蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境掠射角對(duì)雷達(dá)海雜波的影響

衛(wèi)佩佩　杜曉燕　江長(zhǎng)蔭　張輝

(1.信息工程大學(xué),鄭州 450002;2.中國(guó)電波傳播研究所,新鄉(xiāng) 453003;

3.北京雷音電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100070)

?

蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境掠射角對(duì)雷達(dá)海雜波的影響

衛(wèi)佩佩1杜曉燕1江長(zhǎng)蔭2張輝3

(1.信息工程大學(xué),鄭州 450002;2.中國(guó)電波傳播研究所,新鄉(xiāng) 453003;

3.北京雷音電子技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100070)

摘要利用雷達(dá)海雜波反演對(duì)流層波導(dǎo)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)，這是一個(gè)典型的電磁逆問(wèn)題.為了盡可能降低反演的不確定性,文章基于對(duì)流層波導(dǎo)大氣修正折射率水平非均勻性,通過(guò)分析蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境掠射角對(duì)雷達(dá)海雜波的影響,提出了蒸發(fā)波導(dǎo)條件下的海雜波功率模型,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,有效提高了對(duì)流層波導(dǎo)反演效果.

關(guān)鍵詞對(duì)流層波導(dǎo);蒸發(fā)波導(dǎo);水平非均勻性;掠射角;海雜波功率模型

DOI10.13443/j.cjors.2015040204

The effect of grazing angle on radar sea clutter in evaporation duct environment

WEI Peipei1DU Xiaoyan1JIANG Changyin2ZHANG Hui3

(1.InformationEngineeringUniversity,Zhengzhou450002,China; 2.ChinaResearchofInstituteofRadiowavePropagation,Xinxiang453003,China; 3.BeijingLeiyinElectronicTechnologyDevelopmentCo.,Ltd,Beijing100070,China)

Abstract Recently, the inversion of tropospheric duct refractivity from radar clutter (RFC), which is an electromagnetic inversion problem, becomes a hot spot of research. In order to reduce the uncertainty of inversion, this paper proposes a sea clutter model in evaporation duct environment by discussing the effect of grazing angle on radar sea clutter based on the horizontally inhomogeneous evaporation duct model. The effectiveness of the sea clutter model is verified by using the observed data. The results show that the inversion effect of RFC using the model is effectively improved.

Keywords tropospheric duct; evaporation duct; horizontal inhomogeneity; grazing angle; sea clutter power model

引言

對(duì)流層波導(dǎo)是一種極端異常的折射現(xiàn)象.按照其形成機(jī)理,海上對(duì)流層波導(dǎo)主要分為:蒸發(fā)波導(dǎo)、表面波導(dǎo)和懸空波導(dǎo).蒸發(fā)波導(dǎo)是由于海水蒸發(fā)使得近海面大氣濕度隨高度的增加而急劇減小形成的,而海表面的蒸發(fā)現(xiàn)象基本上時(shí)刻存在,所以蒸發(fā)波導(dǎo)在海洋環(huán)境中的出現(xiàn)概率很高.在我國(guó)海域的出現(xiàn)概率高達(dá)85%以上[1],在世界海洋范圍的出現(xiàn)概率也高達(dá)80%以上[2],有些地區(qū)甚至更高.利用蒸發(fā)波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)電磁波超視距傳播，擴(kuò)大通信、雷達(dá)等無(wú)線電系統(tǒng)的作用范圍；也可能造成電磁盲區(qū)或引入新的干擾，嚴(yán)重影響基于標(biāo)準(zhǔn)大氣設(shè)計(jì)的雷達(dá)、通信等無(wú)線電系統(tǒng)的性能.因此,實(shí)時(shí)獲取蒸發(fā)波導(dǎo)的空間分布具有重大意義.

由于具有實(shí)時(shí)、全空域等優(yōu)勢(shì),且雷達(dá)海雜波攜帶了傳播路徑上的波導(dǎo)環(huán)境信息,雷達(dá)海雜波反演對(duì)流層波導(dǎo)(Refractivity From Clutter, RFC)是目前獲取對(duì)流層波導(dǎo)空間分布最主要的方法[3-4].RFC實(shí)質(zhì)上是一種實(shí)測(cè)雷達(dá)海雜波數(shù)據(jù)與正演模擬海雜波數(shù)據(jù)之間對(duì)比擬合的過(guò)程,兩組數(shù)據(jù)之間吻合最好時(shí)所對(duì)應(yīng)的大氣折射率剖面即為最終滿足要求的對(duì)流層波導(dǎo)修正折射率剖面.其目標(biāo)函數(shù)為[5]

min|Pobs-Pc|2.

