高海情海面電磁縮比模擬方法及試驗驗證

戴 飛, 薛正國, 岳 慧

(電磁散射重點實驗室,上海 200438)

高海情海面電磁縮比模擬方法及試驗驗證

戴 飛, 薛正國, 岳 慧

(電磁散射重點實驗室,上海 200438)

針對實驗室內難以直接構造高海情海面的問題,采用電磁縮比測量的方法研究其電磁散射特性。首先討論了縮比PM譜海面滿足幾何相似性的要求,然后定量分析了以淡水替代海水造成不滿足物理相似性要求而引入的誤差和對粗糙海面進行縮比模擬測量的影響。根據粗糙海面縮比模擬理論,在實驗室內成功模擬構造滿足縮比測量條件的粗糙海面,并開展了海面縮比模擬測試驗證,獲取了海面散射特性數據。

粗糙海面；電磁散射；縮比測量；散射系數

0 引言

海上實測是研究海雜波電磁散射特性的主要手段［1］。國內外專家學者在不同海域開展了大量的海雜波實測,獲取的海面散射特性數據變化范圍很大。即使海情相同,每次測量的結果也不完全一致,主要原因在于海面及其周圍的環境難以測定和定量描述。

為了克服這一問題,提高海雜波的測試精度,利用造波水池模擬海浪開展實驗室內模擬測試逐漸成為國內外研究的熱點［2］。但受造波能力的限制,實驗室內模擬的海情有限,無法開展高海情的海雜波測試。隨著非金屬縮比測試理論的逐漸完善,通過對低海情海雜波的電磁縮比測試反演高海情海雜波散射特性數據成為可能［3,4］,受到國內外專家的關注。

針對上述問題,基于非金屬縮比理論提出粗糙面縮比模擬測試方法,通過造波水池模擬生成縮比海面,分析海水介電參數不一致性導致的誤差,開展造波池縮比模擬高海情海面近場電磁散射測量、誤差分析及特性統計,為海面散射特性的測量研究提供新的手段。

1 粗糙海面電磁縮比測試依據

由于目前國內海環境模擬系統尚不具備構造大于3級海情海面的模擬能力,對于高海情電磁散射特性,可以通過縮比模擬測量方法開展相關研究。

依據非金屬縮比理論,在進行縮比測試時,除了要保證目標幾何尺寸、工作波長等參量按相應比例縮小外,還必須保證縮比前后介電常數保持一致。

作為被測對象的動態海面在進行電磁散射縮比測試時,需要滿足幾何相似性與物理相似性的要求,即需要保證被測量海面的幾何參數(波高、波長等)滿足幾何縮比關系,并且被測量的海水在縮比頻率下的介電常數與全尺寸頻率下的介電常數相同。

2 縮比海面模擬方法

PM譜作為一種長期觀測得到的充分成長狀態的海浪頻譜。自20世紀60年代中期以來,在海浪研究以及有關的工程問題中得到了廣泛應用［5］,其表達式為

式中:a=8.1×10―3;β=0.74;U為海面以上19.5 m處的風速。

由式(1)可見,PM譜是基于持續風速U的單參量譜,對PM波譜海浪進行縮比測量,首先必須構造與原型PM譜海面滿足縮比關系的模擬海面。相對于風速縮比而言,直接對有義波高H1/3和海譜ω縮比,更直觀、更有實際意義,在實驗室人工造波池內也更容易實現。

綜上所述,縮比PM譜不規則波譜密度為

圖1 風速為30 m/s時海浪實時波高

圖2 縮比2倍時的實時波高

圖3 縮比3倍時的實時波高

圖4 縮比前后海譜譜形對比

3 造波水池縮比測試誤差分析

根據電磁縮比測量理論,海面的電磁縮比模擬測量前提之一是原型海面與縮比海面模型的物理特性滿足縮比關系,即要求被測量的海水在原型頻率下的介電常數與縮比模擬測量頻率下的介電常數相同。在造波池內進行縮比測量時,必須將水池內液體更換,以保證在縮比測試頻點的介電常數與海水在原型頻點的介電常數完全一致,導致造波池縮比測量代價巨大,測試過程過于繁瑣。

