高頻天地波聯(lián)合傳播一階海雜波仿真分析

費(fèi) 川，李吉寧，楊龍泉

(1.海軍駐哈爾濱地區(qū)艦船配套軍事代表室，哈爾濱 150046;2.中國(guó)電波傳播研究所青島研發(fā)中心，山東 青島 266107)

高頻傳播主要有天波傳播和地波傳播兩種:天波傳播利用電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)，探測(cè)距離在3 000 km 以上［1］;地波傳播利用垂直極化無線電波沿海面繞射傳播損耗小的特點(diǎn)，探測(cè)視距外目標(biāo)和海態(tài)信息，探測(cè)距離可達(dá)200 ～400 km［2］。通常兩者都是單獨(dú)工作，近年來天地波聯(lián)合傳播體制(HSSWP)得到了廣泛的研究［3-6］，取得了很大的進(jìn)展。該體制利用天波發(fā)射能量替代地波發(fā)射源，電磁波經(jīng)過一次電離層發(fā)射到達(dá)海面目標(biāo)，然后經(jīng)海面目標(biāo)散射的能量沿地波繞射傳播到達(dá)地波接收站，形成一個(gè)新體制探測(cè)方式，如圖1 所示［4］。

海雜波是海態(tài)參數(shù)反演的重要載體，而一階海雜波是海雜波的主要成分。文獻(xiàn)［7］、文獻(xiàn)［8］對(duì)高頻海雜波進(jìn)行了詳細(xì)分析，文獻(xiàn)［9］對(duì)岸-艦雙基高頻地波傳播海雜波進(jìn)行了分析。HSSWP 是一種新的體制，其海雜波特性研究未見報(bào)道。HSSWP 是典型的雙基地傳播，與單站高頻傳播相比，海雜波不再是后向散射，在側(cè)向或前向散射情況下，一階海雜波的Doppler 位置不僅與工作頻率有關(guān)，還與電波入射角以及雙基地角有關(guān);此外由于高頻天線波束較寬，雙基地角還會(huì)引起一階峰的展寬。同時(shí)電波要經(jīng)過電離層，由于電離層的不穩(wěn)定和多模特性，海雜波還會(huì)受到電離層的影響，變得更加復(fù)雜。因此有必要對(duì)HSSWP 海雜波進(jìn)行研究。

1 HSSWP 一階海雜波特性分析

1.1 HSSWP 工作方式

天地波聯(lián)合傳播體制(HSSWP)工作方式如圖1 所示，Tx為天波發(fā)射站，Rx 為地波接收站，β 為雙基地角，φ 為天波入射角。它是利用高頻段無線電波通過自由空間斜入射到電離層，經(jīng)電離層反射后通過自由空間到達(dá)地(海)面，再經(jīng)地(海)面以表面波形式傳播到接收點(diǎn)［6］。

圖1 天地波聯(lián)合傳播體制工作方式

天地波聯(lián)合傳播體制是典型的雙基地傳播，滿足雙基地傳播探測(cè)的橢圓幾何關(guān)系，即具有相同群時(shí)延的散射點(diǎn)位于同一個(gè)橢圓上［7，8］，如圖2 所示，其中P1和P2為天波傳播路徑，而R 為地波傳播路徑。

圖2 天地波聯(lián)合傳播體制探測(cè)的幾何關(guān)系

1.2 HSSWP 一階海雜波頻率

對(duì)于單基地高頻海雜波通常由一對(duì)對(duì)稱的一階海雜波和高階海雜波構(gòu)成。其中一階海雜波是由滿足Bragg 散射條件的朝向和背向波束的海浪產(chǎn)生。兩個(gè)尖峰的位置，即Bragg 頻率有下式確定［10］

其中:g 為重力加速度，f0為工作頻率，c 為光速。

下面推導(dǎo)雙基地傳播Bragg 頻率，如圖3 所示，當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，滿足

其中，L 為海面波波長(zhǎng)，則

而雙基地傳播海雜波的Bragg 頻率

其中

而海面波速與波長(zhǎng)存在如下關(guān)系

將式(3)、式(5)代入式(4)，則獲得了HSSWP 下的一階Bragg 頻率

其中fB為單基地情況下的Bragg 頻率。從式(6)可以出，聯(lián)合體制的海雜波不僅與工作頻率，俯仰角有關(guān)，還與雙基地角有關(guān)。通常在1 000 km 上，天波入射角約為10 ～40°，因此在HSSWP 中入射波仰角影響不可忽視。圖4 給出了出不同接收角情況下，Bragg 頻率隨探測(cè)距離的變化情況。

圖3 高頻雙基地Bragg 散射原理圖

圖4 不同接收角正Bragg 頻率隨探測(cè)距離的變化（工作頻率15 MHz）

從圖4 中可以看出，Bragg 頻率隨距離的增大而增大，因此在距離-頻率-幅度三維圖上，Bragg 線表現(xiàn)出隨距離向兩邊傾斜，后面給出的仿真圖給出了這種特點(diǎn);不同的接收方向，其Bragg 頻率的位置不同，隨接收方向的減小而逐級(jí)變大，當(dāng)減小為0°時(shí)，Bragg 頻率與單基地的相同。