(1)

式中: Pobs為實(shí)測(cè)海雜波功率; Pc為海雜波功率理論計(jì)算值,其計(jì)算公式為[6]

(2)

式中: Pt為雷達(dá)發(fā)射功率,W; G為天線增益; λ為波長(zhǎng),m; F為傳播因子; Ls為系統(tǒng)總損耗; σ0為散射系數(shù); θB為天線3dB波束寬度,弧度; c為自由空間光速,m/s; τ為脈沖寬度,s; θ為傳播距離r(單位:m)處對(duì)應(yīng)的掠射角,弧度.F和σ0均是大氣修正折射率M的函數(shù).

現(xiàn)有關(guān)于RFC中海雜波功率計(jì)算的公開(kāi)文獻(xiàn)多與雷達(dá)天線參數(shù)和F有關(guān)[7].國(guó)內(nèi)外普遍采用半經(jīng)驗(yàn)GIT模型計(jì)算式(2)中σ0[8].該模型涉及的參數(shù)主要有天線參數(shù)(頻率、極化、雷達(dá)觀測(cè)方向等)、環(huán)境參數(shù)(風(fēng)速等)和掠射角.其中關(guān)于風(fēng)速對(duì)σ0的影響,國(guó)內(nèi)已有學(xué)者開(kāi)展了一些研究[9].除風(fēng)速外,掠射角是影響σ0的關(guān)鍵因素,目前鮮有對(duì)其影響的研究報(bào)道.

文獻(xiàn)[10]基于對(duì)流層波導(dǎo)垂直剖面,探討了掠射角對(duì)海雜波功率的影響.研究過(guò)程中固定蒸發(fā)波導(dǎo)高度為24 m,天線高度為25 m,頻率為3 GHz和10 GHz,計(jì)算海雜波功率的最大距離為30 km等.文獻(xiàn)[11]基于蒸發(fā)波導(dǎo)模型開(kāi)展了掠射角計(jì)算模型研究.研究過(guò)程中分別取蒸發(fā)波導(dǎo)高度為20 m和30 m,固定天線高度為25 m,頻率為2.9 GHz等.現(xiàn)有研究過(guò)程中參數(shù)設(shè)置較簡(jiǎn)單,且未考慮大氣修正折射率的水平非均勻特性.

在研究蒸發(fā)波導(dǎo)條件下,綜合考慮雷達(dá)天線參數(shù)和頻率,主要探討大氣修正折射率分布(全面考慮初值和水平非均勻分布情況)對(duì)掠射角的影響,由此探討掠射角對(duì)海雜波功率的影響,為改善RFC反演效果提供理論參考.本文從以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究.第1節(jié)分析了蒸發(fā)波導(dǎo)條件下海雜波功率計(jì)算中涉及的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題;第2節(jié)開(kāi)展蒸發(fā)波導(dǎo)條件下雷達(dá)及環(huán)境參數(shù)對(duì)掠射角的影響研究;基于第2節(jié)中掠射角的研究,第3節(jié)探討掠射角對(duì)海雜波功率的影響,提出了蒸發(fā)波導(dǎo)條件下海雜波功率的計(jì)算模型.基于以上研究?jī)?nèi)容及結(jié)論,第4節(jié)利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了正向研究結(jié)論.

1蒸發(fā)波導(dǎo)條件下海雜波功率計(jì)算的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題

1.1海雜波功率計(jì)算模型

式(2)為目前普遍采用的海雜波功率計(jì)算模型.其中σ0的計(jì)算復(fù)雜度高,現(xiàn)國(guó)際上主要采用一些半經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚8,12-14].主要的計(jì)算模型有:SIT模型[12]、TSC模型[13]、HYB模型[13]、GIT模型[8]和NRL模型[14].其中GIT模型相對(duì)于其他模型,是目前計(jì)算海雜波散射系數(shù)問(wèn)題中普遍采用的模型.但由于該模型是在標(biāo)準(zhǔn)大氣或近標(biāo)準(zhǔn)大氣的條件下獲得的,限制了其適用范圍.為解決此問(wèn)題,Dockery 和 Reilly 提出了修正GIT模型[15].該方法是目前對(duì)流層波導(dǎo)研究中引用最為頻繁的方法[9-11,19],本文利用該方法進(jìn)行研究:

(3)

(4)

式中: ae為等效地球半徑(通常取為6 370 000m); ht為發(fā)射天線高度，m.

