高頻返回散射探測中一種特殊現象成因及特性分析

李吉寧 李 雪 楊東升

（中國電波傳播研究所，山東 青島266107）

引 言

高頻（High Frequency，HF）返回散射利用電離層反射和地海面散射實現遠距離電離層探測和超視距目標探測［1］.其探測方式包括掃頻探測和定頻探測兩種：掃頻探測通過發射掃頻（3～30MHz）探測信號，獲得頻率－時延－能量三維圖形，是遠距離電離層探測的重要手段之一；定頻探測是在固定頻率上長時間相干積累探測獲得多普勒－時延－能量信息，用于遠距離目標探測（即天波超視距雷達）及電離層信道特性研究.

高頻返回散射定頻探測多普勒譜主要由無線電噪聲和地海雜波組成，如圖1左圖所示，與常規多普勒譜圖不同，在日常探測中，會出現一種具有“彎鉤”形狀的地海回波，如圖1右圖所示.

圖1 實測正常譜圖與具有“彎鉤”的譜圖

這種“彎鉤”現象，距離延伸可達100～400km，多普勒頻移也達2～3Hz，在天波超視距雷達探測中極易將其判斷為艦船目標信號，造成虛警，該現象已成為影響天波超視距雷達低速目標檢測的重要因素之一.

目前已有多篇文獻對電離層探測中的異常現象進行分析，如文獻［2］針對電離層垂直探測中一種“微笑”型回波進行分析，文獻［3］利用電離層射線追蹤對電離層擾動現象進行分析.文獻［4］對返回散射掃頻探測中Es層情況進行了研究，但本文提及的高頻返回散射定頻探測“彎鉤”現象未見相關分析.

本文針對上述“彎鉤”現象，在建立時變電離層模型基礎上，利用電離層射線追蹤技術，獲得各射線的多普勒信息，實現返回散射定頻探測仿真，進而對“彎鉤”現象進行分析.

1 電離層射線追蹤技術

1.1 電離層模型

電離層是地球高層大氣電離的部分，其中包含大量自由電子，顯著影響無線電波的傳播.目前已建立了多個電離層電子濃度分布模型，常用模型包括線性層、指數層、拋物層、準拋物層等，還包括一些經驗模型，如卡普曼層、Bent模型、國際參考電離層、中國參考電離層等［1］.

準拋物模型電子密度分布與實際分布相當接近，其數學表達式比較簡單，方便求得解析解，本文電離層模型采用該模型，其表達式為［5］

式中：r為相對于地球球心的徑向距離；Nm為最大電子密度，與電離層臨界頻率（以下簡稱臨頻）fo關系為Nm＝f2o／80.6；rb為電離層底高；ym為層的半厚；rm為最大電子密度Nm的高度（簡稱峰高），rm＝rb＋ym.

1.2 電離層射線追蹤

射線追蹤是研究高頻電波在電離層中傳播的重要手段之一，主要包括解析射線追蹤和數字射線追蹤.解析射線追蹤能夠提供射線傳播路徑參數的解析表達式，可精確獲取電離層參數細微變化對射線路徑的影響，本文采用解析射線追蹤.

解析射線追蹤通常忽略地磁場和碰撞影響，并且假設電離層球形對稱分布，基于準拋物電離層模型獲得的射線傳播地面距離D、群路徑P′、相位路徑Pr解析表達式為［6］：

式中：A ＝1－（fo／f）2＋（forb／fym）2，f為工作頻率，fo為臨 界頻率；B ＝－2rm（fcrb／fym）2；C ＝（fcrbrm／fym）2－rr0cos2β0；X ＝Ar2＋Br＋C；Xb＝－cos2β0；βb＝cos－1（（r0／rb）cosβb），β為射線與水平面夾角，β0為r＝r0處的夾角，r0為地球半徑.

電離層射線追蹤詳細實現方式可參考文獻［6－8］.

假設電離層為單層，設置參數為：rb＝180km，rm＝240km，fo＝9MHz，f＝15MHz，利用電離層射線追蹤程序對高頻電波射線路徑進行計算，結果如圖3所示，圖中兩條橫線表示電離層底高和峰高.

圖2 電離層射線追蹤路徑圖

從圖2可以看出：在低仰角情況下，射線傳播到遠區，每條射線具有不同的群路徑；當仰角增大時，出現了高仰角傳播模式，形成了多條射線具有相同群距離，從而產生聚焦效應（由于多條路徑回波落在同一群距離內，能量顯著增強）；當仰角進一步增大時，射線將穿透電離層，無回波.

由于高低角傳播模式的存在，同一群距離可能包含不同仰角的射線，每條射線具有不同相路徑，從而使同一群距離上出現不同多普勒頻率（即“彎鉤”現象）成為可能.

2 返回散射定頻多普勒譜仿真

2.1 時變電離層

準拋物電離層模型提供了電離層電子濃度靜態模型，為仿真獲得電離層變化多普勒信息，需要建立電離層電子濃度時變模型.

從電子濃度表達式（1）看出，影響電離層電子濃度的參量包括電離層底高rb、峰高rm和臨頻fo，因此時變電離層模型可通過建立上述三個參量的時變函數實現，本文建立線性時變關系如下：

式中：rb0、rm0、fo0分別為電離層底高、峰高和臨界頻率初始值；vb、vm、vf分別為電離層底高、峰高和臨頻變化速度.

