波导环境下雷达后向散射系数研究
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电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究引言:电磁波的传播特性及应用研究一直是物理学、通信工程和电磁学等领域的研究热点。
在大气波导环境中,电磁波的传播受到大气层的影响,具有一些独特的特性,因此在雷达、无线通信、天气预报等方面的应用都具有重要意义。
本文将系统地介绍电磁波在大气波导环境中的传播特性及其应用研究。
一、电磁波在大气波导环境中的传播特性1. 大气介质特性对电磁波的传播影响大气介质对电磁波的传播起着重要作用。
大气中的水分子和氧分子对电磁波的吸收、散射和折射产生影响。
此外,大气介质的湿度、温度和密度对电磁波的传播特性也有影响。
2. 大气波导条件下的电磁波传播大气波导是指在大气中存在的具有传播特性的电磁波。
在大气波导条件下,电磁波的传播路径不仅限于直线传播,还涉及地球表面的反射和散射。
这种传播特性使得电磁波在雷达、通信系统等应用中有更优异的性能。
3. 引频雷达的工作原理引频雷达是一种利用大气波导进行远距离目标探测的工具。
它利用了由电离层和地球表面反射后的信号,实现对目标的探测和跟踪。
它的工作原理基于电磁波在大气波导环境中的传播特性。
二、电磁波在大气波导环境中的应用研究1. 引频雷达在大气科学中的应用引频雷达可以测量大气中的电离层、对流层和平流层等层结的高度、密度和变化情况。
通过对大气参数的研究,可以更好地理解天气现象和气候变化。
2. 电磁波在无线通信中的应用在大气波导环境中,电磁波的传播路径更加稳定,因此在无线通信中具有更远的传输距离和更好的可靠性。
这对于无线电视、移动通信和卫星通信等应用具有重要意义。
3. 电磁波在地球物理勘探中的应用通过电磁波在大气波导环境中的传播特性,可以实现地球内部结构的勘探,如矿产资源、油气田的探测。
利用电磁波在大气波导中的传播特性,地球物理勘探的效率和精度都得到了提高。
结论:电磁波在大气波导环境中的传播特性独特而重要。
大气介质的特性对电磁波的传播起到重要影响,而大气波导条件下的电磁波传播使得雷达、通信和地球物理勘探等领域的应用得到了进一步发展。
第 21 卷 第 12 期2023 年 12 月Vol.21,No.12Dec.,2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology一种复杂地物目标近垂直后向散射系数反演方法刘小红,经文*,江舸,唐高弟(中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621999)摘要:复杂地物目标的近垂直后向散射特征是影响雷达高度表回波波形的重要因素之一。
对近垂直后向散射系数的获取主要采用基于参数模型的实测数据拟合方法,但一般只适用于地势平坦且介质相对单一的地海面目标。
本文基于机载雷达高度表,针对复杂地物目标的距离-多普勒图像仿真实验数据和实测数据,利用距离-多普勒域和地球空间域的映射关系,提出一种后向散射系数的反演算法,并对得到的后向散射系数进行定量分析。
实验验证了提出的反演算法具有一定的适用性和参考性。
关键词:后向散射系数;反演方法;距离多普勒图像;雷达高度表中图分类号:TN957.51 文献标志码:A doi:10.11805/TKYDA2021375A near-vertical backscattering coefficient inversion method forcomplex ground object based on Range-Doppler imageLIU Xiaohong,JING Wen*,JIANG Ge,TANG Gaodi(Institute of Electronic Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang Sichuan 621999,China)AbstractAbstract::The near-vertical backscatter characteristics of complex ground objects are one of the important factors affecting the echo waveform of radar altimeter. The measured data fitting method isadopted based on the parameter model to acquire the near-vertical backscattering coefficient, but it isonly suitable for the ground and sea