將式(3)代入式(2)可得

(5)

又由于低空大氣對(duì)流層波導(dǎo)條件下的掠射角較小,此時(shí)sec(θ)≈1,式(5)簡(jiǎn)化為

(6)

式中參數(shù)的定義同式(2).

1.2蒸發(fā)波導(dǎo)模型

目前,應(yīng)用最廣泛的蒸發(fā)波導(dǎo)模型是Paulus-Jeske提出的單參數(shù)蒸發(fā)波導(dǎo)模型[17],圖1為蒸發(fā)波導(dǎo)修正折射率垂直剖面圖,其對(duì)應(yīng)的解析公式為

(7)

式中: M0為海表面修正折射率(取為300M-units); c0為中性層結(jié)蒸發(fā)波導(dǎo)參數(shù)(通常取0.13M/m); hd為蒸發(fā)波導(dǎo)高度,m; h0為粗糙度因子(通常取0.000 15m).

實(shí)際環(huán)境中蒸發(fā)波導(dǎo)還存在著顯著的水平(沿電波傳播方向)非均勻特性,且其對(duì)電波傳播特性及修正折射率的反演結(jié)果影響劇烈[18].參考文獻(xiàn)[7]中蒸發(fā)波導(dǎo)高度水平非均勻特性的生成方法,可得到一個(gè)如圖2所示的蒸發(fā)波導(dǎo)修正折射率二維分布圖.

圖1　蒸發(fā)波導(dǎo)垂直剖面圖

圖2　大氣修正折射率二維分布圖

1.3掠射角的計(jì)算

目前,估計(jì)掠射角最為有效的方法是譜估計(jì)法.該方法的原理是利用二維空間中的場(chǎng)分布,求得整個(gè)傳播路徑上每個(gè)位置處的譜功率.此時(shí),譜功率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的角度即為該位置處的掠射角[19].根據(jù)波前形狀不同,譜估計(jì)法分為平面波譜(PlaneWaveSpecture,PWS)和曲面波譜(CurvedWaveSpecture,CWS)兩種方法.圖3和圖4分別是PWS和CWS的波前示意圖[9].

圖3　PWS幾何示意圖

圖4　CWS幾何示意圖

從圖3、4可以看出,PWS的入射波前是平面,CWS入射波前是曲面.兩種方法φl(shuí)(θ)不同,CWS的相位差為[9]

(8)

式中: z1為等效海表面高度[9]; zl=lΔz(l=1,2,…,Nr), Nr為在[1,Na](Na見(jiàn)式(11))范圍內(nèi)滿足kv(z,θ)≥0時(shí)的最大值; kv(z,θ)為

(9)

式中: ω為角頻率; c為電波在真空中的傳播速度; m(z1)為等效海表面高度z1處大氣修正折射指數(shù).

由式(7)可知,蒸發(fā)波導(dǎo)垂直剖面的非線性較強(qiáng),考慮實(shí)際環(huán)境中蒸發(fā)波導(dǎo)還存在水平方向非均勻性,這兩個(gè)方向修正折射率梯度的改變都會(huì)導(dǎo)致波前彎曲.為了更好地描述蒸發(fā)波導(dǎo)條件下掠射角沿傳播路徑的變化,本文采用CWS法估計(jì)掠射角.

應(yīng)用CWS時(shí),若同時(shí)考慮入射波和反射波,某傳播位置處的譜功率BCWS(θ)為[9,19]

(10)

式中: wl為中心點(diǎn)在海表面的漢明窗函數(shù)(Hammingwindow); ul為空間中的傳播場(chǎng),本文應(yīng)用PE計(jì)算其值的大小[16]；Γ(θ)為粗糙海面反射系數(shù),其計(jì)算詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20].

Na由下式確定[20]

(11)

式中: θBW(單位:弧度)為Null-to-Null波束寬度[10]；Δz必須滿足條件[16]

(12)

αmax是有效的拋物方程對(duì)全場(chǎng)近似的錐形角最大值.

由此,具體到蒸發(fā)波導(dǎo),海雜波功率計(jì)算模型為

(13)

式中: F(r,M(hd(r)),C)是指在蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境中利用PE計(jì)算得到的傳播因子; C是指雷達(dá)天線及環(huán)境參數(shù),包括頻率、天線高度等.

