高频雷达海洋回波谱特性及影响其质量的因素[1].pdf

第1 1卷第2期1 9 9 6年6月电波科C H】NESEJOUR N A L学0F学报RADIOSCIE NCEVol.1 1,No.2June,1 9 96高频雷达海洋回波谱特性及影响其质量的因素黄德耀(中国电波传播研究所)摘要:本 文从高倾 雷达海 洋回波语形成 机理出发,分别计论了海 态、电离层、雷达工作 参数等对高频 雷达 海洋回波错的影响。关键词:海浪 能蚤谱,海洋回波错,B ra gg散 射中图法分类号:TN9 59.7Chara cterofHFRadarSe aEchoSPe ctraandFa ctorof theEffectsontheQualityoftheSPeetraHuangD eya o(ChinaRes e a reh In stituteof Radio wa v ePr op昭ation,Xinxia ng,Hena n,4530 03,Chin a)Ab straet:Inthispaper,onthebasiso fma e卜a nismfor mingHFra da rs e ae chos邵ctra,theeffe ctsofs e astate,i on o sPhereandradarPar a meteronH Fra dar粉ae chosPe Ctraaredis cu姗ds epa r ately.Keyword s:段.wa v eenergyspe ctr um,段日e chos沐etr um,Br ag gs catter1日1.生.人.J.J高频 电磁波从海面的散射特性是近几十年来特别感兴趣的课题。这主要是 由于它既可用来作为研究海洋物理特性的重要 工具,又可用来作为实时探测海洋气象的手段。处理和分析高频雷达海洋回波谱,不仅能获得海洋的物理特性参数,如海浪波长,海浪高度和海浪方向,而且还能获得在所观测的特定海域上的实际气象条件,如风速的大小和风向。海洋动力学所取得的成果为研究高频雷达海洋回波谱特性打下了基础。它揭示 了海浪形成机理、风与海浪之间的相互作用、海浪传播速度的色散方程及海浪能量谱。海浪能量谱把海浪能量与海浪角频率联系起来了,它对研究和解释高频雷达海洋回波谱是极其重要的。1955年,cr omb ie l l首先发现高频雷达海洋回波谱在两个多 卜勒频率上有强的尖峰,这两个多卜 勒频率对应于其波长等于雷达波长一半的到达和离去的海浪速度,在其它多卜 勒频率上海洋回波的幅度小得多.19 6 6年,wa i t从理论上证 明了上述两个尖峰是由于电磁波与具有特定速度 的海浪之 间谐振的结果,与交射线在水晶中的 B ra gg散射机理很相似,估称为一阶Brag g散射。本文19 95年5月收到第2期黄德耀:高频雷达 海洋回波错特性及影响其质童 的因素七十年代初,B ar ric k 2 j,提出了一阶和 二阶高频电磁波海洋返回散射理论,为利用高频雷达海洋回波谱来推出海态 和海面气象条件提供了理论依据。在大量的实验研究的基础上,科学家们找到了从高频雷达海洋回波谱反演出海面风方向、速度;海浪高度、侮流速度的方法。高频雷达探测、跟踪海上 目标,特别是低速目标(舰船),受到海洋杂波的种种限制。为了提高高频雷达探测海上低速 目标的能力,对研究高频雷达海洋回波谱特性提出了新的要求。高频雷达海洋回波谱的基本特征是在零多卜勒频率两边对称地有两个尖峰,两个尖峰的周围是连续谱区。两尖峰之间的距离、尖峰相对噪声的幅度,尖峰的宽度、二阶连续谱相对噪声的电平及其形状与海态、电离层传播条件和雷达工作参数均有着密切的关系。高频雷达为了探测、跟踪海上低速目标,希望 回波谱中的两个尖峰幅度低而尖锐,二阶连续谱的电平低,这样才能减少雷达盲速区,有利于探测、跟踪小型低速 目标。高频雷达管理工程师应根据 不 同 的海态,选择最佳的雷达工作参数和最佳的电离层传播条件,才能达到上述目的。这只有在深入了解海态、电离层传播条件、雷达工作参数是如何影响高频雷达海洋回波谱特性之后,才能办到。2.高频雷达海洋回波谱的形成机理海洋表面是在自然界发现的比较复杂的时变结构之一。它的运动初看起来似乎具有无穷的无法解释的变化:无风 日平静如镜,有风 日大浪滔天。