高頻天/地波雷達(dá)海面風(fēng)向、洋流反演試驗(yàn)研究

丁鋒 李吉寧 楊龍泉 李雪

(1.青島市氣象災(zāi)害防御工程技術(shù)研究中心,青島 266003;2.中國電波傳播研究所,青島 266107)

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高頻天/地波雷達(dá)海面風(fēng)向、洋流反演試驗(yàn)研究

丁鋒1李吉寧2楊龍泉2李雪2

(1.青島市氣象災(zāi)害防御工程技術(shù)研究中心,青島 266003;2.中國電波傳播研究所,青島 266107)

高頻天/地波雷達(dá)是近年來提出的一種新的雷達(dá)探測體制,其海雜波包含豐富的海態(tài)信息.為研究該體制雷達(dá)在海態(tài)探測中的應(yīng)用,在海面風(fēng)向、洋流反演方法研究基礎(chǔ)上,利用高頻天/地波探測試驗(yàn)系統(tǒng)開展海態(tài)反演試驗(yàn)研究，依據(jù)接收到的海雜波信息,獲得海面風(fēng)向和徑向洋流信息,并與海上實(shí)測資料進(jìn)行對比.對比試驗(yàn)結(jié)果表明兩者具有較好的一致性，高頻天/地波雷達(dá)用于海洋狀態(tài)觀測具有一定的可行性.

高頻天/地波雷達(dá);海雜波;海面風(fēng)向;海面洋流

DOI 10.13443/j.cjors.2015091001

引 言

常規(guī)高頻超視距雷達(dá)主要包括兩種,一是利用電離層反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測的天波超視距雷達(dá)[1],其探測距離在3 000 km以上,具有探測距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大等優(yōu)勢,但受電離層相位擾動影響,探測精度有限;二是利用垂直極化電磁波沿海面繞射傳播的地波超視距雷達(dá)[2],其探測距離最遠(yuǎn)可達(dá)400 km,具有探測精度高、實(shí)時性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).目前,在地波超視距雷達(dá)海洋觀測方面國內(nèi)外開展了大量研究工作,已形成產(chǎn)品;天波超視距雷達(dá)海洋氣象研究尚處于試驗(yàn)研究階段．

通常,兩者都是單獨(dú)工作,近年來提出了一種利用天波和地波組合進(jìn)行探測的新體制雷達(dá)——高頻天/地波雷達(dá),其利用天波發(fā)射站輻射電波信號,經(jīng)電離層反射到海面,海面散射信號沿海面繞射傳播,被前方接收設(shè)備接收,實(shí)現(xiàn)對海面目標(biāo)及海洋環(huán)境探測[3].它是一種較為新型的海洋探測技術(shù),可實(shí)現(xiàn)在天波發(fā)射輻射源照射能量范圍內(nèi)(數(shù)百萬平方千米),多個地波接收點(diǎn)機(jī)動靈活設(shè)置或組網(wǎng),提高大面積海洋表層動力環(huán)境監(jiān)測能力.

與常規(guī)高頻雷達(dá)(包括天波超視距雷達(dá)和地波超視距雷達(dá))相似,該體制雷達(dá)會接收到大量海面散射回波,稱之為海雜波.美國學(xué)者D.E.Barrick對高頻海雜波開展了深入研究,研究表明高頻雷達(dá)海雜波主要包括一階海雜波和二階海雜波,并給出了海雜波散射截面方程[4],在此基礎(chǔ)上,指出高頻海雜波包含有豐富的海面狀態(tài)信息,并開展了海態(tài)參數(shù)反演研究[5].

針對高頻天/地波雷達(dá),文獻(xiàn)[6-7]對該探測體制的探測能力、可行性、定位方法等進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[8-9]對該體制探測的一階海雜波特性進(jìn)行了理論及試驗(yàn)分析.

與地波雷達(dá)不同,高頻天/地波雷達(dá)探測獲得的海雜波信息還受到電離層傳播效應(yīng)(多普勒頻移、展寬、多模等效應(yīng))、雙基地、擦地角等要素影響,使得海態(tài)反演較地波雷達(dá)海態(tài)探測更復(fù)雜.如何有效消除電離層調(diào)制、雙基地等要素的影響,是海態(tài)反演的關(guān)鍵.

