波導(dǎo)環(huán)境下雷達(dá)后向散射系數(shù)的研究

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1、波導(dǎo)環(huán)境下雷達(dá)后向散射系數(shù)研究(中國海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島266100)摘要：海上大氣波導(dǎo)會(huì)顯著改變雷達(dá)電磁波的傳播性能，反應(yīng)到雷達(dá)圖像上表現(xiàn)為強(qiáng)烈的海雜波回波信息。為了探究大氣波導(dǎo)的影響因素，采用改進(jìn)的git模型仿真方法模擬出波導(dǎo)背景下不同風(fēng)速對(duì)雷達(dá)后向散射系數(shù)的影響，并且利用譜估計(jì)技術(shù)計(jì)算出掠射角隨距離的變化。通過仿真結(jié)果分析，風(fēng)因子對(duì)雷達(dá)后向散射系數(shù)影響顯著，仿真結(jié)果對(duì)進(jìn)一步利用海雜波反演大氣波導(dǎo)及提高艦載雷達(dá)探測(cè)性能具有重要指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：大氣波導(dǎo)；海雜波；git模型；譜估計(jì)技術(shù)；風(fēng)場(chǎng)計(jì)劃項(xiàng)目：大氣波導(dǎo)實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)研究（2008aa093001）在艦載雷達(dá)

2、探測(cè)目標(biāo)的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)電磁波異常傳播現(xiàn)象。即部分電磁波獲陷在一定厚度的大氣層內(nèi)，如同電磁波在金屬波導(dǎo)管中傳播一樣，上下震蕩向前傳播，即為大氣波導(dǎo)現(xiàn)象。根據(jù)大氣修正折射率的剖面結(jié)構(gòu)，可將大氣波導(dǎo)分為表面波導(dǎo)、蒸發(fā)波導(dǎo)和抬升波導(dǎo)三類［1］，蒸發(fā)波導(dǎo)和表面波導(dǎo)是對(duì)近海雷達(dá)系統(tǒng)影響較深的兩種波導(dǎo)形式，我國東南沿海地區(qū)是波導(dǎo)頻繁發(fā)生地帶，其中蒸發(fā)波導(dǎo)在近海面發(fā)現(xiàn)概率高達(dá)80%。大氣波導(dǎo)對(duì)雷達(dá)海雜波有增強(qiáng)的作用，主要是由于電磁波在波導(dǎo)層內(nèi)傳播時(shí)，能量衰減很小，電磁波可以緊貼海面?zhèn)鞑ギa(chǎn)生超視距效應(yīng)，從而使雷達(dá)能探測(cè)到強(qiáng)烈的海雜波信息。海雜波的增強(qiáng)往往會(huì)增加雷達(dá)所要探測(cè)有用目標(biāo)的難度，甚至導(dǎo)

3、致雷達(dá)探測(cè)盲區(qū)的出現(xiàn)，從而造成雷達(dá)定位失效甚至目標(biāo)丟失，尤其對(duì)一些低空飛行的雷達(dá)散射截面較小的目標(biāo)［2］。根據(jù)國內(nèi)外研究表明，海雜波回波與雷達(dá)波長(zhǎng)、極化方式、入射角、海況、風(fēng)等因素密切相關(guān)，因此研究波導(dǎo)背景下海雜波回波，對(duì)提升艦載雷達(dá)探測(cè)性能及進(jìn)一步利用海雜波反演大氣波導(dǎo)具有重要理論指導(dǎo)和應(yīng)用價(jià)值。1波導(dǎo)環(huán)境下的海雜波海雜波是由雷達(dá)照射區(qū)內(nèi)大量散射單元回波矢量疊加形成的，波浪與波紋的運(yùn)動(dòng)使每一分量的相對(duì)相位發(fā)生變化，引起總的合成雜波的隨機(jī)變化［34］。目前存在的海雜波模型都是掠射角在1～10°的情況，并且與實(shí)際符合的比較好，但當(dāng)掠射角小于1°時(shí)，這些模型便表現(xiàn)出了明顯的差異。后