海洋物理学 1 s 把海洋表面波分为毛细波和重力波。重力波波长大于1.7 3cm,作用在扰动水质上的主 要恢复力是重力,它是海洋物理学主要研究对象。对于海浪波长大于维持它的水深 2 00倍的这些波称为浅水波。当足够深,以至底部对波的传播特性的影响可以忽略时,它们被称为深水波。除了海滩附近以外,大多数海浪都可以被认为是深水波。本文所考虑的是深水重力 波.2.1风激励的海浪海水除受重力和自身粘力以外,常受风力的影响。风激励的海浪实际上是风的能量和海浪能量之间的交换过程。速度小于风速的海浪将从风获得能量,一部分用于使海浪高度增大,一部分用于加大海浪的传播速度。当海浪速度超过风速时,海浪将遭受到空气阻力,最后达到平衡。这时,海浪高度达到最大值:H最大傀一9:一旦 旦护(1)其中,H为海浪高度(米),W为风速(米/秒),g为重力加速度。但是,由于海浪的发展受到风吹过的海区的大小(风 区)和 风所吹时间的长短(风时)的限制。所以,对于 一定的风速,只有当风 区和风时足够大时,波高才能达到上面的最大值,此时称为饱和状态。风一浪参数及其相互关系列于表1中。关于海浪的相速、波长和海洋深度的一般关系式已在1847年由Sto ke s推出,他证明具有波数K的海浪的相速可表示为v一(g/K+K导).T an h(KH)l/,P(2)电波科学学报第11卷表1风一浪参 数及其相互 关来风风级描述述l l l2 2 23 3 34 4 45 5 56 6 67 7 78 8 89 9 910 0 0ll l l徽徽徽风风轻风风柔风风和风风疾风风烈风风强风风疾强风风大强风风全强风风暴风风风风速(节).1 1 14 4 4 4 46102030405060 0 0J J J饱和风时时525303 5 5 5(小时)饱饱和风区区5020 040070 0 0 0(英里)海海态及 描述述125尸4575 5 5平平平 静轻徽缓和粗桩很粗桩商很 高险峻峻波波速(节)5101 520304 0 0 0波波长(米)624601 201 8030 0 0 0有有效波高(米)0.31.2 22.4 44.579.141 2.19 9 91节1理/小时全0.5米/秒对于深水重力波,K导o,T an h(KH)1。则,P二_。难)1/2一概(3)L为海浪波长,上式就是深水重力波必须服从的色散方程。为了研究海洋表面随机特性及其与风之间的相互作用,海洋物理学家引入 了海浪能量谱。海浪能量谱的概念是基于海浪可以被认为是大量正弦波系列的叠加,而每个分量具有不 同的周 期和/或 不 同的传输方向。海浪能量谱描述的是在不同风速的情况下,具有各自的角频率(门)或空间波数(K)的各个分量所具有的海浪能量的统计分布.海浪方向能量谱可写成S(K夕)=S(K)F(8)(4)在这里,近似地认为海浪散布的角度关系与海浪波数无关。S(K)称为无方向能量谱,F(0)称为散布函数,无方 向能量谱的典型形式是P一M 谱:S(口)d月一a gZ口一sexP(一b(g/口W)d 口(5)其中,w是海面以上1 9.4尺处的风速;b是一常数0.7 4;月是海浪角频率(弧度/秒);而a对于长风区典型量级为0.0081,它是 风区大小的函数。作为风 速的函数,图1示出了几种海浪能量谱。从图l可以看出,曲线在波数低端变化迅速,有一个最大截止波长。风速越大,截止波长越大。曲线在波数低端幅度较高,说明波长大的海浪携带着海浪的主 要能量。在波数高端,曲线趋于一条口一 5渐近线,风速变化对其影响不大,说明风速增大只改变长波长海浪的能量,短波长海浪所携带的能量变化很小。2.2高频电磁波从海面 的返回散射如果海洋表面被模拟成无穷多个 正弦波的线性叠加,那么它的电磁波的散射特性就可以模拟为从每个 正弦波分量来的散射场的叠 加。高频电磁波从海面的散射与X射线从水晶晶格第2期黄德耀:高频雷达海 洋回波语特性及 影响其质量的因素图l反a().1k.fm,)海浪能量谱0.(筑)IFig.1wa vee ne rgysPe Ctr um、,产,。镖来的B ra gg散射机理很相似,特别是 当海 面波波长为投射到 此表面的电磁波的波长一半,且它们的传输方 向互相平行时,就将产生谐振,返回散射到接收机的散射波有非常强的幅度,高频电磁波波长为 1 0一1 0Om,海面 上波长为5som的海浪波是常存在的,所以,从海面产生谐 振散射是高频 电磁波所特有的,称之为Bra gg散射。