可以得出,F和θ都是C和M的函數(shù),σ0,GIT是θ和C的函數(shù).本文研究過(guò)程中通過(guò)探討不同條件下引入的掠射角變化,計(jì)算計(jì)入掠射角海雜波功率模型(簡(jiǎn)稱CWS模型)和不計(jì)入掠射角海雜波功率模型(簡(jiǎn)稱AngleIndp模型)條件下的海雜波功率差值,分離了F對(duì)Pc的影響,能有效地探討θ對(duì)Pc的影響.最后利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基于兩種模型開(kāi)展RFC反演研究,驗(yàn)證正向分析的結(jié)論.

在研究過(guò)程中固定風(fēng)速等環(huán)境參數(shù)不變,探討掠射角對(duì)海雜波功率的影響.

2雷達(dá)及環(huán)境參數(shù)對(duì)掠射角影響研究

第1.3節(jié)給出了計(jì)算掠射角的方法,由式(10)可知,掠射角與空間場(chǎng)分布有關(guān),即依賴于大氣修正折射率、雷達(dá)天線等參數(shù).本節(jié)綜合考慮天線高度和頻率,探討M水平非均勻特性和初值對(duì)掠射角影響.

2.1M對(duì)掠射角影響的研究思路

根據(jù)第1.2節(jié)中蒸發(fā)波導(dǎo)模型,研究M對(duì)掠射角的影響.具體研究思路如下所示.雷達(dá)及環(huán)境參數(shù)如表1所示.

表1　雷達(dá)及環(huán)境參數(shù)

其中海表面相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率是與頻率相關(guān)的函數(shù),其計(jì)算模型參見(jiàn)CCIR 5(日內(nèi)瓦,1982)[21].

1) 構(gòu)建M二維空間分布

本節(jié)研究M水平非均勻特性對(duì)掠射角影響時(shí),固定蒸發(fā)波導(dǎo)在x=0 km處垂直剖面參數(shù)hd=15 m.該值即為水平非均勻模型的初值.隨機(jī)生成圖5中的10個(gè)M水平非均勻樣本.由此,可由式(7)得到傳播路徑上每個(gè)位置處蒸發(fā)波導(dǎo)的垂直剖面,即獲得M的10個(gè)海撥高度-傳播路徑二維空間分布.

本節(jié)在研究其初值對(duì)掠射角影響時(shí),按比例調(diào)整蒸發(fā)波導(dǎo)在x=0 km處垂直剖面的參數(shù)hd=15 m,分別變化±1/5、±1/10和±1/20,且任取一個(gè)圖5中的水平非均勻特性樣本,可得到7個(gè)初值條件下M沿水平方向的分布,詳見(jiàn)圖6.由此,可由式(7)得到傳播路徑上每個(gè)位置處蒸發(fā)波導(dǎo)的垂直剖面,即獲得M的7個(gè)海撥高度-傳播路徑二維空間分布.

盡管文中在此具體模型下開(kāi)展仿真研究,且波導(dǎo)高度較低利于計(jì)算,但研究過(guò)程中根據(jù)蒸發(fā)波導(dǎo)分布按比例設(shè)置發(fā)射天線高度.所以所得結(jié)論不失一般性,可以擴(kuò)展至任意高度范圍分布波導(dǎo)高度、任意天線高度的情況.

2) 計(jì)算θ

由式(10)計(jì)算表1中所有天線高度和頻率組合條件下,和1)中每種M條件下,θ沿傳播路徑的分布.由此分析M水平非均勻性特性及初值對(duì)θ的影響,為方便分析,設(shè)置所得結(jié)果曲線分別與圖5和圖6中對(duì)應(yīng)曲線顏色相同.由于10 km內(nèi)電波受環(huán)境和天線等因素的影響較大,一般不考慮該范圍內(nèi)θ的變化[10].

2.2仿真計(jì)算與結(jié)果分析

仿真計(jì)算2.1中所有條件下的掠射角.由于篇幅所限,此處只列出部分結(jié)果.

圖5　不同M水平非均勻條件下hd隨傳播距離的變化圖

圖6　不同M初值條件下hd隨傳播距離的變化圖

圖7給出了不同頻率、天線高度和M水平非均勻特性條件下,θ隨傳播距離變化部分結(jié)果圖.圖中10條曲線均為應(yīng)用圖5中10個(gè)M水平非均勻計(jì)算得到的θ,且圖中曲線顏色均與圖5中水平非均勻特性曲線顏色一致.