本文嘗試對高頻天/地波雷達(dá)用于海態(tài)反演的可行性及面臨的主要困難進(jìn)行分析.利用一階海雜波試驗(yàn)數(shù)據(jù)及海上實(shí)測資料,開展了海面風(fēng)向和徑向洋流反演研究.

1 海面風(fēng)向、洋流反演原理

1.1 海面風(fēng)向反演方法

對于單基地高頻雷達(dá)而言,一階海雜波位于 0 Hz對稱的兩側(cè)(分別為正一階海雜波和負(fù)一階海雜波),分別對應(yīng)于背向波束方向和沿著波束方向的兩列海浪.由于這兩列浪的波長等于高頻電波波長的一半,屬于短浪,由海洋動力學(xué)可知,短浪對風(fēng)的響應(yīng)較快,且主效傳播方向與風(fēng)向相同.因此兩個一階峰的強(qiáng)度大小反應(yīng)了海面風(fēng)向,即當(dāng)正的一階峰大于負(fù)的時,表現(xiàn)為風(fēng)向背向波束方向,當(dāng)相反時則表現(xiàn)為風(fēng)向沿波束方向,兩個峰值相同時,風(fēng)向橫向于波束,關(guān)系如圖1所示.

圖1 一階峰相對大小與風(fēng)向關(guān)系示意圖

而對于高頻天/地波雷達(dá),屬于雙基地雷達(dá),兩個一階峰相對關(guān)系反映的不再是相對于接收波束的夾角,而是相對于雙基地角平分線,即當(dāng)正的Bragg峰大于負(fù)的時,表現(xiàn)為風(fēng)向背向雙基地角平分線方向,當(dāng)相反時則表現(xiàn)為風(fēng)向沿雙基地角平分線方向,兩個峰值相同時,風(fēng)向橫向于雙基地角平分線方向.

為進(jìn)一步量化夾角θ與兩個峰比值R的關(guān)系,文獻(xiàn)[10]給出了對數(shù)模型:

R=20lg(0.5674+0.5cos (2θ))+23.426.

(1)

從式中可以看出,從雷達(dá)回波中只能得到風(fēng)向與雷達(dá)的夾角,而至于這個夾角是在雷達(dá)的左側(cè)還是右側(cè)還無法判斷,稱之為風(fēng)向“左右模糊”問題.

針對該問題,文獻(xiàn)[11]利用相鄰波束風(fēng)向相似性,消除風(fēng)向模糊,該方法為地波海態(tài)監(jiān)測雷達(dá)成熟算法,文本采用同樣方法進(jìn)行處理.

1.2 徑向洋流反演方法

(2)

圖2 有洋流時的多普勒一階峰偏移示意圖

對于高頻天/地波雷達(dá)而言,一階海雜波多普勒理論值為[6]:

(3)

式中: β為雙基地夾角; Δfi為電離層引起的多普勒偏移.從式中可以看出,高頻天/地波雷達(dá)一階海雜波不僅與系統(tǒng)工作頻率f0有關(guān),還與雙基地夾角β和電離層多普勒頻移Δfi有關(guān),由于探測不同距離,所對應(yīng)的雙基地角β在變化,因此對于某一固定接收波束上,一階海雜波多普勒不再固定,而是隨距離在變化.

與海面風(fēng)向反演中的波束指向相同,這里的徑向速度也不再是指接收波束指向,而是相對雙基地夾角平分線的指向.

1.3 電離層影響及應(yīng)對措施

高頻天/地波雷達(dá)電波路徑經(jīng)一次電離層傳播,電離層特性會對海雜波產(chǎn)生顯著影響,主要包括兩種,一是電離層運(yùn)動引起的海雜波展寬、頻移(電離層非線性運(yùn)動引起海雜波展寬,線性運(yùn)動引起頻移,兩種運(yùn)動共同作用);二是電離層的分層特性引起的多模傳播.

