波导环境下雷达后向散射系数的研究

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1、波导环境下雷达后向散射系数研究(中国海洋大学信息科学与工程学院，山东青岛266100)摘要：海上大气波导会显著改变雷达电磁波的传播性能，反应到雷达图像上表现为强烈的海杂波回波信息。为了探究大气波导的影响因素，采用改进的git模型仿真方法模拟出波导背景下不同风速对雷达后向散射系数的影响，并且利用谱估计技术计算出掠射角随距离的变化。通过仿真结果分析，风因子对雷达后向散射系数影响显著，仿真结果对进一步利用海杂波反演大气波导及提高舰载雷达探测性能具有重要指导意义。关键词：大气波导；海杂波；git模型；谱估计技术；风场计划项目：大气波导实时探测技术研究（2008aa093001）在舰载雷达

2、探测目标的过程中，经常出现电磁波异常传播现象。即部分电磁波获陷在一定厚度的大气层内，如同电磁波在金属波导管中传播一样，上下震荡向前传播，即为大气波导现象。根据大气修正折射率的剖面结构，可将大气波导分为表面波导、蒸发波导和抬升波导三类［1］，蒸发波导和表面波导是对近海雷达系统影响较深的两种波导形式，我国东南沿海地区是波导频繁发生地带，其中蒸发波导在近海面发现概率高达80%。大气波导对雷达海杂波有增强的作用，主要是由于电磁波在波导层内传播时，能量衰减很小，电磁波可以紧贴海面传播产生超视距效应，从而使雷达能探测到强烈的海杂波信息。海杂波的增强往往会增加雷达所要探测有用目标的难度，甚至导

3、致雷达探测盲区的出现，从而造成雷达定位失效甚至目标丢失，尤其对一些低空飞行的雷达散射截面较小的目标［2］。根据国内外研究表明，海杂波回波与雷达波长、极化方式、入射角、海况、风等因素密切相关，因此研究波导背景下海杂波回波，对提升舰载雷达探测性能及进一步利用海杂波反演大气波导具有重要理论指导和应用价值。1波导环境下的海杂波海杂波是由雷达照射区内大量散射单元回波矢量叠加形成的，波浪与波纹的运动使每一分量的相对相位发生变化，引起总的合成杂波的随机变化［34］。目前存在的海杂波模型都是掠射角在1～10°的情况，并且与实际符合的比较好，但当掠射角小于1°时，这些模型便表现出了明显的差异。后

4、经研究发现，大气波导环境下的雷达散射系数和标准大气下的雷达散射系数有明显差异。国内外研究机构经过对比分析一系列海杂波模型，发现有两个模型比较符合较小掠射角（低于1°）的情况，分别为git和tsc模型［56］。其中git模型是目前比较完善也是应用最多的计算海杂波σ0的模型。本文即是利用git模型分析不同风速下的雷达散射系数的变化情况，从而为进一步研究提供理论基础。1.1git模型git模型是由佐治亚理工学院（thegeorgiainstituteoftechnology）针对单位面积的平均雷达散射截面提出的确定参数模型［5］。该模型是入射角、风场、平均波高、雷达波长、极化方式的函

5、数。具体参数如下：λ是雷达波长（单位：m），φ是风向（单位:（°）），φ为掠射角（单位：rad）、vw为风速（单位：m/s），hav为平均波高（单位：m）。散射因子：σφ=(14.4λ+5.5)φhav/λ，ai=σ4φ/(1+σ4φ)（1）逆／顺风向因子：au=exp(0.2cosφ(1－2.8φ)(λ+0.02)－0.4（2）风速因子：qw=1.1/(λ+0.02)0.4，hav=(vw/8.67)2.5，aw=［1.9425vw/(1+vw/15)］qw（3）水平极化的后向散射系数：σ0hh=10log(3.9×10－6λφ0.4aiauaw)（4）式中：ai是波高的带有标

6、准偏差符合高斯分布的多路径干扰经验求导因子；aw和au是经验求导因子，au描述了天线方向跟海浪间的视角的变化。由于本文所及雷达为工作在x波段的adwrx天气雷达，高斯型天线（天线高20m、水平极化），工作频率为10ghz，切向入射，因此利用式（1）～式（4）便可以模拟仿真不同风速因子、平均波高对波导背景下雷达后向散射因子σ0的影响作用，从而为进一步研究提供基础。1.2掠射角φ的计算需要说明的是，在研究波导环境下不同海况对雷达后向散射系数影响的问题时，掠射角φ是随距离变化的，确定每个距离步长的掠射角成为关键。掠射角的计算一般采用两种方法：几何光学法和谱估计法［710］。由于几何

7、光学适用于计算简单的大气折射率分布情况，而谱估计方法在二维非均匀的折射率情况下表现相对良好。因此采用现代谱估计理论中的burg算法来计算掠射角φ。下面为蒸发波导和表面波导环境下掠射角的变化情况。图1为蒸发波导分别为10m及30m高度时掠射角随距离的变化。由图可见，0～20km时，随着距离的增加，掠射角随距离的增加迅速衰减；而距离大于20km时，掠射角几乎不再变化，稳定在某个小于1°的值附近。相对于10m高度的蒸发波导，由于波导强度的增强，掠射角数值也相对较大。两条掠射角曲线最后分