(a) f=3 GHz,ht=5 m

(b) f=5 GHz,ht=10 m圖7　不同頻率、天線高度時(shí)不同M水平非均勻條件下的θ

圖8給出了不同頻率、天線高度和M初值條件下,θ隨傳播距離變化圖.圖中7條曲線均代表每個(gè)M初值條件下計(jì)算得到的θ,且曲線顏色均與圖6中每個(gè)初值曲線顏色一致.

(a) f=3 GHz,ht=5 m

(b) f=8 GHz,ht=10 m圖8　不同頻率、天線高度時(shí)7個(gè)不同M初值條件下的θ

由上述仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

1) 由圖7可以得出,θ隨傳播路徑變化趨勢(shì),與圖5中相應(yīng)M水平非均勻特性沿傳播路徑變化趨勢(shì)具有較好的一致性.f和ht對(duì)該一致性的影響較小.

2) 由圖7還可以得出,盡管θ變化范圍較小,但由不同水平非均勻特性計(jì)算得到的θ間差值與θ具有相同數(shù)量級(jí).因此,M水平非均勻特性對(duì)θ的影響不可忽略.

3) 由圖8可得出,θ隨傳播路徑變化趨勢(shì),與圖6中相應(yīng)M水平非均勻特性沿傳播路徑變化趨勢(shì)具有較好的一致性.M初值、f和ht對(duì)該一致性的影響較小.

綜上,蒸發(fā)波導(dǎo)條件下,M水平非均勻特性決定了θ沿傳播路徑變化趨勢(shì).M初值、f和ht均對(duì)θ沿路徑的變化趨勢(shì)影響較小.

3掠射角對(duì)海雜波功率的影響

3.1掠射角對(duì)海雜波功率影響的研究思路

本節(jié)根據(jù)第2節(jié)中計(jì)算得到的掠射角,探討其對(duì)σ0和海雜波功率的影響.基于表1中的雷達(dá)及環(huán)境參數(shù),探討M水平非均勻特性及初值引入掠射角的變化對(duì)海雜波功率的影響.具體研究思路如下:

1) 計(jì)算σ0

計(jì)算表1中所有天線高度和頻率組合條件下標(biāo)準(zhǔn)大氣傳播因子Fstd[16],并結(jié)合第2節(jié)中計(jì)算結(jié)果,由式(3)計(jì)算σ0.

2) 計(jì)算傳播因子F

基于第2節(jié)中生成的M,計(jì)算表1中所有天線高度和頻率組合條件下傳播因子F[16].

3) 計(jì)算假設(shè)σ0為常數(shù)時(shí)的海雜波功率基于2),由式(2)計(jì)算路徑上第i個(gè)位置處假設(shè)σ0為常數(shù)時(shí)的海雜波功率,記為Pc,indp,i.

4) 計(jì)算考慮掠射角時(shí)的海雜波功率

基于1)和2),由式(13)計(jì)算路徑上第i個(gè)位置處考慮掠射角時(shí)的海雜波功率,記為Pc,cws,i.由于實(shí)際中無(wú)法獲得3)中σ0的值,文中的Pc,indp,i和Pc,cws,i皆為相對(duì)10 km的值.

5) 結(jié)果評(píng)價(jià)

由式(14)計(jì)算Pc,cws,i和Pc,indp,i差值δ(單位:dB),將其作為評(píng)價(jià)掠射角對(duì)海雜波功率的影響程度的標(biāo)準(zhǔn).

δ=|Pc,cws,i-Pc,indp,i|.

(14)

3.2仿真計(jì)算與結(jié)果分析

結(jié)合3.1節(jié)的仿真思路,對(duì)表1中雷達(dá)和環(huán)境參數(shù)所有組合條件下的σ0與海雜波功率進(jìn)行仿真計(jì)算.由于篇幅所限,此處只列出部分結(jié)果.

圖9給出了不同頻率、天線高度和M水平非均勻特性條件下,由圖7中掠射角計(jì)算得到σ0隨傳播距離變化部分結(jié)果圖.圖中9條曲線均為應(yīng)用圖5中10個(gè)M水平非均勻性計(jì)算得到的σ0,且圖中曲線顏色均與圖5中每個(gè)水平非均勻曲線顏色一致.

圖10給出了不同頻率和天線高度,M不同水平非均勻條件下,計(jì)算得到的功率差值δ.

