天波／地波組合傳播模式下一階海雜波特性分析

楊龍泉 凡俊梅，2 蔚 娜 李 星 焦培南，2 李吉寧

（1.中國電波傳播研究所，山東 青島266071；2.電波環(huán)境特性及模化技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266107）

引 言

在短波頻段，電離層反射傳播模式、返回散射傳播模式和地波繞射傳播模式已為大家所熟知［1－2］，也得到非常廣泛的研究和應(yīng)用。如電離層反射傳播模式常用于短波通信和廣播；天波返回散射傳播由電離層傳播信道和地海面散射形成，常用于通信和廣播監(jiān)測、雷達(dá)等；地波繞射傳播模式傳播信道主要由不同鹽份不同粗糙度的海面繞射形成，常用于近距離通信和廣播、短波地波雷達(dá)等。

高頻探測技術(shù)［3－4］對于慢速海面船舶信息的獲取是在海雜波背景下完成的，而在海態(tài)信息（如風(fēng)、浪、流等海洋表層動(dòng)力信息）的反演中，需要準(zhǔn)確提取海雜波的信息、依據(jù)一定的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行反演來實(shí)現(xiàn)。天波返回散射模式、地波繞射傳播模式下的海雜波特性，已經(jīng)在國內(nèi)外得到較為充分的研究；基于這兩種傳播模式的探測技術(shù)，在軍事和民用上得到了較為廣泛的應(yīng)用。

天波反射／地波繞射組合傳播模式是一種新概念的組合傳播模式。傳播信道主要是時(shí)變的電離層反射傳播信道和不同鹽份不同粗糙度的海面繞射傳播信道。顯然它是一個(gè)組合傳播信道，具有復(fù)雜的電離層反射傳播信道和海面繞射傳播信道特性。天波／地波集成探測技術(shù)正是基于該組合傳播模式來實(shí)現(xiàn)的，可用于目標(biāo)的探測及海洋表層動(dòng)力環(huán)境參數(shù)的提取。國內(nèi)，文獻(xiàn)［5］對新組合信道特性及可能應(yīng)用進(jìn)行了分析；國外，文獻(xiàn)［6］重點(diǎn)論述了天波／地波集成概念，對于艦船探測的限制條件進(jìn)行理論分析，但沒有相關(guān)的試驗(yàn)報(bào)道。目前，對這種新組合傳播模式下的海雜波特性的研究很少。

對天波反射／地波繞射組合傳播模式下一階海雜波的特性進(jìn)行了研究，通過理論計(jì)算分析了海雜波隨方位、距離的分布特性及展寬特性，并與獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證了天波／地波傳播模式成立，進(jìn)而證明實(shí)現(xiàn)這種探測技術(shù)是可行的，為海面低速目標(biāo)的檢測及海洋表層動(dòng)力參數(shù)的提取提供了理論支持。

1 組合傳播模式幾何關(guān)系及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1.1 幾何關(guān)系

高頻段無線電波通過自由空間斜入射到電離層，經(jīng)電離層反射后通過自由空間到達(dá)地（海）面，再經(jīng)地（海）面以表面波形式傳播到接收點(diǎn)。

圖1中TT為天波發(fā)射站，RR為地波接收站，S點(diǎn)為海面某散射點(diǎn)，P0、P分別是經(jīng)電離層反射到達(dá)地波接收站RR、S點(diǎn)的天波路徑，其對應(yīng)的地面大圓距離為D0、D，S點(diǎn)到接收站的距離為Rr；β為雙基地角，γ為入射電波擦地角，組合傳播模式下距離的換算方法要比單基地和雙基地高頻雷達(dá)的復(fù)雜。

1.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

圖1 幾何示意圖

系統(tǒng)得到的群路徑實(shí)際上是電波射線在自由空間、電離層及海洋表面?zhèn)鞑r(shí)間的度量，由這種群路徑無法得到其實(shí)際位置，必須將其轉(zhuǎn)換成實(shí)際對應(yīng)的地面距離。

系統(tǒng)可以測得的S點(diǎn)方位角為θ，測得S點(diǎn)對應(yīng)總路徑為R＝P＋Rr，D0為發(fā)射站到接收站基線距離，這三個(gè)參數(shù)是已知的，求解Rr.