surface targets with flat terrain and relatively single medium. In thispaper, with the mapping between Range-Doppler domain and geospatial domain, aiming to the simulationexperiment data and the measured real data for airborne radar altimeter's Range-Doppler image ofcomplex ground objects, a backscatter coefficient inversion algorithm is proposed and the obtainedbackscatter coefficients are quantitatively analyzed. It is verified that the proposed inversion algorithmhas certain applicability and reference value.KeywordsKeywords::backscattering coefficient;inversion method;Range-Doppler image;radar altimeter 雷达高度表是一种测量雷达对地相对高度的装置[1],其中机载雷达高度表多用于民航客机和军用飞行器测高任务。
导体圆柱的散射原理本文将详细介绍导体圆柱的散射原理,涵盖雷达散射截面(RCS)、电磁波与导体圆柱的相互作用、散射特性分析、后向散射系数、前向散射系数、极化状态以及散射系数随频率的变化。
1.雷达散射截面(RCS)雷达散射截面(RCS)是衡量目标物体对雷达波散射能力的物理量。
它受到物体形状、尺寸、电磁参数以及入射波频率和极化状态等因素的影响。
在导体圆柱的散射问题中,RCS具有重要的作用。
2.电磁波与导体圆柱的相互作用当高频率的电磁波照射到导体圆柱上时,会产生散射现象。
电磁波与导体圆柱相互作用,导致电磁波的振幅和相位发生变化。
散射系数是描述这种相互作用的物理量,它与电磁参数、入射波的频率和极化状态等因素有关。
3.散射特性分析散射特性分析包括散射系数、极化状态和散射系数随频率的变化等方面。
散射系数描述了电磁波在导体圆柱表面的散射能力,极化状态则反映了电磁波的振动方向。
在不同的频率和极化状态下,电磁波的传播和散射特性会有所不同。
4.后向散射系数后向散射系数是指电磁波从正面照射到目标物体后,从物体的后方发射回前方的散射强度与入射强度的比值。
后向散射系数对于雷达探测和识别目标物体具有重要的意义。
通过计算和分析后向散射系数,可以了解目标物体的形状、尺寸以及电磁参数等信息。
5.前向散射系数前向散射系数是指电磁波从正面照射到目标物体后,从物体的前方发射到后方的散射强度与入射强度的比值。
前向散射系数在雷达探测和识别目标物体方面同样具有重要的作用。
通过计算和分析前向散射系数,可以了解目标物体的形状、尺寸以及电磁参数等信息。
6.极化状态电磁波的极化状态是指电场矢量的振动方向随时间变化的方式。
在导体圆柱的散射问题中,极化状态对散射系数有重要的影响。
不同的极化状态下,电磁波的传播和散射特性会有所不同。
因此,在研究导体圆柱的散射问题时,需要考虑极化状态的影响。
7.散射系数随频率的变化在电磁波与导体圆柱相互作用的过程中,散射系数会随入射波频率的变化而变化。
后向散射测试方法
后向散射测试方法(Backscattering testing method)是用于检测材料和物体内部缺陷的一种无损检测技术。
它基于射线在入射材料中散射回来的原理,通过测量回散射的射线强度和时间延迟,可以推断出材料内部的缺陷情况。
后向散射测试方法可应用于多种材料的缺陷检测和质量控制,比如金属、塑料、陶瓷、石头等。
具体的测试过程包括发射一束高能量的X射线或中子束入射到材料中,被射线击中的原子将产生散射,在散射过程中一部分射线会返回到探测器,通过分析回散射的强度和时间延迟,可以确定材料中的缺陷位置和大小。
相比于其它无损检测方法,后向散射测试方法有较高的检测精度和可靠性,可以用于检测非常小的缺陷,而且不会对材料造成损伤。
但是,该方法需要专业仪器和操作技术,并且较为耗时,成本也较高,所以在实际应用中需要根据具体情况进行评估。
雷达散射截面
雷达散射截面(Radar Cross section,缩写RCS)是雷达隐身技术中最关键的概念,它表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。
雷达散射截面又称后向散射截面,是雷达入射方向上目标散射雷达信号能力的度量,用入射场的功率密度归一化表示。