圖11給出了不同頻率、天線高度和M初值條件下,由圖8中掠射角計(jì)算得到σ0隨傳播距離變化部分結(jié)果圖.圖中7條曲線均為應(yīng)用圖6中7個(gè)M初值計(jì)算得到的σ0,且圖中曲線顏色均與圖6中每個(gè)M初值曲線顏色一致.

圖12給出了不同頻率和天線高度,M不同初值條件下,計(jì)算得到的功率差值δ.

(a) f=3 GHz,ht=5 m

(b) f=5 GHz,ht=10 m圖9　不同頻率、天線高度時(shí)不同M水平非均勻下的σ0

(a) f=3 GHz,ht=5 m

(b) f=5 GHz,ht=10 m圖10　不同頻率、天線高度時(shí)不同M水平非均勻下的δ

(a) f=3 GHz,ht=5 m

(b) f=8 GHz,ht=10 m圖11　不同頻率、天線高度時(shí)7個(gè)不同M初值條件下的σ0

(a) f=3 GHz,ht=5 m

(b) f=8 GHz,ht=10 m圖12　不同頻率、天線高度時(shí)7個(gè)不同M初值條件下的δ

由上述結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

1) 對(duì)比圖9和圖7可以得出,σ0沿傳播路徑的變化趨勢(shì)與θ沿傳播路徑的變化趨勢(shì)具有較好的一致性.f和ht對(duì)該一致性的影響較小.

2) 由圖9還可以得出,由不同水平非均勻特性計(jì)算得到的σ0間差值與σ0具有相同數(shù)量級(jí).因此,M水平非均勻特性對(duì)σ0的影響不可忽略.

3) 由圖10可以得出,10 ～100 km區(qū)間內(nèi)線簇較粗,且δ隨距離增大而增大,變化范圍為[0,14] dB.因此,M水平非均勻特性導(dǎo)致的掠射角變化對(duì)海雜波功率的影響不能忽略.

4) 對(duì)比圖11和圖8可以得出,σ0沿傳播路徑的變化趨勢(shì)與θ沿傳播路徑的變化趨勢(shì)具有較好的一致性.因此,M初值、f和ht對(duì)該一致性的影響較小.

5) 由圖12可以得出,δ在整個(gè)傳播路徑上線簇均較細(xì).因此,M初值引入的掠射角的變化對(duì)海雜波功率的影響較小.

綜上,M水平非均勻特性導(dǎo)致的大氣修正折射率水平梯度變化引入掠射角對(duì)海雜波功率的影響遠(yuǎn)大于M初值導(dǎo)致的大氣修正折射率垂直梯度變化引入掠射角對(duì)海雜波功率的影響.因此,計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)條件下海雜波功率時(shí),若不考慮M水平非均勻特性,則采用Angle Indp模型;反之,若考慮M水平非均勻特性,則采用CWS模型.

4基于掠射角的RFC反演

基于以上研究,利用我國(guó)渤海域2012-10-28T10:31:43第31徑向(圖13(a))海雜波數(shù)據(jù)[22]開(kāi)展RFC反演.圖13(b)為反演1次得到的海雜波功率相對(duì)誤差沿傳播路徑分布圖,圖中藍(lán)點(diǎn)表示基于CWS模型反演得到的相對(duì)誤差分布,紅點(diǎn)表示基于Angle Indp模型反演得到的相對(duì)誤差分布.

圖14為利用該組合反演10次得到的平均誤差分布圖.圖中藍(lán)點(diǎn)均表示基于CWS模型反演10次的平均誤差分布,紅點(diǎn)均表示基于Angle Indp模型反演10次的平均誤差分布.

通過(guò)大量仿真計(jì)算得出:蒸發(fā)波導(dǎo)條件下,考慮M水平非均勻特性時(shí),計(jì)入掠射角的反演結(jié)果好于不計(jì)入掠射角.

(a) 海雜波功率路徑分布圖

(b) 反演1次得到的相對(duì)誤差分布圖圖13　海雜波功率路徑分布圖和反演1次得到的相對(duì)誤差分布圖

圖14　反演10次得到的平均誤差分布圖

5總結(jié)和展望

本文深入探討了蒸發(fā)波導(dǎo)條件下,天線高度、頻率、M的初值及其水平非均勻特性等,對(duì)掠射角及其對(duì)應(yīng)海雜波功率的影響.研究表明:

1) 相比天線高度、頻率以及M初值,M水平非均勻特性對(duì)掠射角及其相應(yīng)海雜波功率的影響最大.

