單基地一階海雜波的仿真研究

渤海船舶職業學院電氣工程系 常 亮

1.引言

高頻地波超視距雷達在探測海面過程中產生的海雜波的特性分析對雷達的整體性能起到了非常重要的作用，從1955年，Crombie開始提出一階海雜波諧振散射的本質[1]，從此對于海雜波的研究就被作為重要課題不斷的被探索深入，在單基地高頻地波超視距雷達中，由于Bragg諧振散射原理（當海浪波的波長等于雷達波長的一半時會發生Bragg諧振散射），在多普勒頻域上可以看出兩個幅度明顯占優的峰線，也就是我們俗稱的Bragg峰。方向為朝向雷達和遠離雷達，是由一片海域內流動的海浪造成的，而在理想狀態下，Bragg峰的多普勒頻率值和雷達的波長即雷達的工作頻率有關，所以在知道雷達頻率的情況下我們可以精確的計算出Bragg峰的理論值。但是在實際情況中，海面會有洋流、風向的影響，而由海浪產生的一階海雜波的Bragg峰也會偏離理想狀態下的值。但是通過研究可以證實，這種多普勒頻率上的偏移，不管是在朝向雷達方向還是在遠離雷達方向上始終是保持一致的，經過多次測量發現其偏移量也大致相等，并且有一定的預知性。所以可以認為Bragg峰形態上的特征知識對目標檢測與洋流測量也帶來了極大的便利，為單基地海雜波檢測提供了可靠的理論依據。本文簡要敘述了單基地一階海雜波的產生機理，并通過仿真進一步了解為后文的檢測奠定了基礎。

2.單基地高頻雷達一階海雜波理論

整體上來看，海面可以作為一個隨機運動的散射體。但是實驗證明，在理想條件下（不考慮洋流，風向，水深的影響），當高頻雷達發射的電磁波波長的一半和海浪波波長相等時，會發生Bragg諧振散射原理，并且此時海浪波的方向為朝向雷達或者遠離雷達。假設海浪波波長為sλ，雷達波長為λ，如果：

則發生Bragg諧振散射。如圖1所示。

在無洋流的深水中，理論位置的一階位置可以通過下式計算：

式中，λ為雷達的發射波的波長，fc為雷達的發射頻率，g為重力加速度，c為光速。

海浪波的頻率等同于諧振的多普勒頻率，所以在回波功率譜上，在這兩個頻率點形成對稱的尖銳譜峰，即我們所說的Bragg諧振散射原理，該點的多普勒頻率就是一階Bragg諧振頻率。我們要研究的單基地一階海雜波就是一階Bragg諧振頻率。

3.理想條件下的單基地一階海雜波仿真

利用邊界微擾法Barrick導出了在沒有洋流、窄波束的情況下一階海面散射系數表達式為：

公式中的參數，k為雷達的波矢，ωB=2πfB為Bragg角頻率，φ為電磁波的方位角，ω為多普勒角頻率，m=±1表示多普勒頻移符號，S(·)為海浪的有向波高譜。

仿真結果如圖2所示：理想狀態下的一階Bragg峰為兩條對稱的譜線，對數據按照Bragg頻率歸一化處理，可以發現一階海雜波的Bragg峰發生在Bragg諧振散射位置。

現在根據仿真數據對單基地一階海雜波的影響因素進行討論：

3.1 雷達頻率對單基地一階海雜波的影響

結論：對比圖3，隨著雷達頻率的升高，雷達的波長變短，對應產生諧振的海浪波長也相應的減小，所以對應的一階海雜波散射系數增大。

3.2 海面風速對一階海雜波的影響

結論：從圖4我們可以明顯的看出，隨著海面風速的增加，海浪有向波高譜變大，對應的一階海雜波的一階散射系數變大。

3.3 風向的角度對一階海雜波的影響

圖1 高頻地波超視距雷達一階海雜波原理圖

圖2 理想狀態下的一階海雜波仿真

圖3 不同雷達發射頻率下的一階海雜波仿真

圖4 海面風速不同的一階海雜波仿真

圖5 風向角度變化時的一階海雜波仿真

結論：通過圖5我們可以看出隨著風向的改變對海雜波的正負bragg峰的影響也發生了改變，參考下圖6單基地一階海雜波實測數據，可以更清楚的觀察到風向對一階bragg峰的影響。

4.總結

在上文的仿真中我們可以看出，理想狀態下Bragg峰表現為主瓣非常窄，幅值與雷達的發射頻率和海面的風速密切相關。但是對實測數據進行分析可以發現主瓣周圍常常會發現邊帶結構，尤其是當雷達的發射頻率位于高頻段靠近較高頻區域，對其分析發現是由于電磁波和海浪波發生了二階Bragg諧振散射造成的，從而形成了我們常說的二階海雜波，經過大量的實際測量與觀察二階海雜波一般出現在一階海雜波譜線之間和譜線兩側，并且可以證實二階海雜波的峰值也是可以預測計算的，它們一般出現在以及2 fB處。通過上文的講述，使得我們對一階海雜波分析更加明確，通過仿真實驗可以了解到，雷達頻率，風向，風速等外在因素對一階海雜波產生的影響，為第三章的實測數據處理奠定了基礎。

[1]D.D.Crombie.Doppler Spectrum of Sea Echo at 13.67MHz.Nature.1955,175:681-682.