高頻返回散射探測(cè)中一種特殊現(xiàn)象成因及特性分析

李吉寧 李 雪 楊東升

（中國(guó)電波傳播研究所，山東 青島266107）

引 言

高頻（High Frequency，HF）返回散射利用電離層反射和地海面散射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離電離層探測(cè)和超視距目標(biāo)探測(cè)［1］.其探測(cè)方式包括掃頻探測(cè)和定頻探測(cè)兩種：掃頻探測(cè)通過(guò)發(fā)射掃頻（3～30MHz）探測(cè)信號(hào)，獲得頻率－時(shí)延－能量三維圖形，是遠(yuǎn)距離電離層探測(cè)的重要手段之一；定頻探測(cè)是在固定頻率上長(zhǎng)時(shí)間相干積累探測(cè)獲得多普勒－時(shí)延－能量信息，用于遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)（即天波超視距雷達(dá)）及電離層信道特性研究.

高頻返回散射定頻探測(cè)多普勒譜主要由無(wú)線電噪聲和地海雜波組成，如圖1左圖所示，與常規(guī)多普勒譜圖不同，在日常探測(cè)中，會(huì)出現(xiàn)一種具有“彎鉤”形狀的地?；夭?，如圖1右圖所示.

圖1 實(shí)測(cè)正常譜圖與具有“彎鉤”的譜圖

這種“彎鉤”現(xiàn)象，距離延伸可達(dá)100～400km，多普勒頻移也達(dá)2～3Hz，在天波超視距雷達(dá)探測(cè)中極易將其判斷為艦船目標(biāo)信號(hào)，造成虛警，該現(xiàn)象已成為影響天波超視距雷達(dá)低速目標(biāo)檢測(cè)的重要因素之一.

目前已有多篇文獻(xiàn)對(duì)電離層探測(cè)中的異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，如文獻(xiàn)［2］針對(duì)電離層垂直探測(cè)中一種“微笑”型回波進(jìn)行分析，文獻(xiàn)［3］利用電離層射線追蹤對(duì)電離層擾動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析.文獻(xiàn)［4］對(duì)返回散射掃頻探測(cè)中Es層情況進(jìn)行了研究，但本文提及的高頻返回散射定頻探測(cè)“彎鉤”現(xiàn)象未見(jiàn)相關(guān)分析.

本文針對(duì)上述“彎鉤”現(xiàn)象，在建立時(shí)變電離層模型基礎(chǔ)上，利用電離層射線追蹤技術(shù)，獲得各射線的多普勒信息，實(shí)現(xiàn)返回散射定頻探測(cè)仿真，進(jìn)而對(duì)“彎鉤”現(xiàn)象進(jìn)行分析.

1 電離層射線追蹤技術(shù)

1.1 電離層模型

電離層是地球高層大氣電離的部分，其中包含大量自由電子，顯著影響無(wú)線電波的傳播.目前已建立了多個(gè)電離層電子濃度分布模型，常用模型包括線性層、指數(shù)層、拋物層、準(zhǔn)拋物層等，還包括一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如卡普曼層、Bent模型、國(guó)際參考電離層、中國(guó)參考電離層等［1］.

準(zhǔn)拋物模型電子密度分布與實(shí)際分布相當(dāng)接近，其數(shù)學(xué)表達(dá)式比較簡(jiǎn)單，方便求得解析解，本文電離層模型采用該模型，其表達(dá)式為［5］

式中：r為相對(duì)于地球球心的徑向距離；Nm為最大電子密度，與電離層臨界頻率（以下簡(jiǎn)稱臨頻）fo關(guān)系為Nm＝f2o／80.6；rb為電離層底高；ym為層的半厚；rm為最大電子密度Nm的高度（簡(jiǎn)稱峰高），rm＝rb＋ym.

1.2 電離層射線追蹤

射線追蹤是研究高頻電波在電離層中傳播的重要手段之一，主要包括解析射線追蹤和數(shù)字射線追蹤.解析射線追蹤能夠提供射線傳播路徑參數(shù)的解析表達(dá)式，可精確獲取電離層參數(shù)細(xì)微變化對(duì)射線路徑的影響，本文采用解析射線追蹤.

解析射線追蹤通常忽略地磁場(chǎng)和碰撞影響，并且假設(shè)電離層球形對(duì)稱分布，基于準(zhǔn)拋物電離層模型獲得的射線傳播地面距離D、群路徑P′、相位路徑Pr解析表達(dá)式為［6］：

式中：A ＝1－（fo／f）2＋（forb／fym）2，f為工作頻率，fo為臨 界頻率；B ＝－2rm（fcrb／fym）2；C ＝（fcrbrm／fym）2－rr0cos2β0；X ＝Ar2＋Br＋C；Xb＝－cos2β0；βb＝cos－1（（r0／rb）cosβb），β為射線與水平面夾角，β0為r＝r0處的夾角，r0為地球半徑.

電離層射線追蹤詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方式可參考文獻(xiàn)［6－8］.