2) 開(kāi)展蒸發(fā)波導(dǎo)條件下RFC反演時(shí),如果忽略M水平非均勻特性,則反演過(guò)程中可不計(jì)掠射角,即采用Angle Indp模型;反之,若考慮M水平非均勻特性,則反演過(guò)程中必須考慮掠射角,即采用CWS模型.

本文研究過(guò)程中,有些條件還稍顯簡(jiǎn)單,如風(fēng)速取為5 m/s,天線為水平極化等.所以,課題組擬進(jìn)一步探討不同條件,如表面波導(dǎo)條件、垂直極化等,對(duì)掠射角及海雜波功率的影響.

參考文獻(xiàn)

[1]劉愛(ài)國(guó). 海上蒸發(fā)波導(dǎo)條件下電磁波傳播損耗實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 23(6): 1199-1203.

LIU A G. Experimental study of electromagnetic wave propagation loss in oceanic evaporation duct[J]. Chinese journal of radio science, 2008, 23(6): 1199-1203. (in Chinese)

[2] 成印河, 趙振維, 張玉生. 季風(fēng)期間南海低空大氣波導(dǎo)統(tǒng)計(jì)分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 27(2): 268-274.

CHENG Y H, ZHAO Z W, ZHANG Y S. A progress of the lower atmospheric ducts over the local area of South China Sea[J]. Chinese journal of radio science, 2012, 27(2): 268-274.(in Chinese)

[3] KARIMIAN A, YARDIM C, GERSTOFT P. Refractivity estimation from sea clutter: an invited review[J]. Radio science, 2011, 46(6): 191-200.

[4] 周沫, 左雷, 王春雨, 等. 基于遺傳/模擬退火算法的蒸發(fā)波導(dǎo)反演研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 29(1): 122-128.

ZHOU M, ZUO L, WANG C Y, et al. Inversion of evaporation duct based on genetic/simulated annealing hybrid algorithm[J]. Chinese journal of radio science, 2014, 29(1): 122-128. (in Chinese)

[5] GERSTOFT P, ROGERS L T, KROLIK J K. Inversion for refractivity parameters from radar sea clutter[J]. Radio science, 2003, 38(2): 1-22.

[6] DOCKERY G D. Method for modeling sea surface clutter in complicated propagation environments[J]. IEE proceedings F, 1990, 137(2): 73-79.

[7] 龐佳瑋, 杜曉燕, 張水蓮, 等. 蒸發(fā)波導(dǎo)高度水平非均勻性對(duì)路徑損耗的影響[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 28(6): 1054-1062.

PANG J W, DU X Y, ZHANG S L, et al. Evaporation duct height level of heterogeneity on the distribution of path loss[J]. Chinese journal of radio science, 2013, 28(6): 1054-1062. (in Chinese)

[8] HORST M, DYER F, TULEY M. Radar sea clutter model[C]//International Conference on Antennas and Propagation, London, 1978: 6-10.

[9] 紹軒, 楚曉亮, 王劍, 等. 風(fēng)浪因素對(duì)海洋波導(dǎo)雷達(dá)回波作用機(jī)理的研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2012, 61(15): 159203.

SHAO X, CHU X L, WANG J, et al. Study on effect of wind waves on radar echoes in atmosphere duct oversea[J]. Chinese physics, 2012, 61(15): 159203. (in Chinese)

[10]KARIMIAN A, YARDIM C, GERSTOFT P, et al. Multiple grazing angle sea clutter modeling[J]. IEEE transactions on antennas and propagation, 2012, 60(9): 4408-4417.

[11]趙小峰, 黃思訓(xùn). 大氣波導(dǎo)條件下雷達(dá)海雜波功率仿真[J]. 物理學(xué)報(bào), 2013, 62(9): 1-7.

ZHAO X F, HUANG S X. Radar sea clutter power modeling under the atmospheric duct propagation conditions[J]. Chinese physics, 2013, 62(9): 1-7.(in Chinese)

[12]SITTROP H. Characteristics of clutter and target at X- and Ku-band[C]//AGARD Conference Proceedings, Series New Techniques and Systems in Radar, 1977, 197: 28.

[13]FICHE A, KHENCHAF A, COCHIN C, et al. Combination of empirical/asymptotic models to characterize sea clutter at intermediate angles[C]//International Conference on Radar, September 9-12, 2013, Adelaide, SA. IEEE, 2013: 351-355. DOI:10.1109/RADAR.2013.6652012.