2.2 高頻返回散射定頻多普勒譜

電離層引起的多普勒頻移fd可以通過時變電離層引起的相路徑變化計算獲得，即

高頻返回散射回波除受電離層運動產生多普勒頻移外，還受到海面散射運動特性影響，對于回波較強的一階海雜波，其多普勒頻移由下式給出［9］：

式中，f為返回散射探測工作頻率，單位為MHz.

假設電離層電子濃度存在變化，依據公式（8）計算電離層射線多普勒頻移，同時疊加一階海雜波多普勒頻移，結果如圖3所示.從圖3可以看出明顯的“彎鉤”現象.通過對不同多普勒點的射線進行分析，結果表明，“彎鉤”現象主要由電離層高低角傳播以及電離層電子濃度變化引起，低仰角射線多普勒頻率較小，高仰角射線多普勒頻率較大，從而產生“彎鉤”形狀.

圖3 仿真獲得的具有“彎鉤”形狀的多普勒譜圖

3 不同電離層參數“彎鉤”特性

3.1 電離層不同參數變化影響分析

前文分別建立了電離層底高rb、峰高rm和臨頻fo三個參量的時變函數，為分析不同參量變化形成“彎鉤”的不同，設置其中一個參數值隨時間變化，其他兩個參量不變，結果如圖4所示（為顯示方便，僅以負一階海雜波為例進行分析，下同）.從圖4可以看出：三個參數變化均會產生“彎鉤”現象，但三者形成的“彎鉤”多普勒頻移具有明顯不同：底高變化速度vb為正值時，即底高向上運動時，“彎鉤”方向朝向負多普勒方向，但非“彎鉤”部分則朝向正多普勒方向偏移；峰高變化速度vm為負值時，即峰高向下運動時，“彎鉤”方向朝向負多普勒方向，非“彎鉤”部分也朝向負多普勒方向偏移；當臨頻變化速度vf為正時，即最大電子濃度增加時，“彎鉤”方向朝向負多普勒方向，但非“彎鉤”部分無多普勒偏移.

3.2 電離層參數變化速度影響

為分析電離層參數變化速度對“彎鉤”影響，對不同峰高速度vm進行分析（其他參數不變），圖5分別給出了不同峰高變化速度下返回散射定頻譜圖仿真圖.從圖5可以看出：電離層峰高正速度時，“彎鉤”朝正多普勒方向偏移；負速度時，“彎鉤”朝負多普勒方向偏移；電離層峰高速度越大，“彎鉤”部分及非“彎鉤”部分多普勒頻率偏移越大，但“彎鉤”距離延伸基本差異不大.

通過對電離層底高變化速度vb和臨頻變化速度vf的分析表明，其變化特性基本與峰高變化相同.

圖4 三個參量變化形成的“彎鉤”多普勒譜圖

圖5 不同電離層速度返回散射多普勒譜圖

3.3 電離層參數初始值影響分析

電離層底高、峰高和臨界頻率是描述電離層狀態的重要參數，分別更改時變函數中三個參量的初始值rb0、rm0，fo0，其他參量不變，對返回散射定頻譜圖進行仿真，圖6～8給出了峰高變化速度為－1 m／s，底高和臨界頻率變化速度為零，不同電離層參數初始值變化的仿真結果.

從仿真結果可以看出，電離層參數初始值變化對“彎鉤”現象影響明顯：

圖6 電離層不同底高多普勒譜圖

圖7 電離層不同峰高多普勒譜圖

圖8 電離層不同臨界頻率多普勒譜圖

1）電離層參數初始值變化主要影響“彎鉤”出現的距離位置；

2）電離層底高和峰高初始值變化對“彎鉤”多普勒偏移影響不大，而電離層臨頻初始值對多普勒頻移具有明顯影響.

3.4 與實測“彎鉤”對比

為分析圖1實測“彎鉤”現象對應的電離層電子濃度變化情況，調整電離層電子濃度模型中相關參數，獲得電離層定頻多普勒仿真圖，并與實測“彎鉤”現象進行比較，使兩者較為吻合，結果如圖9所示，獲得的電離層電子濃度參數為：rb0＝160km，rm0＝240km，fo0＝7MHz，vb＝1m／s，vm＝－1m／s，vf＝0.01Hz／s.

仿真結果表明，實測獲得的“彎鉤”現象不是電離層電子濃度表達式中某單一參數變化造成，而是多個參數綜合變化結果，表現為電子濃度的復雜變化.

上述對比方法為電離層電子濃度變化反演提供了一種參考思路.

圖9 仿真多普勒譜線（白色線）與實測圖對比

4 結 論

本文在建立時變電離層模型基礎上，利用射線追蹤技術，對高頻返回散射定頻探測回波譜中一種具有“彎鉤”形狀的地海回波進行仿真，在此基礎上對該現象的成因及變化特性進行了分析.結果表明該現象主要由電離層高低角傳播及電離層電子濃度變化引起，電離層參數變化對“彎鉤”存在顯著影響.

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