假設(shè)電離層為單層，設(shè)置參數(shù)為：rb＝180km，rm＝240km，fo＝9MHz，f＝15MHz，利用電離層射線追蹤程序?qū)Ω哳l電波射線路徑進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示，圖中兩條橫線表示電離層底高和峰高.

圖2 電離層射線追蹤路徑圖

從圖2可以看出：在低仰角情況下，射線傳播到遠(yuǎn)區(qū)，每條射線具有不同的群路徑；當(dāng)仰角增大時(shí)，出現(xiàn)了高仰角傳播模式，形成了多條射線具有相同群距離，從而產(chǎn)生聚焦效應(yīng)（由于多條路徑回波落在同一群距離內(nèi)，能量顯著增強(qiáng)）；當(dāng)仰角進(jìn)一步增大時(shí)，射線將穿透電離層，無(wú)回波.

由于高低角傳播模式的存在，同一群距離可能包含不同仰角的射線，每條射線具有不同相路徑，從而使同一群距離上出現(xiàn)不同多普勒頻率（即“彎鉤”現(xiàn)象）成為可能.

2 返回散射定頻多普勒譜仿真

2.1 時(shí)變電離層

準(zhǔn)拋物電離層模型提供了電離層電子濃度靜態(tài)模型，為仿真獲得電離層變化多普勒信息，需要建立電離層電子濃度時(shí)變模型.

從電子濃度表達(dá)式（1）看出，影響電離層電子濃度的參量包括電離層底高rb、峰高rm和臨頻fo，因此時(shí)變電離層模型可通過(guò)建立上述三個(gè)參量的時(shí)變函數(shù)實(shí)現(xiàn)，本文建立線性時(shí)變關(guān)系如下：

式中：rb0、rm0、fo0分別為電離層底高、峰高和臨界頻率初始值；vb、vm、vf分別為電離層底高、峰高和臨頻變化速度.

2.2 高頻返回散射定頻多普勒譜

電離層引起的多普勒頻移fd可以通過(guò)時(shí)變電離層引起的相路徑變化計(jì)算獲得，即

高頻返回散射回波除受電離層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻移外，還受到海面散射運(yùn)動(dòng)特性影響，對(duì)于回波較強(qiáng)的一階海雜波，其多普勒頻移由下式給出［9］：

式中，f為返回散射探測(cè)工作頻率，單位為MHz.

假設(shè)電離層電子濃度存在變化，依據(jù)公式（8）計(jì)算電離層射線多普勒頻移，同時(shí)疊加一階海雜波多普勒頻移，結(jié)果如圖3所示.從圖3可以看出明顯的“彎鉤”現(xiàn)象.通過(guò)對(duì)不同多普勒點(diǎn)的射線進(jìn)行分析，結(jié)果表明，“彎鉤”現(xiàn)象主要由電離層高低角傳播以及電離層電子濃度變化引起，低仰角射線多普勒頻率較小，高仰角射線多普勒頻率較大，從而產(chǎn)生“彎鉤”形狀.

圖3 仿真獲得的具有“彎鉤”形狀的多普勒譜圖

3 不同電離層參數(shù)“彎鉤”特性

3.1 電離層不同參數(shù)變化影響分析

前文分別建立了電離層底高rb、峰高rm和臨頻fo三個(gè)參量的時(shí)變函數(shù)，為分析不同參量變化形成“彎鉤”的不同，設(shè)置其中一個(gè)參數(shù)值隨時(shí)間變化，其他兩個(gè)參量不變，結(jié)果如圖4所示（為顯示方便，僅以負(fù)一階海雜波為例進(jìn)行分析，下同）.從圖4可以看出：三個(gè)參數(shù)變化均會(huì)產(chǎn)生“彎鉤”現(xiàn)象，但三者形成的“彎鉤”多普勒頻移具有明顯不同：底高變化速度vb為正值時(shí)，即底高向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，“彎鉤”方向朝向負(fù)多普勒方向，但非“彎鉤”部分則朝向正多普勒方向偏移；峰高變化速度vm為負(fù)值時(shí)，即峰高向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，“彎鉤”方向朝向負(fù)多普勒方向，非“彎鉤”部分也朝向負(fù)多普勒方向偏移；當(dāng)臨頻變化速度vf為正時(shí)，即最大電子濃度增加時(shí)，“彎鉤”方向朝向負(fù)多普勒方向，但非“彎鉤”部分無(wú)多普勒偏移.

3.2 電離層參數(shù)變化速度影響

為分析電離層參數(shù)變化速度對(duì)“彎鉤”影響，對(duì)不同峰高速度vm進(jìn)行分析（其他參數(shù)不變），圖5分別給出了不同峰高變化速度下返回散射定頻譜圖仿真圖.從圖5可以看出：電離層峰高正速度時(shí)，“彎鉤”朝正多普勒方向偏移；負(fù)速度時(shí)，“彎鉤”朝負(fù)多普勒方向偏移；電離層峰高速度越大，“彎鉤”部分及非“彎鉤”部分多普勒頻率偏移越大，但“彎鉤”距離延伸基本差異不大.