[14]GREGERS-HANSEN V, MITAL R. An empirical sea clutter model for low grazing angles[C]//IEEE Radar Conference, Pasadena, May 4-8, 2009. IEEE, 2009: 1-5. DOI:10.1109/RADAR.2009.4977006.

[15]REILLY J P, DOCKERY G D. Influence of evaporation ducts on radar sea return[J]. IEE proceedings F, 1990, 137(2): 80-88.

[16]LEVY M F. Parabolic equation methods for electromagnetic wave propagation[M]. London: The Institution of Electrical Engineers, 2000.

[17]PAULUS R A. Practical applications of an evaporation duct model[J]. Radio science, 1985, 20(4): 887-896.

[18]YARDIM C, GERSTOFT P, WILLIAM S H. Sensitivity analysis and performance estimation of refractivity from clutter techniques[J]. Radio science, 2009, 44(1): 1-16.

[19]KARIMIAN A, YARDIM C, HODGKISS W S, et al. Estimation of radio refractivity using a multiple angle clutter model[J]. Radio science, 2012, 47(3): 1-9.

[20]ILLR A R, BROWN R M, VEGH E. New derivation for the rough-surface reflection coefficient and for the distribution of sea-wave elevations[J]. IEE proceedings H on microwaves, optics and antennas, 1984, 131(2): 114-116.

[21]CCIR. Propagation in non-ionized media[R]. Geneva: International Telecommunication Union, 1982.

[22]衛(wèi)佩佩, 杜曉燕, 江長(zhǎng)蔭,等. 我國(guó)渤海域微波雷達(dá)海雜波功率對(duì)數(shù)正態(tài)分布模化[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 29(5): 806-814.

WEI P P, DU X Y, JIANG C Y, et al. Log-normal distribution modelling of microwave radar sea clutter power from the Bohai Sea in China[J]. Chinese journal of radio science, 2014, 29(5): 806-814. (in Chinese)

衛(wèi)佩佩(1990-),女,山西人,博士研究生,主要從事電波傳播等方面的研究.

杜曉燕(1975-),女,山東人,副教授,博士,主要從事電磁場(chǎng)、微波技術(shù)與天線等的教學(xué)和科研工作.

江長(zhǎng)蔭(1936-),男,江西人,研究員.清華大學(xué)1959年本科、1963年研究生畢業(yè).1959-1963年從事天線、電磁波研究,1964年-至今從事無(wú)線電波傳播研究.2010年做了《幾個(gè)無(wú)線電波傳播問(wèn)題》講座,其中“與Nakagami-Rice幅度分布相應(yīng)的相位分布”2013年9月被ITU-R采納,“雷利與對(duì)數(shù)正態(tài)組合分布”2015年7月被ITU-R采納．在國(guó)內(nèi)外首次給出“對(duì)流層散射傳播組合分布”,“多徑傳播碼間串?dāng)_”解決了某大項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題;2012年做了《計(jì)算復(fù)雜性與啟發(fā)式算法》講座.2013年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)(此前獲3項(xiàng)國(guó)家獎(jiǎng)、光華獎(jiǎng)、7項(xiàng)部委獎(jiǎng)).目前研究興趣有利用無(wú)線電波傳播反演介質(zhì)模式參數(shù)及其優(yōu)化的啟發(fā)式算法，承擔(dān)了相關(guān)合作項(xiàng)目.

張輝(1986-),男,山西人,高級(jí)工程師,碩士研究生,從事導(dǎo)航雷達(dá)研制、信號(hào)處理和對(duì)流層波導(dǎo)反演及雷達(dá)威力評(píng)估等研究開(kāi)發(fā)工作.

作者簡(jiǎn)介

中圖分類號(hào)TN958.93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號(hào)1005-0388(2016)01-0001-09

收稿日期：2015-04-02

衛(wèi)佩佩, 杜曉燕, 江長(zhǎng)蔭,等. 蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境掠射角對(duì)雷達(dá)海雜波的影響[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(1):1-9.DOI: 10.13443/j.cjors. 2015040204

WEI P P, DU X Y, JIANG C Y, et al. The effect of grazing angle on radar sea clutter in evaporation duct environment[J]. Chinese journal of radio science, 2016,31(1):1-9. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015040204

資助項(xiàng)目: 國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(No.9140C860303)

聯(lián)系人： 杜曉燕 E-mail: 15713830138@163.com