在電離層比較平穩(wěn)時,一般在較短的時間內(nèi)(10 s以內(nèi)),電離層可以被近似認(rèn)為做勻速運(yùn)動,經(jīng)其傳播的電波相位路徑呈線性變化,僅產(chǎn)生頻偏;但當(dāng)作較長時間的相關(guān)積累時(30 s以上),電離層不再能近似為勻速運(yùn)動,經(jīng)其傳播的電波相位路徑呈現(xiàn)非線性.信號的相關(guān)積累時間越長,其海洋回波的展寬越嚴(yán)重.通常而言,海雜波展寬、頻移對于提取一階海雜波幅度影響不大,因此對風(fēng)向提取影響可以忽略.

電離層運(yùn)動中的線性分量,引起多普勒偏移與洋流引起的多普勒偏移混疊在一起,很難分離,嚴(yán)重影響洋流提取.因此如何避開和消除電離層運(yùn)動引起的失真成為提取徑向洋流的關(guān)鍵.

電離層多模傳播主要影響是電離層E層傳播和F層傳播混疊,造成相互影響,相互干擾.

為降低電離層對海態(tài)反演影響,采取的措施主要包括:

1) 利用臨近的陸地或島嶼回波作為零多普勒基準(zhǔn),分離電離層運(yùn)動和洋流運(yùn)動;

2) 利用電離層實(shí)時診斷系統(tǒng),協(xié)助雷達(dá)選擇最佳工作頻率,降低多模傳播影響;

3) 利用E層或Es層出現(xiàn)的穩(wěn)定電離層來探測;

4) 利用電離層傳播直達(dá)波信號作為零多普勒進(jìn)行校準(zhǔn).

本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要采用E層或穩(wěn)定Es層傳播數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,同時利用直達(dá)波進(jìn)行電離層多普勒偏移校正,并通過選擇單模傳播頻率,降低電離層多模傳播影響.

2 試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)概況

高頻天/地波雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)位于河南省新鄉(xiāng),地波接收系統(tǒng)位于山東省青島.兩地相距約600 km,發(fā)射站-接收站點(diǎn)連線東偏北79.57°.青島配備電離層斜向探測設(shè)備,用于獲取電離層信息.海上測量船定點(diǎn)測量海上風(fēng)速、風(fēng)向、洋流、浪高等信息,其中A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)各測量一天.圖3為高頻天/地波試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖.

試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射功率為50 kW,接收站為8通道陣列接收,兩站利用GPS同步.信號采用線性調(diào)頻連續(xù)波,工作帶寬為40 kHz.

2.2 一階海雜波提取方法

由于電離層及洋流運(yùn)動導(dǎo)致一階海雜波會偏離其理論計(jì)算位置,因此,為提取獲取一階海雜波信息,采用以下步驟:

1) 首先根據(jù)探測回波信號強(qiáng)度確定直達(dá)波多普勒位置,對海雜波位置進(jìn)行校準(zhǔn);

2) 依據(jù)雷達(dá)工作頻率和雙基地夾角,利用公式(3)確定一階海雜波多普勒理論位置;

3) 在一階海雜波理論多普勒頻率內(nèi)側(cè)0.2倍,外側(cè)0.4倍范圍內(nèi)搜索最大值作為兩個一階海雜波值,記錄其幅度和多普勒值.

圖4給出了自動判別出的海雜波結(jié)果,紅色圓圈表示實(shí)際提取值.

利用判斷出的一階海雜波兩個幅度相減獲得兩個一階峰比值R,同時取兩個一階峰多普勒和的一半與直達(dá)波多普勒頻移進(jìn)行比較獲得多普勒頻移值.

2.3 海面風(fēng)向反演

利用提取獲得的海面一階海雜波峰比值R,利用1.1節(jié)海面風(fēng)向反演方法,以及計(jì)算獲得的雙基地角平分線指向和坐標(biāo)變換系數(shù),可反演獲得海面風(fēng)向圖,某時刻風(fēng)向反演結(jié)果如圖5所示.

為分析反演風(fēng)向數(shù)據(jù)誤差,將其與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果如圖6所示,詳細(xì)誤差如表1所示.

