可以發(fā)現(xiàn)一階海雜波的Bragg峰發(fā)生在Bragg諧振散射位置。

現(xiàn)在根據(jù)仿真數(shù)據(jù)對單基地一階海雜波的影響因素進(jìn)行討論：

3.1 雷達(dá)頻率對單基地一階海雜波的影響

結(jié)論：對比圖3，隨著雷達(dá)頻率的升高，雷達(dá)的波長變短，對應(yīng)產(chǎn)生諧振的海浪波長也相應(yīng)的減小，所以對應(yīng)的一階海雜波散射系數(shù)增大。

3.2 海面風(fēng)速對一階海雜波的影響

結(jié)論：從圖4我們可以明顯的看出，隨著海面風(fēng)速的增加，海浪有向波高譜變大，對應(yīng)的一階海雜波的一階散射系數(shù)變大。

3.3 風(fēng)向的角度對一階海雜波的影響

圖1 高頻地波超視距雷達(dá)一階海雜波原理圖

圖2 理想狀態(tài)下的一階海雜波仿真

圖3 不同雷達(dá)發(fā)射頻率下的一階海雜波仿真

圖4 海面風(fēng)速不同的一階海雜波仿真

圖5 風(fēng)向角度變化時的一階海雜波仿真

結(jié)論：通過圖5我們可以看出隨著風(fēng)向的改變對海雜波的正負(fù)bragg峰的影響也發(fā)生了改變，參考下圖6單基地一階海雜波實(shí)測數(shù)據(jù)，可以更清楚的觀察到風(fēng)向?qū)σ浑Abragg峰的影響。

4.總結(jié)

在上文的仿真中我們可以看出，理想狀態(tài)下Bragg峰表現(xiàn)為主瓣非常窄，幅值與雷達(dá)的發(fā)射頻率和海面的風(fēng)速密切相關(guān)。但是對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)主瓣周圍常常會發(fā)現(xiàn)邊帶結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)雷達(dá)的發(fā)射頻率位于高頻段靠近較高頻區(qū)域，對其分析發(fā)現(xiàn)是由于電磁波和海浪波發(fā)生了二階Bragg諧振散射造成的，從而形成了我們常說的二階海雜波，經(jīng)過大量的實(shí)際測量與觀察二階海雜波一般出現(xiàn)在一階海雜波譜線之間和譜線兩側(cè)，并且可以證實(shí)二階海雜波的峰值也是可以預(yù)測計(jì)算的，它們一般出現(xiàn)在以及2 fB處。通過上文的講述，使得我們對一階海雜波分析更加明確，通過仿真實(shí)驗(yàn)可以了解到，雷達(dá)頻率，風(fēng)向，風(fēng)速等外在因素對一階海雜波產(chǎn)生的影響，為第三章的實(shí)測數(shù)據(jù)處理奠定了基礎(chǔ)。

[1]D.D.Crombie.Doppler Spectrum of Sea Echo at 13.67MHz.Nature.1955,175:681-682.