設(shè)P和D差值為Δ，即

可得平面坐標(biāo)下定位方程［7］為

在電離層狀態(tài)已知的情況下，可以獲得方位角θ方向上其每個(gè)距離單元Rri（i＝0，1，2，3，…，表示第i距離單元）對應(yīng)的P 和D 差值Δi（i＝0，1，2，3，…）再結(jié)合方程（2）用迭代方法得到S點(diǎn)實(shí)際位置。

在海面散射單元S位置確定的情況下，平面坐標(biāo)下對應(yīng)的雙基地角β、入射電波擦地角γ可由式（3）和（4）表示為

2 組合傳播模式下一階海雜波特性

不同于天波返回散射、地波繞射探測海洋回波后向散射情況，組合模式下一階海雜波呈現(xiàn)出一些不同特征如一階海雜波頻移分布、展寬特性以及傳播路徑的損耗特性。

2.1 組合信道下一階海雜波頻移的導(dǎo)出

高頻雷達(dá)的海雜波由一階、二階及高階分量組成，其中一階海雜波包含兩個(gè)對稱的尖峰即正負(fù)一階Bragg峰。其作用機(jī)理可用Bragg諧振散射過程解釋，入射無線電波與海浪作用引起無線電散射，由于散射回波是高頻電波與海浪一次作用引起的，因此，這一過程稱之為高頻電波與海浪一階作用。當(dāng)海浪波長與無線電波波長滿足Bragg諧振條件時(shí)，則發(fā)生 Bragg諧振散射［8－12］。

雙基地布局見圖2，H位置處的海浪波長為L，相速度為VH，方向沿雙基地角平分線方向。圖3為海雜波分析示意圖，入射電波擦地角為γi，散射電波擦地角為γs.

海浪Bragg諧振散射條件為

當(dāng)m＝1時(shí)，即為一階海雜波，式中λ為無線電波波長。在天波發(fā)射／地波繞射組合傳播模式下，其海浪散射回波路徑為地波繞射傳播方式，此時(shí)，γs＝0°，因此，由式（5）可以導(dǎo)出天波／地波組合傳播模式下一階海雜波諧振條件為

則由海浪運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移為

對于重力波浪，結(jié)合式（6），其特征速度與其波長有下列關(guān)系

將式（8）代入式（7），考慮電離層的影響，忽略海流的影響，可導(dǎo)出天波反射／地波繞射組合傳播信道下的一階海雜波頻移為

式中：雙基地角β及擦地角γi是方位、距離的函數(shù)；fino為電離層運(yùn)動(dòng)引起的多譜勒頻移。因此，組合傳播模式下的一階海雜波頻移是頻率、方位、距離和電離層的函數(shù)。

2.2 一階海雜波展寬特性分析

天波／地波聯(lián)合傳播模式包含了電離層反射、地波繞射，發(fā)射站、接收站為雙基地布局，其一階海雜波頻譜是頻率、方位、距離、電離層的函數(shù)（見式（9））。因此，導(dǎo)致一階海雜波譜展寬的主要原因有兩種：其一，組合傳播模式下，入射電波經(jīng)一次電離層反射，電離層隨機(jī)運(yùn)動(dòng)、電離層多模傳播導(dǎo)致一階海雜波譜展寬；其二，雙基地特征導(dǎo)致一階海雜波展寬，在一定接收波束寬度內(nèi)，同一射線距離回波對應(yīng)的雙基地角不同，導(dǎo)致海雜波譜展寬。

重點(diǎn)分析系統(tǒng)雙基地特征導(dǎo)致海雜波展寬原理及影響程度。一般，地波接收系統(tǒng)通過天線組陣來完成測角功能；接收波束的寬度取決于天線陣列的口徑大小。在一定波束寬度內(nèi)，同一射線距離內(nèi)各散射單元對應(yīng)的雙基地角β不同，各單元海浪散射回波信道多普勒頻移不同，進(jìn)而導(dǎo)致一階海雜波的展寬。

圖4在一定接收波束寬度dθ范圍內(nèi)，同一射線距離R上，方位范圍邊界上S1、S2散射單元對應(yīng)的雙基地角分別為β1、β2。D1、D2、Rr1、Rr2分別為S1、S2散射單元距離天波發(fā)射站、地波接收站的地面距離。S1、S2散射單元對應(yīng)的方位角分別為θ＋dθ／2、θ－dθ／2.