1.3 HSSWP 一階海雜波展寬分析

由于高頻波長(zhǎng)較長(zhǎng)，天線不可能做的很大，因此高頻天線波束具有一定的寬度，尤其在艦載情況下，波束更寬。而Bragg 頻率又與雙基地角有關(guān)，因此，寬波束會(huì)使接收的Bragg 峰出現(xiàn)一定的展寬。圖5 給出了不同波束寬度下Bragg 頻率展寬隨距離的關(guān)系。

從圖4 可以看出，隨距離的增大，Bragg 頻率展寬逐漸減小，而隨著波束寬度變大，展寬也變大。

圖5 不同波束寬度下的Doppler 展寬隨距離的變化

1.4 HSSWP 一階海雜波譜仿真結(jié)果

在確定Bragg 頻率之后，雙基地一階譜的幅度由式(6)確定［11］

其中ωb為Bragg 角頻率，K0為電波波數(shù)，S)為海面有向浪高譜，K 為海洋波數(shù)，β 為雙基地角。在假設(shè)一定的工作參數(shù)下，利用高頻傳播方程

其中的參數(shù)意義及設(shè)定值為天線發(fā)射功率Pt= 300 kW(24.77 dB)，天線增益系數(shù)Gt=8 dB，接收天線方向性系數(shù)Dr=14 dB，電離層吸收損耗因子La=12 dB，λ 為工作波長(zhǎng)(m)，由工作頻率f0=15 MHz 確定，Ls為系統(tǒng)損耗因子為12 dB，Lw為電波從目標(biāo)沿海面?zhèn)鞑サ絉 處損耗因子由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得，σ 為一階海面RCS，由式(7)確定(其中海態(tài)參數(shù)設(shè)置為風(fēng)向與波束夾角120°，風(fēng)速為8 m/s)。

通過添加合適的噪聲即可獲得聯(lián)合體制下的一階海雜波譜，如圖6(a)所示(其中波束寬度設(shè)為20°)。圖6(b)為文獻(xiàn)［12］獲得的實(shí)測(cè)雙基地海雜波譜圖。

比較圖6(a)、(b)可以看出，仿真圖型與實(shí)測(cè)在Bragg 頻率變化，展寬等方面基本一致，仿真體現(xiàn)出HSSWP 一階海雜波的特性。

1.5 不同方向一階海雜波仿真

圖7 給出了不同方位，一階雜波在不同距離上的分布(波束寬度20°)。

圖6 仿真海雜波與實(shí)測(cè)海雜波對(duì)比

圖7 不同方向上一階海雜波的分布

從圖7 可以看出，一階海雜波隨不同的接收方向其覆蓋的距離、Doppler 頻率位置以及頻率展寬等都不同，當(dāng)θ =0°時(shí)，回波譜與單基地傳播相同。當(dāng)假設(shè)目標(biāo)落入一階雜波區(qū)時(shí)，無法檢測(cè)出目標(biāo)(與實(shí)際工程相符)，海雜波的以上特點(diǎn)會(huì)影響到某些距離或Doppler 區(qū)域上目標(biāo)的檢測(cè)，因此在天地波聯(lián)合體制的設(shè)計(jì)中必須考慮接收方向?qū)μ綔y(cè)目標(biāo)速度的影響。

2 影響一階海雜波的其他因素

2.1 電離層對(duì)一階海雜波的影響

以上僅是考慮理想電離層條件下的一階海雜波情況，實(shí)際上，由于電離層的復(fù)雜性，獲得的海雜波并不會(huì)這么理想。電離層的影響主要體現(xiàn)在兩方面，一是電離層的運(yùn)動(dòng)，其主要影響是導(dǎo)致海雜波的展寬，在雙基地展寬的基礎(chǔ)上會(huì)更加嚴(yán)重。二是電離層的多模現(xiàn)象，雖然與天波傳播相比，聯(lián)合體制是單程經(jīng)過電離層，但電離層的多?，F(xiàn)象仍會(huì)嚴(yán)重影響海雜波，尤其是不同層的直達(dá)波可能覆蓋掉其他模式的海雜波。

2.2 海態(tài)參數(shù)對(duì)一階海雜波的影響

海態(tài)是影響一階海雜波的另一重要因此，尤其是風(fēng)向。風(fēng)向與雙基地角平分線的夾角直接決定了兩個(gè)一階峰的相對(duì)大小。當(dāng)風(fēng)沿雙基地角平方線(指向發(fā)射接收的連線)方向時(shí)，正Bragg 峰大于負(fù)Bragg 峰，相反時(shí)，負(fù)的大于正的，這與單基地傳播相類似，本文未作詳細(xì)說明。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了HSSWP 的一階海雜波特性，對(duì)聯(lián)合體制海雜波的頻率特性，展寬特性進(jìn)行詳細(xì)分析，并給出了仿真的一階海雜波譜圖。為聯(lián)合體制的布站、海態(tài)分析及反演提供理論分析。由于二階譜的復(fù)雜性，本文并未涉及，還有待進(jìn)一步研究。

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