众所周知,运动物体将使探测 它的电磁波产生多卜 勒频移。海 浪的运动也可看成是运动目标,电磁波在海浪上的散射 也将产生多卜 勒频移。对于波长为电磁波波长的一半的海浪,它产生的多卜 勒频移记为几,它应满足:九一红v亡在这里,f为电磁波频率,V为海浪在电磁波方向上的传输速度,:为光速。如前所述,在海洋上,具有一定波长的深水重力波必定仅以一定速度 传输,即V-又寸 于 能引起Br ag g谐振的海浪,“一合“,“为电磁波波长,:为海浪波长。所以(6)式有,ZfT,一JB一V髻概一概二(7)若f 是以 MHz为单位的电磁波频率,那么B ra gg多卜 勒频移介Hz)有几兰0.102丫了(8)(8)式适用于掠入射的情况,若电磁波与海面 法线之间的夹角为民,则几二。.102丫少毓丽(s,)对于朝 向或离开雷达的能 引起B ra gg谐振的一组海浪,将在 多 卜勒频 移为士几处有两 个Brag g尖峰,如 图2所示。图2是一张实测的高频海洋回波谱,除了两 个B ra gg爪爪爪尖峰外,在其周围为连续谱。这些连续谱是二阶散射形成的。B ar ri c k给出了一阶雷达谱截面的公式a“(。,沪)一Z二K言习S(一Zm又。)占(。一m“。)1)1 1一引里卜图2高频海洋回波潜F19.2Spe ctr umof HFse ae eho(9)其 中m,一士1表示 多卜勒漂移的符号,又。为雷达波矢量,S()为定向波高谱。B r a gg谐振 条件由占函数来表示,吻-2二几。二阶雷 达谱截 面B ar ric k公式为仁,“,(,笋)一26二K言习”,.土1一_二_,r,S(m又“(m元”叔。一 m丫万灭一m裤灭万)dP dq(1 0)电波科学学报第11卷其 中,空间波数P定义为沿雷达波束,q与其垂直.在二阶散射过 程中,波矢为又的第一组海浪与入射雷达波(叉。)相互作用产生波矢为石的中间散射波(图3)。波数矢量为又,的海浪波与入射的中间散射波第二次相互作用,并将其散射返回到雷达。在此二阶散射过程中,在单站情况下,一定要保证下列恒等式成立。(P川图3二阶相互作用过程Fig.3s e co nd一orde rintera ctionpro ces s叉+又,=一2又。(11)(10)式 中的m和m值取+l和一1,确定了两个散射海浪波方向可能的四种组合。当二m时,(1。)式 中占函数的平方模有扩一g(K+K+2了灭灭了)(12)其中K,K为散射海浪波矢量的长度,可知此时扩ZgK。(13)它确定了Bra gg线以外的多 卜勒频率区域,即。了菇云。簇一了 三赢m一+1(14)m一1(15)当m铸m时浦函数的平方模为扩一g(K+刃一2了灭灭T)此时有扩ZgK。它确定了Bra gg线之间的区域:0(。镇 叽ml,m,=一1一。,(。簇om=一l,m=1m,m一+1指的是海浪方向朝 向雷达m,m,一1指的是海浪方向离开雷达。向雷达时,形成了+。,右边的区域,两组散射海浪均离开雷达时,形成了一吻组海浪朝向雷达,另一组散射海浪离开雷达,则形成了两B ra gg线之间的区域。3.影响高频雷达海洋回波谱的因素(16)(17)(18)两组海浪均朝左边的区域,一3.1海态的影响一阶 B ra gg峰应满足B ra gg定理,即,海浪波数K一2;r/L(L为海浪波长)与无线 电波数K。一2川久以为无线电波长)之间应满足K=ZK。(19)即,产生一阶 B ra gg散射的海浪,其波长应为雷达无线电波长的一半。高频雷达工作频率一般选在6一3 0MHz之间,所以能形 成B ra gg散射的海浪波长在2 5一sm之间变化。在宽阔的海面上,这么长的海浪波几乎总是存在的,并能发展成它的最大容许高度。图4给出了速度为2 0和25节的风激励的海面浪高谱的浮标测量结果。在这个记录中,广5饱和区很清楚存在。底部的刻度表示雷达工作频率,对 于2一3Mrl z以上所有能观测到 一阶B ra gg散射的雷达频率,很清楚地都落在这个饱和平衡区内。在此 饱和平衡区内、海浪高谱不随海态而变化。也就是说一阶B ra gg峰的幅度不随海态变化。