圖4 同一距離不同雙基地角單元散射示意圖

在散射單元S1、S2群路徑（射線距離）、方位角、收發(fā)站間距離已知的情況下，利用式（2）可以得到D1、D2、Rr1、Rr2，進(jìn)而代入式（3）可以得到對應(yīng)的雙基地角β1、β2.

在忽略海流情況下，正負(fù)一階海雜波頻率的最 大可能范圍可表示為

3 計(jì)算實(shí)例

利用上述分析方法，設(shè)定條件，對天波反射／地波繞射組合模式下一階海雜波隨距離、方位的分布特性以及海雜波譜展寬特性進(jìn)行理論計(jì)算分析。

3.1 一階海雜波譜展寬

設(shè)定條件：接收站距發(fā)射站800km，頻率為10 MHz，波束寬度為20°，忽略電離層對海雜波展寬的影響。由式（10）計(jì)算300km（距接收站的實(shí)際距離）范圍內(nèi)、不同方位上海雜波展寬量，其中，同一射線距離不同方位上的雙基地角β、擦地角γ由式（2）～（4）得到。計(jì)算結(jié)果見圖5.

圖5顯示了一階海雜波展寬隨距離、方位的變化特性：在方位角θ較小時(shí)，即對應(yīng)的雙基地角大，一定接收波束寬度內(nèi)，海雜波展寬較嚴(yán)重；在方位角θ較大，接近180°時(shí)，一階海雜波的展寬很小，與單基地情況類似。

圖5 一階海雜波頻譜的展寬特性

船舶慢速目標(biāo)檢測主要以海雜波為背景，一階海雜波譜展寬會(huì)惡化檢測背景。一般來說，一階雜波展寬達(dá)到2倍頻率分辨率以上時(shí)，才能對目標(biāo)檢測帶來影響；通常，受電離層傳播影響，相干積累時(shí)間取50～100s，對應(yīng)頻率分辨率為0.01～0.02 Hz.因此，在系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，其接收波束與收發(fā)站間基線夾角θ宜控制在合適范圍。

3.2 一階海雜波頻移理論分布特性

設(shè)定條件：地波接收站距天波發(fā)射站800km，工作頻率為10MHz，假定能夠探測到一階海雜波譜的實(shí)際距離（距地波接收站）為200km范圍，計(jì)算典型方位指向上（θ＝30°，60°，90°，120°，150°）一階海雜波頻譜的分布特性，計(jì)算結(jié)果見圖6.

圖6 一階海雜波頻譜的分布特性

實(shí)際回波信號除海雜波信號外，還包含經(jīng)電離層一次反射而被地波接收站所接收的電離層直達(dá)波信號，為分析方便，定義電離層直達(dá)波信號距離為基準(zhǔn)距離（即零距離），海洋回波的群距離可表示為射線距離與電離層直達(dá)波信號群距離之差（即RP0）。

圖6顯示，典型方位指向上一階海雜波分布特性有以下特點(diǎn)：

1）一階海雜波的相對群距離隨方位角的增加而增加，逐漸接近單基地后向散射的情況；在方位角較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致回波的距離分辨力變差。

2）隨群距離增加，一階海雜波頻移逐漸增大。

3）隨方位角增大，相應(yīng)雙基地角減小，一階海雜波頻移增大，逐漸接近單基地后向散射情況。

4 實(shí)測信號與理論計(jì)算結(jié)果對比分析

利用系統(tǒng)的天波發(fā)射設(shè)備和地波接收設(shè)備進(jìn)行了海洋回波譜檢測試驗(yàn)，獲取了實(shí)測數(shù)據(jù)。試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置：接收站、發(fā)射站相距800km，接收天線法線指向與收發(fā)站間基線夾角θ為56.2°.探測參數(shù)設(shè)置：信號形式為線性調(diào)頻連續(xù)波，頻率為10.4 MHz，帶寬為40kHz，重復(fù)周期為20ms.相干積累時(shí)間為51.2s.