4、經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，大氣波導(dǎo)環(huán)境下的雷達(dá)散射系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)大氣下的雷達(dá)散射系數(shù)有明顯差異。國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)經(jīng)過對(duì)比分析一系列海雜波模型，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)模型比較符合較小掠射角（低于1°）的情況，分別為git和tsc模型［56］。其中g(shù)it模型是目前比較完善也是應(yīng)用最多的計(jì)算海雜波σ0的模型。本文即是利用git模型分析不同風(fēng)速下的雷達(dá)散射系數(shù)的變化情況，從而為進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)。1.1git模型git模型是由佐治亞理工學(xué)院（thegeorgiainstituteoftechnology）針對(duì)單位面積的平均雷達(dá)散射截面提出的確定參數(shù)模型［5］。該模型是入射角、風(fēng)場(chǎng)、平均波高、雷達(dá)波長(zhǎng)、極化方式的函

5、數(shù)。具體參數(shù)如下：λ是雷達(dá)波長(zhǎng)（單位：m），φ是風(fēng)向（單位:（°）），φ為掠射角（單位：rad）、vw為風(fēng)速（單位：m/s），hav為平均波高（單位：m）。散射因子：σφ=(14.4λ+5.5)φhav/λ，ai=σ4φ/(1+σ4φ)（1）逆／順風(fēng)向因子：au=exp(0.2cosφ(1－2.8φ)(λ+0.02)－0.4（2）風(fēng)速因子：qw=1.1/(λ+0.02)0.4，hav=(vw/8.67)2.5，aw=［1.9425vw/(1+vw/15)］qw（3）水平極化的后向散射系數(shù)：σ0hh=10log(3.9×10－6λφ0.4aiauaw)（4）式中：ai是波高的帶有標(biāo)

6、準(zhǔn)偏差符合高斯分布的多路徑干擾經(jīng)驗(yàn)求導(dǎo)因子；aw和au是經(jīng)驗(yàn)求導(dǎo)因子，au描述了天線方向跟海浪間的視角的變化。由于本文所及雷達(dá)為工作在x波段的adwrx天氣雷達(dá)，高斯型天線（天線高20m、水平極化），工作頻率為10ghz，切向入射，因此利用式（1）～式（4）便可以模擬仿真不同風(fēng)速因子、平均波高對(duì)波導(dǎo)背景下雷達(dá)后向散射因子σ0的影響作用，從而為進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)。1.2掠射角φ的計(jì)算需要說明的是，在研究波導(dǎo)環(huán)境下不同海況對(duì)雷達(dá)后向散射系數(shù)影響的問題時(shí)，掠射角φ是隨距離變化的，確定每個(gè)距離步長(zhǎng)的掠射角成為關(guān)鍵。掠射角的計(jì)算一般采用兩種方法：幾何光學(xué)法和譜估計(jì)法［710］。由于幾何

7、光學(xué)適用于計(jì)算簡(jiǎn)單的大氣折射率分布情況，而譜估計(jì)方法在二維非均勻的折射率情況下表現(xiàn)相對(duì)良好。因此采用現(xiàn)代譜估計(jì)理論中的burg算法來計(jì)算掠射角φ。下面為蒸發(fā)波導(dǎo)和表面波導(dǎo)環(huán)境下掠射角的變化情況。圖1為蒸發(fā)波導(dǎo)分別為10m及30m高度時(shí)掠射角隨距離的變化。由圖可見，0～20km時(shí)，隨著距離的增加，掠射角隨距離的增加迅速衰減；而距離大于20km時(shí)，掠射角幾乎不再變化，穩(wěn)定在某個(gè)小于1°的值附近。相對(duì)于10m高度的蒸發(fā)波導(dǎo)，由于波導(dǎo)強(qiáng)度的增強(qiáng)，掠射角數(shù)值也相對(duì)較大。兩條掠射角曲線最后分