蒸發波導對X波段雷達海洋監測系統的影響

張 軍,張永剛

(1.海軍大連艦艇學院 研究生隊,遼寧 大連 116024； 2.海軍大連艦艇學院 軍事海洋系,遼寧 大連 116024)

0 引 言

從20世紀60年代開始，人們試圖通過航海雷達的海雜波圖像獲得海浪信息。Oudshoorn是最早通過直接觀察雷達圖像獲得海浪信息的科學家。1965年，Wright從X波段雷達圖像直接進行海浪傳播方向和波長的判讀。20世紀80年代，Hoogemoom，Ziemer等在前人工作的基礎上，將雷達圖像數字化，然后運用Fourier變換，得到了與用常規浮標獲得的譜極為相似的雷達圖像譜。其后，經過10多年的努力，德國的GKSS研究中心于1995年成功研制了基于航海雷達的海浪監測系統WaMoS (Wave Monitoring System),并投入實際使用。在20世紀80年代末，挪威Miros公司也研制了類似的系統WAVEX(Marine Radar Wave Extractor)，并在1996-1998年開發成商業產品。WAVEX系統可實時測量海浪參數(有效波高、最大波高、主波周期、主波波向等)和海表面流速(大小和方向)。國內也有很有學者開展了相關研究。隨著研究的深入，X波段雷達在海洋觀測方面的應用更是得到極大的發展，逐步被應用到海底地形探測，淺海水深測量、海面風場反演等方面，X波段雷達在海洋監測中發揮出越來越大的作用。蒸發波導是一種最常見的海上波導現象，研究其對基于X波段雷達海洋監測系統的影響，有助于更好地進行海洋監測。

1 蒸發波導及其統計特征

當大氣中出現陷獲折射時，電磁波會被限制在一定厚度的大氣層內，經該層大氣上下邊界來回反射向前傳播，就像波在金屬波導管中傳播一樣，這種現象稱為大氣波導。大氣環境中通常存在3類大氣波導:表面波導、懸空波導和蒸發波導。蒸發波導是3類大氣波導中最為常見的，僅出現在海洋大氣環境中。由于海面強烈蒸發使得大氣濕度自海面向上迅速減小，在海面與其臨近上空大氣之間形成了較強的濕度梯度，使大氣修正折射指數隨高度升高而迅速減小，并在某一高度，大氣修正折射指數達到最小。

利用某次中低緯度海域(120°E～140°E和15°N～30°N之間)海洋調查獲得的大氣波導資料，進行海上蒸發波導特征的統計規律分析。

表1給出了蒸發波導高度δ和波導強度ΔM的統計結果。

表1 蒸發波導的統計特征

從表1可看出，蒸發波導高度春季最低，平均10.7 m，秋季最高，平均13.7 m。蒸發波導強度春季最小，冬季最大，年平均為38.7 m。在4個季節中，秋、冬季蒸發波導高度、強度都明顯大于春季和夏季，但平均波導高度均在10 m以上，這個高度對應船用X波段雷達的安裝范圍。

在世界幾乎所有海域、所有時間內都可能存在蒸發波導，特別是中低緯海區蒸發波導幾乎每天都會出現。我國中緯度海域及鄰海海域波導發生頻率在50%以上，在低緯度的南海南部海域出現可利用的蒸發波導的概率更是大于80%，說明在海洋大氣環境中考慮大氣波導存在的必要性。

2 雷達成像原理及圖像仿真

2.1 雷達成像原理及蒸發波導的影響

波浪的各種特性以及海浪下落時形成的浪花，對電磁波產生的散射，被雷達天線接收形成雷達回波。由于X波段雷達(導航雷達)天線高度一般較小，其發射的電磁波與海表面幾乎平行，因而雷達天線接收到的電磁波主要是后向散射回波。X波段雷達的頻率為8～12 GHz,對應電磁波長度為2.75～3.25 cm，這個波長正好對應海表面的表面張力波波長(毛細波)范圍。對于入射到海面的雷達電磁波，當毛細波波長與雷達電磁波波長相當時，電磁波會產生Bragg共振散射。海面對電磁波的散射是通過Bragg散射機制產生的。

盡管這些毛細波不是關心的信息，但海表面還有重力引起的更大尺度的重力波，毛細波和海面重力波之間通過陰影調制、傾斜調制、流體動力調制和軌道調制等調制關系相互聯系。由于重力波對毛細波的調制作用，使Bragg散射的電磁信號分布與重力波發生關系，雷達天線接收到的海面回波就包含了海面波動的整體信息。其中陰影調制和傾斜調制起到主要作用，本文主要考慮這2種調制作用。

