天波超視距雷達海雜波模型修正與特性分析

關澤文 陳建文 鮑 拯

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天波超視距雷達海雜波模型修正與特性分析

關澤文*陳建文 鮑 拯

(空軍預警學院 武漢 430019)

因受電離層調制影響，傳統(tǒng)的高頻海雜波模型難以全面描述天波超視距雷達海雜波的空域非均勻性和時域非平穩(wěn)性。該文首先基于傳統(tǒng)的Walsh 高頻海雜波模型分析了洋流的影響，提出電離層子反射面模型的概念，揭示了相干處理間隔內電離層對高頻信號頻譜的調制機理；然后通過建立電離層等效反射面，并將其分解為多個子反射面的方式，給出可以綜合反映不同海態(tài)、不同電離層狀態(tài)的天波超視距雷達海雜波修正模型。最后結合數(shù)學描述，利用該文修正模型反演分析了由電離層的空域非均勻、時域非平穩(wěn)引起的典型高頻海雜波多普勒偏移、展寬、分裂和多徑復雜現(xiàn)象的實測數(shù)據(jù)多普勒譜，仿真與實測數(shù)據(jù)多普勒譜驗證了所提修正模型的準確性與魯棒性。

天波超視距雷達；海雜波模型；電離層子反射面模型；電離層等效反射面

1 引言

天波超視距雷達(OTHR)海雜波是影響慢速艦船目標檢測的主要因素，其受電離層調制的影響，因此比傳統(tǒng)的高頻(HF)海雜波更加復雜多變。1955年，Crombie[1]首次用試驗的方法分析了HF海雜波回波多普勒譜，試驗結果顯示在零多普勒頻率兩側各有一個很高的譜峰，運用光柵理論中的“Bragg散射”，該譜峰得到了很好的物理解釋，因此也稱它們?yōu)橐浑ABragg峰或一階海雜波。1972年，Barrick[2,3]運用電磁場理論推導出一階和二階海雜波散射截面積方程，從數(shù)學的角度定量描述了幅度，表達式中的變量包含了有向浪高譜、海洋表面阻抗、海面風速以及雷達工作頻率等，通過和實測數(shù)據(jù)多普勒譜的比較，驗證了模型的準確性。1987年Walsh基于歸一化函數(shù)理論，將一階Bragg峰描述為抽樣函數(shù)平方的最大值，使Bragg峰的寬度有了量化描述。文獻[4]和Gill等人[5]考慮了雷達收發(fā)雙站分離的情況，進一步完善了二階海雜波回波譜模型。2011年，Walsh等人[6]推導了調頻連續(xù)波(FMCW)波形的高頻海雜波多普勒譜模型，該模型更加貼近當前HF天波超視距雷達的實際情況。

2 考慮洋流影響的Walsh HF海雜波模型

根據(jù)Bragg散射原理和水動力學理論，并考慮到洋流對一階海雜波的多普勒頻率有搬移的作用，一階海雜波多普勒頻率為[1]

以上得到的是HF海雜波的多普勒譜模型，為便于分析，將其變換到時域，同時加入相位噪聲和時域的高斯白噪聲得

3 相干積累時間內電離層對HF信號的調制

圖1 OTHR信號傳播路徑模型

相位路徑差為

故由電離層運動引起的多普勒偏移為

4 OTHR海雜波修正模型

然而，由于電離層的非平穩(wěn)特性，以上給出的多普勒偏移在數(shù)十秒的CIT過程中不再可以認為是不變的，事實上也正因為如此，大量的實測數(shù)據(jù)顯示電離層對海雜波回波多普勒譜的調制除了表現(xiàn)為多普勒偏移外，還有多普勒展寬、譜峰分裂和多徑傳播。

可見，這時回波整體發(fā)生了多普勒偏移。

綜合以上分析，OTHR的海雜波模型可以表示為式(14)的形式，其可以模擬由電離層引起的多普勒偏移、展寬、多徑，以及受洋流影響的海雜波多普勒譜。

5 海雜波多普勒譜電離層影響因素分析及模型仿真驗證

5.1電離層等效反射面高度及大圓距離對回波多普勒譜的影響

5.2 洋流的影響

圖2 高度和大圓距離對參數(shù)的影響

5.3電離層等效反射面的運動對回波多普勒譜的影響

圖3 洋流對海雜波多普勒譜的影響

圖4 電離層引起的海雜波多普勒偏移

圖5 電離層引起的海雜波多普勒展寬

5.4 多徑傳播

由于多徑傳播情況的發(fā)生可能會伴隨本節(jié)中前文描述的其他情況，表現(xiàn)形式復雜多變。本節(jié)結合實測數(shù)據(jù)，分別對伴隨多普勒偏移的多徑傳播情況和伴隨多普勒偏移和分裂的多徑傳播情況下的實測多普勒譜進行分析，然后給出應用本文所提的修正海雜波模型的仿真結果，進一步驗證模型的準確性和魯棒性。