數(shù)據(jù)的處理過程包括脈沖壓縮、波束合成、相干積累等過程，得到不同方位指向上距離－多譜勒－幅度的頻譜圖。

4.1 一階海雜波頻譜分布特性實(shí)驗(yàn)分析

圖7為一組天波反射／地波繞射組合傳播模式下距離－多譜勒－幅度的實(shí)測回波頻譜圖，縱坐標(biāo)（群距離）以電離層直達(dá)波信號為基準(zhǔn)距離（即零距離），圖中0km、0Hz附近為電離層直達(dá)波信號。紅色虛線為各方位指向上的一階海雜波分布的理論計(jì)算值，其中扣除了電離層引起的頻偏。

由圖7可以得到：

1）實(shí)測信號一階海雜波的頻移與理論計(jì)算值相符合，隨群距離的增加呈現(xiàn)出增大的趨勢。

2）實(shí)測海雜波信號對應(yīng)群距離隨方位角的增加而逐步增大，理論分析現(xiàn)有布局下海雜波群距離隨方位角增大而增大，實(shí)測海雜波信號的方位變化特征與理論分析相符合。

3）實(shí)測信號的正一階海雜波信號幅度大于負(fù)一階，該時(shí)段風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，朝向雙基地角平分線方向，這種情況對應(yīng)正一階峰幅度大。

通過對實(shí)測一階海雜波信號特征與理論計(jì)算的對比分析，進(jìn)一步證實(shí)處理得到的信號就是天發(fā)地收聯(lián)合模式下一階海雜波信號，驗(yàn)證了天波反射／地波繞射組合傳播模式的概念是成立的。

4.2 一階海雜波展寬特性實(shí)驗(yàn)分析

圖8、9為方位20°波束指向（即θ＝76.2°）相對群距離單元39km（對應(yīng)實(shí)際距離Rr約為31km）、132km（對應(yīng)實(shí)際距離Rr約為112km）處的一階海雜波多普勒－幅度圖（相干積累時(shí)間為51.2s，對應(yīng)多譜勒分辨率為0.019 5Hz）.在兩圖中可以看到明顯的正負(fù)一階海雜波；箭頭所指的豎直紅色虛線表示半功率波束寬度下同一射線距離不同雙基地角引入的正、負(fù)一階海雜波譜展寬量；水平紅色虛線為一階海雜波峰值以下3dB位置。

兩圖中實(shí)測一階海雜波譜3dB展寬占據(jù)了近兩個(gè)頻率分辨率單元，要大于半功率波束內(nèi)雙基地角引入的展寬量理論計(jì)算值。實(shí)測一階海雜波信號20dB展寬占據(jù)了6～8個(gè)多譜勒分辨單元，約0.12～0.15Hz頻率展寬，遠(yuǎn)比單基地地波雷達(dá)展寬嚴(yán)重，導(dǎo)致慢速目標(biāo)檢測背景惡化。分析其原因有：

1）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)布局及波束寬度過大導(dǎo)致雜波頻譜展寬嚴(yán)重，接收波束與收發(fā)基線夾角θ在36.2°～76.2°，相應(yīng)的雙基地角過大；發(fā)射為寬波束，接收天線陣列孔徑又較小，10.4MHz頻率上主瓣20dB波束寬度在40°以上。各方位上同一射線距離不同雙基地角的海雜波信號引起雜波頻譜的展寬。因此，可以通過減小雙基地角、降低波束寬度等措施來抑制雜波頻譜展寬。