陰影調制是指由于X波段雷達電磁波掠入射到海面時，與海面之間幾乎接近于平行，由于海表面的波動起伏，波面較高的位置將會遮擋其后方的海面，從而造成電磁波照射不到被遮擋區域的海面。

圖1 蒸發波導條件下的陰影調制Fig.1 Shadowing modulation with evaporation duct

陰影調制如圖1所示，其中直虛線是正常大氣中電磁波的傳播路徑，彎曲實線是考慮大氣波導時電磁波的傳播路徑，點段線是等效雷達天線對海面的照射。H是雷達天線的實際高度，(H+h)是當蒸發波導存在時，由于電磁波彎曲等效的雷達天線高度，α為電磁波傳播過程中向海面彎曲的角度，R為雷達天線到探測海面的距離，L為雷達天線到探測海面的水平距離。

傾斜調制是一種純粹的幾何效應，是由于長涌浪的存在改變了雷達對短波的Bragg共振響應。這種作用主要表現在使散射面元的法線方向產生改變，進而導致局地入射角的變化，引起后向散射截面的變化。當雷達波束與波峰線垂直時，傾斜調制最強；而雷達波束與波峰線平行時，幾乎沒有影響，傾斜調制如圖2所示。

圖2 傾斜調制Fig.2 Tilt modulation

由圖1可以看出，蒸發波導的影響主要表現在使雷達發射的電磁波在傳播過程發生彎曲，其作用等效于雷達天線變高，雷達天線越高，則遮擋作用越弱，此時雷達照射的海面面積更大；并且電磁波在大氣波導中傳播，能量損失也要小于在正常大氣中的傳播。所以雷達回波信號代表的海面面積更大，同時信號強度更強，此時雷達圖像就能夠更好反映海面的整體狀態。同理，傾斜調制也可以等效為雷達垂直高度的增加。

電磁波向海面彎曲的角度α和大氣折射率的變化有關系，可以通過snell折射定律計算，假設入射角為i，折射角為r，則：

α=i-r。

(1)

圖3 蒸發波導引起的雷達高度增量Fig.3 The increase of radar altitude caused by evaporation duct

根據蒸發波導大氣修正折射指數M的統計規律，取蒸發波導強度平均值ΔM=38.7，雷達高度為15 m,假設正常大氣中的折射指數為1.000 3。由于大氣波導中折射指數是漸變的，可通過積分計算α。 通常α的值比較小，此時等效雷達天線位置在垂直方向的增量h可以近似為h=R·α。

圖3為雷達架設在15 m處時，由不同強度蒸發波導引起的雷達高度增量隨距離的變化，虛線部分表示已經超出最佳探測區域。從圖中可看出，隨著蒸發波導強度或者探測距離的增加，雷達等效高度都會變大。

2.2 X波段雷達回波圖像的仿真

通過對雷達回波圖像的仿真來具體分析大氣波導對海洋信息反演效果的影響。由于目前還沒有成熟的理論對掠入射角下的X波段雷達成像進行仿真，X波段雷達回波圖像的仿真都是基于幾何成像理論模型或者試驗數據擬合模型。采用雷達幾何成像理論模型，考慮大氣波導對陰影調制和傾斜調制的影響。從模擬的三維海面波動出發，得到雷達后向散射回波圖像。

本文的海浪模擬采用Longuet-Higgins模型，該模型把海上一固定點的水面波動η(x,y,t)看成由許多個不同振幅、不同角頻率和不同隨機相位的波疊加。波高為：

η(x,y,t)= ∑Ai,jcos[ωit-kicos(θj)x-

kisin(θj)y+φi,j]。

(2)

式中：Ai,j為每個波動的振幅；θj為方向角；ωi為圓頻率；ki為波數；φi,j為0～2π 內均勻分布隨機初始相位；(x,y)為波面上某點的坐標。

振幅反映了海浪的能量，因而每列波的振幅Ai,j可由方向譜中得出：

分別選取JONSWAP頻譜和余弦方向函數作為輸入靶譜。

式中：ω0為譜峰頻率；γ為峰升因子；σ為峰形參量；α為尺度系數；g為重力加速度。

當風浪充分成長時，方向函數可描述為：

(5)