在大量的天、地波雷达实验中也证实了这一点。高频雷达海洋回波谱中的二阶部分随海态有明显变化。这 些变化有以下几种形式:l)二阶第2期黄德耀:高频雷 达海洋回波语 特性及影响其质童 的因素可叹厂一汽卜/H:、二5.卜Le s0气一节P()气门叹11,匀、尸工1 l。钾二峰 出现在一阶尖峰周围,其位置 和幅度随海态变化。2)一阶尖峰周围出现的连续区,它随海态增加而上升和散开。3)这 些二阶峰和连 续区关于一阶峰的分布随海浪方向而变化。3.2雷达工作参数的影响对海洋回波谱有影响的雷达工作参数有:雷达工作频率、雷达接收夭线水平波束宽度和雷达相干积累时间。3.2.1雷达工作频率如前所述,一阶B ra gg多卜 勒频移与雷达工作频率有一个平方根的关系。对于掠入射:几兰0.102了了若雷达入射波束与海面法线之间有一夹角民,则f B二。.1。:认瓜蔽0060 0 801Fr e口llezle、,.11201 5.0206 9告54粗图4浮标测量的海面波高谱Fig.4Bu oy二me as u此ds eawa ve一heights碑ctra(20)可见,随着雷达工作频率的增加,两个一阶峰之间的间隔将增大。根据大量实验资料和理论分析发现 8,高频雷达海洋回波多卜 勒 曲线随参数夕 兰8。二fh/:变化。其中,f为雷达工作频率;h为rms海浪高度。在 同一海态情况下,雷达工作频率增加,二阶峰幅度将增加且更靠近一阶峰,一阶峰周 围的连续谱也将抬高。图5示出了在同一海态下,三个雷达频率探测的结果。_Ml 一J弓1 1乙-l-.毛eoue,、v三1)乞2()厂石产二_勺)尸!l三一4日公江夭曰共4(l习“勺2卜:,)卜4、厂杯、一丁而叭对:刀仁州丫月二-,l,国二11)l、日r l”i l jl/cd!)日p川匕 斤cqu引 瓦卜)lD,尸 111已 rtrc闷uc 一 I c 5()L_一一上-2一l戈)lN、r一 11飞I一 z cdD几甲l、c rlrqLJc 一 1、一图5三个雷达频率测量的回波谱的比较Fig.5Compa vis ono fme as ur e ds e a一e chospe ctraatthr eefr equ e n eies3.2.2雷达接收天线水平 波束宽度T.M.Ge or ge s 图在考查海洋回波谱质量和各种雷达工作参数 的关系时,发现雷达接收天线的束宽起着重要作用。许多天波雷达的观测资料研究表明,宽波束夭线对海洋回波谱质量的影响比电离层污染对谱质量的影响更大。当接收天线3 dB波束宽度从0.5 0增加 到4 o时,一阶Br agg峰平均等效宽度增加达 3 0纬之多。3.2.3雷达相 干积 累时 间假设一个平面波到达一个理想相干的无限表面上,那么,它形成的回波谱的谱线宽度趋于零,幅度趋于无限,而两者的乘积是 一个有限值。但是,在实际 工作中,人们发射的是有限带宽信号,是从海 面上有限作 用区域散射并还 要受到 电离层 中相干持续时间的影响。所以,高频雷达海洋回波谱的Br ag g线不可能有这样理想的情况。100电波科学学报第1 1卷若不考虑海面非相干性和电离层 污染 的影响,理想情况下,回波谱线等效有1/T(Hz)宽度,T为雷达所采用的相干积累时间,0。随着积累时间增加,对于 一定的信号带宽,谱线宽度不会无限降下去,而是达到 一个最小宽度古F mi。它由信号带宽和雷达工作频率之比来确定:占 尸切s n/凡、一韶二/凡.r(21)其中,FBr.。是B ra gg线的多 卜勒频率刁尸旧w是雷达发射信号带宽,FR.d a r是雷达工作频率。对于信号带宽为10 kHz和 1 0 MHz的雷达工作频率,上式的比为0.0 01,即增加积累时间,人们可达到的最小谱线宽度为Brag g多 卜勒频移的0.0 01倍或0.oo3 14H:。若信号带宽为look H:,那么可达到的最小Br ag g谱线宽度则为0.031 4H:.实际的散射海面是非相干的,这主要是 由于海浪波谱不是一个线性谱,而且在海波分量之间还有能量交换。由于受海面不相干的影响,在Bra gg谱线中止变窄之前,人们可采用的最大积累时间为1005一20 05。对谱线宽度最严重的污染来 自于电离层,大量实验证明:对于F层传播,几最大可用的积累时 间典型的为2 5 50 5,有时也会出现更稳定的情况。