2）電離層的影響，海洋回波信號要經(jīng)過電離層傳播的調(diào)制，該組數(shù)據(jù)對應(yīng)的電離層反射傳播直達(dá)波信號也出現(xiàn)了一定程度的展寬，如對應(yīng)的電離層直達(dá)波信號3dB展寬占據(jù)了約1.3個(gè)多譜勒分辨單元，20dB展寬占據(jù)了約3.8個(gè)分辨單元。因此，可以通過選擇電離層污染小的工作頻率等措施來抑制雜波頻譜展寬。

5 結(jié) 論

本文分析了天波反射／地波繞射組合模式下一階海雜波的發(fā)生機(jī)制，導(dǎo)出了一階海雜波頻移的計(jì)算公式；分析了組合模式一階海雜波展寬原理，并推導(dǎo)了由雙基地布局引入的一階海雜波展寬計(jì)算公式。利用推導(dǎo)的一階海雜波頻移、展寬計(jì)算式，結(jié)合幾何關(guān)系換算計(jì)算公式，仿真計(jì)算并分析了組合模式下一階海雜波頻譜隨距離、方位的分布特性及展寬特性，得出了一些較為有意義的結(jié)論。

最后，對實(shí)測一階海雜波信號頻譜特征與理論分析結(jié)果進(jìn)行了對比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相符合，進(jìn)一步證實(shí)處理得到的信號就是天發(fā)地收聯(lián)合模式下一階海雜波信號，驗(yàn)證了天發(fā)地收聯(lián)合模式集成概念成立探測原理可行。本文對一階海雜波特性所做的理論與實(shí)驗(yàn)研究的分析結(jié)果，對該探測技術(shù)的平臺(tái)布局設(shè)計(jì)以及在船目標(biāo)、海態(tài)信息監(jiān)測等方面的實(shí)際應(yīng)用，具有十分重要的參考意義。

［1］江長蔭，張明高，焦培南，等.GJB／Z 87－97雷達(dá)電波折射與衰減手冊［S］.北京：國防科工委軍標(biāo)出版社，1999.

［2］焦培南，張忠治.雷達(dá)環(huán)境與電波傳播特性［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［3］斯科尼克.雷達(dá)手冊［M］.王 軍，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［4］周文瑜，焦培南.超視距雷達(dá)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［5］焦培南，楊龍泉，凡俊梅.短波天波反射／地波繞射組合新傳播模式及其可能應(yīng)用［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，22（5）：745－750.JIAO Peinan，YANG Longquan，F(xiàn)AN Junmei.New propagation mode associate with HF sky－surface wave and its application［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（5）：745－750.（in Chinese）

［6］RIDDOLLS R J.Ship Detection Performance of a High Frequency Hybrid Sky－Surface Wave Radar［M］.Ottawa：Defence R＆D，2007.

［7］楊龍泉，焦培南，凡俊梅.短波天波／地波聯(lián)合傳播模式下定位方法研究［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2010，25（3）：311－314.YANG Longquan，JIAO Peinan，F(xiàn)AN Junmei.A study on algorithm for the target localization in the hybrid sky－surface wave mode［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（3）：311－314.（in Chinese）

［8］BARRICK D E.First－order theory and analysis of MF／HF／VHF scatter from the sea［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，1972，20（1）：2－10.

［9］LARSON R W.Bistatic clutter measurements［J］.IEEE Transaction on Antennas and Propagation，1978，26（6）：801－805.

［10］KHENCHFA A，DAOUT F，HURTAUD Y，et al.Bistatic sea clutter simulations and measurements［C］／／Geoscience and Remote Sensing Symposium.Lincoln，27－31May，1996：615－617.

［11］TRIZNA D，GORDON J.Results of a bistatic HF radar surface wave sea scatter experiment［C］／／Geoscience and Remote Sensing Symposium，2002，3：1902－1904.

［12］WANG J，DIZAJI R，PONSFORD A M.Analysis clutter distribution bistatic high frequency surface wave radar［C］／／Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering，May 2－4，2004，3：1301－1304.