其中θ0為風向。

通過Longuet-Higgins模型模擬一個波向沿X方向正向傳播，有效波高為4 m的海面浪場。然后根據上陰影調制和傾斜調制原理，并加入高斯白噪聲作為雷達固有噪聲，分別在波導強度為38.7的蒸發波導條件下和正常大氣條件下仿真雷達回波圖像，仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 有波導時雷達回波圖像的仿真Fig.4 The simulation of radar echo images with atmospheric duct

圖5 無波導時雷達回波圖像的仿真Fig.5 The simulation of radar echo images with normal atmospheric

對比圖4和圖5可以看出，有波導時雷達圖像可以表現更多的海面信息，海浪更加明顯，這對通過雷達圖像反演海浪信息非常重要，雷達回波圖像包含的海浪信息越多，越有利于提高海浪信息的反演精度。

3 蒸發波導的影響分析

3.1 蒸發波導對X波段雷達海洋監測系統工作范圍的影響

影響基于X波段雷達海洋監測系統性能的一個關鍵因素是雷達的架設高度，在雷達功率和分辨率足夠的情況下，理論上雷達位置越高越好，但由于實際條件的限制，雷達架設高度只能在一定范圍內選取，如船載X波段雷達。雷達高度選取后，監測系統就會有一個最佳探測范圍，這個范圍和雷達高度與臨界入射角有關。

雷達發射的電磁波通常有一個角度，一般為25°(見圖6)，當入射角在10°和0.5°之間的雷達回波信號質量較好。當入射角小于0.5°時，海面后向散射較弱，則此時雷達系統最佳探測區間如圖7所示。

圖6 雷達系統的最佳探測區Fig.6 The best working area radar wave observation system

圖7 最佳探測區與雷達高度的關系Fig.7 Relationship between radar height and the better working area

從圖7可以看出，雷達位置選取越高，則最佳探測區間范圍越大。由此可見，在雷達功率足夠大的條件下，盡量提高雷達天線架設高度，可以增大雷達的探測區域。由上節可知，當大氣波導存在時，相當于增加了雷達的垂直高度，則相應的最佳探測區間范圍也會增大。La為不考慮大氣波導時的最佳探測區間，Lb是蒸發波導強度為38.7時的最佳探測區間，從圖中可以看出有波導存在時，基于X波段雷達測波系統的工作范圍遠大于正常大氣時；同時波導強度越大，則雷達最佳工作區域越大。

3.2 蒸發波導對X波段雷達海洋監測系統反演效果的影響

由以上分析可知，雷達天線高度越高雷達探測范圍越大，同時由于陰影調制導致的遮擋作用也越小，即雷達能夠照射到更多的海面，從而使雷達回波能夠包含更多的海面信息，進而增強反演效果。為定量計算蒸發波導對遮擋作用的影響，根據雷達回波圖像的仿真，分別取雷達天線高度為15 m和35 m，蒸發波導強度取38.7，計算有無波導情況下雷達對海面的探測情況。

圖8 蒸發波導對海浪遮擋作用的影響Fig.8 The influence of evaporation duct on shading effect

圖8中，實線為有波導存在時雷達能夠照射到海面與模擬區域總面積的比值，虛線為無波導時雷達能夠照射到海面的比例。從圖中可以看出，波導情況相同條件下，天線高度越高，雷達探測到的海面越多。在相同天線高度下，存在波導時對海面的探測效果明顯好于不存在波導時，且距離越遠效果越明顯。比較雷達天線在35 m時的虛線(不存在波導)海和15 m時的實線(存在波導)，當探測距離超過3 000 m后，可以發現即使雷達高度較低(15 m)，有波導情況下探測效果也好于雷達高度更高(35 m)但無波導的情況。以上分析是在有效波高為4 m，波向沿X正方向海面浪場回波圖像仿真基礎上的分析結果，此時海面波高屬于大浪以上海況，遮擋作用較強，當海浪有效波高更小時遮擋作用更弱，雷達所能照射到得海面面積也會變大。

4 結 語

通過以上分析可知，蒸發波導對X波段雷達海洋監測系統有著重要影響。具體表現在以下3點

1)首先合理利用蒸發波導可以擴大X波段雷達海洋監測系統的工作范圍；

2)利用蒸發波導，可以提高探測范圍內海面的觀測面積，盡可能多的反應海面波動信息，以便提高后續海浪信息反演效果；

3)在波導存在的情況下，會減小電磁波的衰減，因而回波信號強度更大，有利于海浪信息的獲取。

基于以上分析，對X波段雷達海洋監測系統的安裝高度做以下建議：如果監測系統安裝在岸邊，且不要求探測較遠距離的海況，在有條件利用岸邊地形或建筑物時，應盡量提高雷達天線高度；如果是船載監測系統，探測范圍要求較大且工作于蒸發波導高發區，建議把雷達天線安裝在平均波導高度位置，以便能夠利用蒸發波導，提高海洋監測系統反演效果。

[1] OUDSHOORN H M.The use of radar in hydrodynamic sur-veying[J].Coastal Engineering Proceedings,1960,1(7):4.