圖6 電離層引起的海雜波多普勒分裂

圖7 多徑伴隨多普勒偏移的海雜波多普勒譜

圖8 多徑伴隨多普勒偏移、分裂的海雜波多普勒譜

以上分別給出了多種典型情況下OTHR實測海雜波多普勒譜和本文提出的修正OTHR海雜波模型的仿真多普勒譜，多種情況下多普勒譜中特征參數(shù)的比較驗證了本文模型的準確性和魯棒性。

6 結束語

本文基于Walsh HF海雜波模型，提出了電離層子反射面模型，并給出了能夠反映多種復雜海態(tài)、電離層調制影響的海雜波修正模型。結合數(shù)學分析，利用該模型解釋并反演了由電離層的空域非均勻特性和時域非平穩(wěn)特性導致的海雜波多普勒偏移、展寬、分裂和多徑的復雜現(xiàn)象，與多種典型情況下的實測數(shù)據(jù)進行了對比分析，結果表明本文提出的修正OTHR海雜波模型具有良好的一致性和魯棒性，同時有以下結論：

(1)洋流和電離層等效反射面在垂直向做勻速運動都可以引起的海雜波多普勒偏移。但兩者又有所區(qū)別，洋流對一階海雜波有作用，而電離層等效反射面的運動對包含一階海雜波在內的整個海雜波均有作用。

(2)電離層等效反射面在垂直向的運動和多徑的情況均可以引起海雜波多普勒譜峰分裂，整體上看，多普勒譜可以視為若干子海雜波多普勒譜的疊加。但兩者又有所區(qū)別，與電離層等效反射面在垂直向運動對應的若干子海雜波多普勒譜具有極強的相似性，因為它們僅是一個海面分辨單元的后向散射信號經(jīng)劇烈運動的電離層調制的結果，但與多徑對應的若干子海雜波多普勒譜是不同海面分辨單元的后向散射信號經(jīng)不同電離層調制的結果。相比之下，由于多徑現(xiàn)象中子多普勒譜對應的海況、電離層狀況均不同，所以多普勒譜更加復雜多變。

(3)受電離層等效反射面垂直向勻速運動或受洋流影響時，一階和二階海雜波的多普勒頻率范圍的大小不變，但在海雜波多普勒譜頻率偏移、譜峰展寬、分裂以及多徑現(xiàn)象中，均有所展寬。

子等效面模型的提出，使得電離層對OTHR信號的頻譜調制層面上有了方便簡潔的數(shù)學描述，所得的修正OTHR海雜波模型，對OTHR海態(tài)監(jiān)測、海面低可探測艦船目標檢測等領域的理論研究和工程應用都具有重要意義。本文未討論電離層對OTHR信號幅度的調制，如何從時域、空域的角度綜合考慮電離層中的電子濃度模型，利用電磁場和統(tǒng)計的理論方法，給出隨時間、空間變化的HF信號衰減模型，有待深入研究。

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關澤文： 男，1989年生，博士生，研究方向為天波超視距雷達信號處理研究.

陳建文： 男，1964年生，教授，博士生導師，從事天波超視距雷達信號處理、機載預警雷達信號處理、陣列信號處理等研究.

鮑 拯： 男，1977年生，博士，講師，從事天波超視距雷達信號處理、陣列信號處理等研究.

Model Modifying and Characteristics Analyzing of OceanClutter in Skywave Over-the-horizon Radar

GUAN Zewen CHEN Jianwen BAO Zheng

(,430019,)

As modulated by the ionosphere, the classical High-Frequency (HF) model of ocean clutter can not describe the HF scatterings from sea surface approvingly in view of skywave Over-The-Horizon Radar (OTHR). In this paper, ocean current is taken into consideration based on the Walsh HF sea clutter model. An equivalent ionospheric reflecting screen model is established which can be resolved into several sub screens, based on which the ionospheric modulation on frequency is discussed. Incorporating with Walsh model, a normalized sea clutter model for skywave OTHR is presented. Using the presented model, the spectrums in different cases involving Doppler shift, spectrum broadening, splitting and multipath propagation are simulated, and comparing with the measured data, the model’s validity and robustness are verified.

Skywave Over-The-Horizon Radar (OTHR); Sea clutter model; Ionospheric sub reflecting screen; Equivalent ionospheric reflecting screen

TN958.93

A

1009-5896(2017)12-2881-08

10.11999/JEIT170224

2017-03-17；

2017-06-05；

2017-06-30

國家自然科學基金(61471391, 61072132)

通訊作者：關澤文 guanzewen2008@163.com

: The National Natural Science Foundation of China (61471391, 61072132)