通過(guò)對(duì)電離層底高變化速度vb和臨頻變化速度vf的分析表明，其變化特性基本與峰高變化相同.

圖4 三個(gè)參量變化形成的“彎鉤”多普勒譜圖

圖5 不同電離層速度返回散射多普勒譜圖

3.3 電離層參數(shù)初始值影響分析

電離層底高、峰高和臨界頻率是描述電離層狀態(tài)的重要參數(shù)，分別更改時(shí)變函數(shù)中三個(gè)參量的初始值rb0、rm0，fo0，其他參量不變，對(duì)返回散射定頻譜圖進(jìn)行仿真，圖6～8給出了峰高變化速度為－1 m／s，底高和臨界頻率變化速度為零，不同電離層參數(shù)初始值變化的仿真結(jié)果.

從仿真結(jié)果可以看出，電離層參數(shù)初始值變化對(duì)“彎鉤”現(xiàn)象影響明顯：

圖6 電離層不同底高多普勒譜圖

圖7 電離層不同峰高多普勒譜圖

圖8 電離層不同臨界頻率多普勒譜圖

1）電離層參數(shù)初始值變化主要影響“彎鉤”出現(xiàn)的距離位置；

2）電離層底高和峰高初始值變化對(duì)“彎鉤”多普勒偏移影響不大，而電離層臨頻初始值對(duì)多普勒頻移具有明顯影響.

3.4 與實(shí)測(cè)“彎鉤”對(duì)比

為分析圖1實(shí)測(cè)“彎鉤”現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的電離層電子濃度變化情況，調(diào)整電離層電子濃度模型中相關(guān)參數(shù)，獲得電離層定頻多普勒仿真圖，并與實(shí)測(cè)“彎鉤”現(xiàn)象進(jìn)行比較，使兩者較為吻合，結(jié)果如圖9所示，獲得的電離層電子濃度參數(shù)為：rb0＝160km，rm0＝240km，fo0＝7MHz，vb＝1m／s，vm＝－1m／s，vf＝0.01Hz／s.

仿真結(jié)果表明，實(shí)測(cè)獲得的“彎鉤”現(xiàn)象不是電離層電子濃度表達(dá)式中某單一參數(shù)變化造成，而是多個(gè)參數(shù)綜合變化結(jié)果，表現(xiàn)為電子濃度的復(fù)雜變化.

上述對(duì)比方法為電離層電子濃度變化反演提供了一種參考思路.

圖9 仿真多普勒譜線（白色線）與實(shí)測(cè)圖對(duì)比

4 結(jié) 論

本文在建立時(shí)變電離層模型基礎(chǔ)上，利用射線追蹤技術(shù)，對(duì)高頻返回散射定頻探測(cè)回波譜中一種具有“彎鉤”形狀的地?；夭ㄟM(jìn)行仿真，在此基礎(chǔ)上對(duì)該現(xiàn)象的成因及變化特性進(jìn)行了分析.結(jié)果表明該現(xiàn)象主要由電離層高低角傳播及電離層電子濃度變化引起，電離層參數(shù)變化對(duì)“彎鉤”存在顯著影響.

［1］周文瑜，焦培南.超視距雷達(dá)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［2］李吉寧，凡俊梅，李 雪，等.高頻海態(tài)監(jiān)測(cè)中幾種電離層雜波特性及成因分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，29（2）：334－338.LI Jining，F(xiàn)AN Junmei，LI Xue，et al，The characteristics and causes analysis of ionospheric clutter in HF surface wave radar［J］.Chinese Journal of Radio Science，2014，29（2）：334－338.（in Chinese）

［3］柳 文，焦培南，王俊江，等.利用射線追蹤研究電離層擾動(dòng)［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2005，48（3）：465－470.LIU Wen，JIAO Peinan，WANG Junjiang，et al.A study of the disturbance in the ionosphere using ray tracing technology［J］.Chinese Journal of Geophysics，2005，48（3）：465－470.（in Chinese）

［4］柳 文，焦培南，王世凱，等.一種基于HF返回散射電離圖推斷Es層參數(shù)的新方法［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，23（4）：662－667.LIU Wen，JIAO Peinan，WANG Shikai，et al.A method for determination of Es parameters based on backscatter ionogram［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（4）：662－667.（in Chinese）

［5］K?HNLEIN W.Electron density models of the ionosphere［J］.Reviews of Geophysics and Space Physics，1978，16（3）：341－354.

［6］CROFT T A，HOOGASIAN H.Exact ray calculations in a quasi－parabolic ionosphere with no magnetic field［J］.Radio Sci，1968，3（1）：69－74.

［7］HILL J R.Exact ray paths in a multisegment quasiparabolic ionosphere［J］.Radio Sci，1979，14（5）：855－861.

［8］HILL J R.Exact ray paths in a multisegment quasiparabolic ionosphere［J］.Radio Sci，1979，14，855－861.

［9］BARRICK D.First－order theory and analysis of MF／HF／VHF scatter form the sea［J］.IEEE Trans Antennas Propag，1972，20：2－10.