[2] HOOGEBOOM P,ROSENTHAL W.Directional wave spe-ctra in radar images[C].International Geo science and Remote Sensing Symposium , IEEE Geo sci,and Remote Sensing Soc.,Munich,1982，6：1-4.

[3] ZIEMER F,ROSENTHAL W,CARLSON H.Measurements of directional wave spectra by ship radar[C].IAPSO Symposium, General Assembly Int.Assoc.for Phys.Sci.of the Oceans.Hamburg, Federal Republic of Germany,1983.

[4] ZIEMER F,DITTMER J.A system to monitor ocean wave fields[C]//OCEANS'94.'Oceans Engineering for Today's Technology and Tomorrow′s Preservation.'Proceedings.IEEE, 1994, 2: II/28-II/31 vol.2.

[5] 何宜軍.成像雷達海浪成像機制[J].中國科學(D輯),2000,30(5):554-560.

[6] 任福安,邵秘華,孫延維.船載雷達觀測海浪的研究[J].海洋學報,2006,28(5):152-156.

REN Fu-an,SHAO Mi-hua,SUN Yan-wei.The study of sea wave observed by shipborne radar[J].Acta Oceanologica Sinica,2006,28(5):152-156.

[7] 李繼剛,王劍,陳誠,等.X-波段導航雷達測波系統的設計與研究[J].海洋技術,2006,25(2):15-18.

LI Ji-gang,WANG Jian,CHEN Cheng,et al.Design and analysis on wave measuring system by X-band marine radar[J].Ocean Technology,2006,25(2):15-18.

[8] 吳艷琴,吳雄斌,程豐,等.基于X波段雷達的海洋動力學參數提取算法初步研究[J].遙感學報,2007,11(6):817-825.

WU Yan-qin,WU Xiong-bin,CHENG Feng,et al.Basic analysis on the extraction of ocean dynamic parameters with an X-band radar[J].Journal of Remote Sensing,2007,11(6):817-825.

[9] MISRA S K,KENNEDY A B,KIRBY J T.An approach to determining near shore bathymetry using remotely sensed ocean surface dynamics[J].Coastal Engineering,2003,47(3):265-293.

[10] ZIEMER F,BROCKMANN C,VAUGHAN R,et al.Radar survey of near shore bathymetry within the oroma project[J].EARSeLe Proceedings,2004,3(2):282-288.

[11] 張永剛.軍事海洋學概論[M].北京：海潮出版社,2006,171-180.

ZHANG Yong-gang.Military oceanography[M].Beijing:Haichao Press,2006,171-180.

[12] WRIGHT J.Backscattering from capillary waves with appl-ication to sea clutter[J].Antennas and Propagation,IEEE Transactions on,1966,14(6):749-754.

[13] NIETO BORGE J C,RODRíGUEZ G R í,HESSNER K,et al.Inversion of marine radar images for surface wave analysis[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2004,21(8):1291-1300.

[14] 王淑娟.X波段雷達圖像的海浪信息提取[M].青島：中國海洋大學,2007：18-20.

[15] 崔利民,何宜軍.X-波段船用雷達觀測海洋動力環境要素仿真研究[J].海洋科學,2009,33(11):73-77.

CUI Li-min,HE Yi-jun.The simulation of monitoring oceanic dynamical environment parameters based on X-band nautical radar[J].Marine Sciences,2009,33(11):73-77.

[16] 俞聿修.隨機波浪及其工程應用[M].大連:大連理工大學出版社,2003：148-169.

[17] 葉安樂，李鳳歧.物理海洋學[M].青島：青島海洋大學出版社,1992：419-431.

[18] JEROME P,MAA Y.Ho Kyung Ha.X-band radar wave observation system[M].Virginia Institute of Marine Science College of William and Mary Gloucester Point,2005：15-20.