針對上述問題,通過理論仿真分析了介電常數變化帶來的縮比測量誤差。

圖5 介電常數實部變化對散射系數的影響

仿真計算了介電常數變化對粗糙海面后向散射系數的影響,如圖5、圖6所示,計算結果為統計30個隨機海面樣本后的數據,天線極化為VV。由于海水介電常數實部及虛部數值均較大,兩者單獨變化對海面后向散射系數的影響較小,尤其虛部單獨變化對海面散射影響更小。而介電常數整體變化對散射系數的影響較為明顯,介電常數絕對值變化50%,誤差約為1.5 dB;介電常數絕對值變化60%,誤差約為2.0 dB;介電常數絕對值變化80%,誤差約為3.8 dB。

圖6 介電常數變化對散射系數的影響

由仿真結果分析可知,在進行海環境電磁縮比模擬研究時,可根據模擬誤差要求,選擇適當的縮比倍數,已達到控制介電常數誤差的目的。如海環境電磁散射模擬誤差要小于1.5 dB,則縮比前后介電常數絕對值相對誤差控制在50%以內。若海環境電磁散射模擬誤差要小于3 dB,則縮比前后介電常數絕對值相對誤差控制在75%以內。

4 造波水池縮比測試結果

圖7為8 GHz與16 GHz下2級海情的測量結果,其中8 GHz測試時海面有義波高為0.3 m,為全尺寸狀態(即原型狀態),16 GHz測試時海面有義波高為0.15 m,為縮比狀態。圖8為3倍縮比系數,5級海情的測量結果,縮比測試頻率為99 GHz。

圖7中2級海情的縮比測試均方誤差為2.1 d B。圖8中在進行5級海情的對比分析時,由于無法獲取5級海情全尺寸測試數據,因此在對比時使用了33 GHz全尺寸狀態下的仿真數據,均方誤差為1.2 d B,驗證了該縮比模擬方法的可行性。

圖7 2級海情縮比測試結果對比

圖8 5級海情縮比測試結果對比

5 結束語

［1］D.B.Trizna.A Model for Brewster Angle Damping and Multipath Effects on the Microwave RadarSea Echo at Low Grazing Angles［J］.IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing,1997,35 (9):1232-1244.

［2］Martin Gade,Nicole Braun.Laboratory Measurements of Artificial Rain Impinging on a Windroughened Water Surface［J］.IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 1998,(5):2559-2561.

［3］Jerry R.Smith,Steven J.Russell,Barry E. Brown,etc.Electromagnetic Forward Scattering Measurements over a Known,Controlled Sea Surface at Grazing［J］.IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing,2004,42(6):11972.

［4］岳慧,王曉冰,薛正國.粗糙海面的電磁散射縮比模擬測量的若干基本問題［J］.制導與引信,2010 (4).

［5］程永存.一種新的風浪譜模型及其在高度計風速反演中的應用［D］.上海:中國海洋大學, 2007.

Study and Experimental Verification on Electromagnetic Scaled Measurement for Rough Sea Surface in High Sea Condition

DAI Fei, XUE Zheng-guo, YUE Hui
(Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory, Shanghai 200438,China)

Scaled sea surface model is produced to simulate high scaled sea surface,which could be used in electromagnetic scattering measurement.The geometrical similarity that required scaled PM sea surface is discussed.The error of introduced by fresh water instead of sea water is analyzed quantificationally,and the approach of scaled simulation measurement for rough sea surface is also discussed.According to the scaled simulation theory and condition of rough sea surface,one-dimensional scaled PM surface is produced successfully,and the date of back scattering cross section of rough sea surface is obtained.

rough sea surface;electromagnetic scattering;scaled measurement;scatteringcoefficient

TN011

A

1671-0576(2014)04-0024-05

2014-08-25

上海市科學技術委員會資助,課題編號12ZR1430400。

戴 飛(1983―),男,工程師,主要從事目標特性研究。