圖3 高頻天/地波探測試驗(yàn)示意圖

圖4 一階海雜波參數(shù)提取圖

圖5 反演獲得的海面風(fēng)向反演圖

圖6 海面風(fēng)向提取對比圖

海態(tài)參數(shù)平均絕對誤差均方根誤差數(shù)據(jù)樣本風(fēng)向/(°)24.6828.71110徑向流/(cm/s)14.6917.42174

試驗(yàn)結(jié)果表明海面風(fēng)向反演與實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合.

2.4 海面徑向洋流反演

利用提取的一階海雜波多普勒偏移,以及獲得的雙基地角平分線指向和坐標(biāo)變換系數(shù),利用1.2節(jié)給出的徑向洋流計(jì)算方法獲得海面徑向洋流,某時刻的結(jié)果如圖7所示.

將反演獲得的海面徑向洋流與實(shí)測洋流(轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的徑向洋流)進(jìn)行對比,結(jié)果如圖8所示.

圖7 反演獲得的海面徑向洋流圖

圖8 海面徑向洋流對比圖

從圖中可以看出,反演獲得海面徑向洋流變化趨勢上與實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致(具體誤差分析如表1所示),但存在較大的起伏,這主要是由于電離層隨機(jī)變化引起.

3 結(jié) 論

本文利用高頻天/地波體制雷達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)開展了海面風(fēng)向、洋流反演研究,試驗(yàn)反演獲得風(fēng)向均方根誤差為28.7°,徑向洋流均方根誤差為17.4 cm/s,試驗(yàn)結(jié)果表明利用高頻天/地波雷達(dá)進(jìn)行海面風(fēng)向、洋流反演具有一定的可行性.

由于受電離層影響和試驗(yàn)系統(tǒng)規(guī)模制約,目前,獲取的海態(tài)參數(shù)有限,提取誤差也較大,有待進(jìn)一步完善試驗(yàn)系統(tǒng),提高海態(tài)參數(shù)反演精度.

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The experimental research on remote the wind direct and radial current in HF hybrid sky-surface wave radar

DING Feng1LI Jining2YANG Longquan2LI Xue2

(1.QingdaoEngineeringTechnologyResearchCenterofMeteorologicalDisasterPrevention,Qingdao266003,China; 2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

A new kind of radar system is proposed namely as high frequency sky-surface radar(HFSSR) in recent years, and the sea clutter obtained by HFSSR contains information of the sea state. For the application research of the radar in the sea state detection, sea surface wind direction and radial current information are got using HFSSR based on the existing wind direction and ocean currents inversion methods. The results are compared with the data measured by the shipboard, and have good consistency. The experimental results show that sea state obtained by HFSSR has certain feasibility.

HF hybrid sky-surface wave radar; sea clutter; windy direction; ocean current

10.13443/j.cjors. 2015091001

2015-09-10

國家自然科學(xué)基金(61302006, 61032011, 61331012)

TN01

A

1005-0388(2016)04-0755-05

丁鋒 (1970-),男,安徽人,高級工程師,氣象學(xué)博士,主要從事海洋氣象、短期氣候預(yù)測和應(yīng)用氣象技術(shù)等研究.

李吉寧 (1982-),男,山東人,碩士,中國電波傳播研究所工程師,主要研究方向?yàn)殡婋x層電波傳播、高頻雷達(dá)、信號處理等.

楊龍泉 (1980-),男,山東人,畢業(yè)于中國電波傳播研究所,高級工程師,主要從事電波傳播、新體制雷達(dá)研究.

李雪 (1981-),男,黑龍江人,高級工程師,博士,主要研究方向?yàn)殡婋x層回波信號處理、雷達(dá)信號處理等.

丁鋒, 李吉寧, 楊龍泉, 等.高頻天/地波雷達(dá)海面風(fēng)向、洋流反演試驗(yàn)研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(4):755-759.

DING F, LI J N, YANG L Q，et al. The experimental research on remote the wind direct and radial current in HF hybrid sky-surface wave radar [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):755-759. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015091001

聯(lián)系人： 李吉寧 E-mail: ljnsf@126.com