经E(E,)层传播,相干积累时间可用到10 05。、Ic川11,lltc 匕 r比11川tl 一 1一 c=52卜=256卜杏11c rc 一 1曰Iltc 亡r,t胜、11川11e=2048、一犷。24(硬1Ilc re llr一lrugr d一吸、r zlzxll c=l 乙4、,.J.凡卜七;足日一:迎了砂川I),111)Ic r(卜r 二 tg gt re l 一 e 一c、l(毛一田芭一2。碑鬓皂一3、,二一4()价一一2一1012I)吸,111)le r旧raggtre 一ueny)一吊1 1-工(z工-工-)归江一川入。八、一一。厂。斤一l川万咖一)一l.l()2()川川研1 1工了尸l-工1当图6相干积累时间对谱质量的影响Fig.6E ff e Ctofcoherentintegr ationtimeonthequ目iryofthes沐etra电离层相干性对最小可达到谱线宽度的影响的一个例子示于图6中。从图可见,积累时间从2 5.6 5变成51.2 5,谱线变窄。相对二阶连续区,B ra gg峰将出现3 dB增量。当积累时间从5 1.2 5增加到10 2.4 5时,电离层的影响开始出现,谱线不会像预期的那样变窄一半,B ra gg线峰和零多 卜勒能量 之比也不会继续增 加。但分辨率会进一步提高,从B ra gg线能更清楚地分析出各种电离层多径贡献。3.3电离层对海洋回波谱的污染大家知道,电离层是在不停地运动变化着的,它的运动变化对通过 它的无线电波波谱将造成污染。由太阳天顶角的日变化引起的电离层电子浓度 的垂直和水平分布发生变化,将产生多卜勒频移,它将使一阶B ra gg峰有一个偏移。在电离层正常情况下,此偏移量白天约为。.1一。.3Hz旧出日落时约 为1.0一1.SHz l l。在 电离层异常情况 下,此偏移量将有明显增加,有时可达3一SHz。在海洋上存在着洋流,它能输 运海浪,所以在海浪的相速 上往往 还叠 加了洋流在海浪传输方向上的分量,它将使一阶B ra gg峰从预期位置有一个小的偏移。它的大小比电离层的垂直运动引起的偏移要小。由于 无法分辨 和度量 由电离层 垂直运动而产生的多 卜勒污染,所以这种垂第2期黄德耀:高频雷达海洋回波谱 特性及影响 其质 童的因素101直运动将妨碍用天波雷达来测量洋流的速度。电离层中还存在许多小尺度的不均匀体,它们的运动将引起与其自身运动相对应的多卜勒漂移,将使一阶Bra gg谱线展宽,有时这种展宽很厉害,以至于B ra gg峰完全不能辨别并掩盖二阶海浪谱特征,也使得高频雷达探测低速目标的盲速范围增大.所以,这种谱线的展宽是对海洋回波谱的最大的污染。污染程度的大小与电波传播模式有关。E(E,)传播模式使B ra gg线展宽约为0.IHz(在一10 dB电平上)。FZ传播模式下,Bra gg谱线有较大的展宽,常常达到约0.SHz左右。参考文献D.D.Crombie.Natu re.1 95 5,1 7 5:681一68 2Bar riek.D.E.etal.Rad io段iene e.1 986,2 1:81一100B ar r iek.D.E.Rad ioS cie n e e.1 971,6:51 7一5 3 3斯费德鲁普.“海洋”.科学出版社,1 95 8菲利普斯.“上层海洋动力学”.科学出版社,1983Bar riekD.E.I EE E Tr ans.AP,197 2,20:2一10B ar ric k.D.E.Remo te反n singo fS eaStatebyr a da r.inRemoteS en singoftheTro户”Phe r e,eh1 2,1 97 28B arri ck.D.Eet.al.PI EE E1 9 7 4,6 2:6 73一6809T.M.Ge orge setal.Rad i OS ci.197 9,1 4:4 5 5一4 6910D.B Tr izn a.NR L Re卯r t.8 5 791 1黄德绍.空间科学学报,198 7,7(s):2 24黄德绍高级工程师,19 6年毕业于清华大学无线电系,现从事高频雷达、通信中的电波传播研究工作。