RCS是指雷达入射方向上单位立体角内返回散射功率与目标截状的功率密度之比。
雷达散射截面是入射方向单位立体角内返回的散射功率与目标的入射功率密度之比。
表征地面的目标对于雷达波束的回波强度。
雷达散射截面既与目标的形状、尺寸、结构及材料有关,也与入射电磁波的频率、极化方式和入射角等有关。
后向散射系数是单位面积上的雷达散射截面。
后向散射系数越大,表示目标的回波越强。
第30卷第2期2011年6月海洋技术OCEAN TECHNOLOGYVol.30,No.2Jun,2011基于FTF/T-R法的水体后向散射系数测量方法研究杨安安1,周虹丽1,陈利博2,朱建华1(1.国家海洋技术中心,天津300112;2.大连海洋大学,辽宁大连116023)摘要:文章给出了一种利用FTF/T-R方法的操作原理并结合算法获得水体悬浮颗粒物后向散射系数的方法。
通过该方法对藻类样品和悬浮泥沙样品的后向散射系数进行测量,样品的转移效率超过92.2%,悬浮泥沙样品后向散射系数光谱曲线呈现幂指数曲线特征。
利用该方法对标准颗粒物进行测量,其实际测量值与理论计算值的对比结果显示:380~480nm波长范围内,两者的相对标准偏差为21%,480~565nm两者的相对标准偏差为9.7%,565~ 680nm实测值大于理论值,证明该方法对于测量水体后向散射系数是一种可行的方法。
关键词:后向散射系数;FTF/T-R法;悬浮颗粒物中图分类号:TP722.4文献标志码:A文章编号:1003-2029(2011)02-0022-06水体吸收系数和散射系数是水体固有光学特性中的重要参数。
其中后向散射部分的光线透过水面形成离水辐亮度,是遥感传感器获取水体信息的来源和物理基础,是生物光学模型的重要输入参数。
其大小与水体中各组分的浓度、悬浮颗粒物的形状、大小有关。
目前对水体吸收系数的研究较多,而专门针对水体后向散射光学特性的研究相对较少,且主要针对光学特性受浮游藻类主导的海洋一类水体进行。
因此有必要对该参数进行深入研究,以便更为准确地定量化表达水体光学特性,为更好地建立固有和表观量之间的桥梁奠定基础。
理论上水体中悬浮物后向散射系数是无法直接测量得到的,目前获取水体后向散射系数的方法主要有以下几种:)(1)试验现场直接测量法,即利用现有的水体光学测量仪器(Hydroscat,AC-9,BB9,HS-6等)对水体后向散射系数进行直接或间接测量得到,但该方法只能对特定角度、特定波段的后向散射进行测量,因此对后向散射光学特性的影响因子的分析有一定的局限性;(2)基于物理模型的方法,首先利用颗粒物的散射理论计算得到水体颗粒物的散射系数,在利用后向散射概率函数得到水体中颗粒物的后向散射系数,该法前提是认为颗粒物均匀,受颗粒物形状、折射系数、粒径分布影响较大。
雾的雷达后向散射特性研究
赵振维;林乐科;董庆生;吴振森
【期刊名称】《电波科学学报》
【年(卷),期】2001(016)004
【摘要】利用平流雾与辐射雾的能见度与含水量的经验公式导出的Gamma雾滴谱分布,得到了平流雾和辐射雾的雷达反射因子Z与雾的能见度、含水量的关系式.以94GHz雷达为例,研究了雾的雷达后向散射特性.最后利用毫米波衰减数据和能见度反演的几场湿海雾参数,研究了湿海雾的后向散射特性,研究结果表明:湿海雾的雷达反射因子可与中到大雨相当.
【总页数】5页(P498-502)
【作者】赵振维;林乐科;董庆生;吴振森
【作者单位】西安电子科技大学,陕西,西安,710071;中国电波传播研究所青岛分所,山东,青岛,266071;中国电波传播研究所青岛分所,山东,青岛,266071;中国电波传播研究所青岛分所,山东,青岛,266071;西安电子科技大学,陕西,西安,710071
【正文语种】中文
【中图分类】TN011
【相关文献】
1.尘暴对毫米波雷达的后向散射特性研究 [J], 君文言;肖景明
2.天波超视距雷达海面非后向散射特性建模分析 [J], 谢超;潘谊春;何缓
3.基于雷达后向散射特性进行湿地植被识别与分类的方法研究 [J], 王安琪;周德民;
宫辉力
4.基于合成孔径雷达的农作物后向散射特性及纹理信息分析——以吉林省农安县为例 [J], 王利花; 金辉虎; 王晨丞; 孙瑞悉
5.基于ACA-SVD的雷达后向散射特性快速计算方法 [J], 郭良帅;林云;梁子长;高鹏程
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五省一市光学联合年会、十三省市光学联合年会论文集(江西光学学会汇编空间目标激光雷达散射特性测量与研究邬双阳李卫森范杰平辛玉军司光芙(中国电子科技集团公司第二十七研究所河南郑州 450015摘要:散射特性是重要的目标光学特性之一,是激光雷达系统目标探测、识别的依据, 目标的激光散射特性决定了系统主要的技术参数, 甚至工作体制的选择; 本文主要从实验测量和理论建模两个方面, 总结在激光雷达目标散射特性测量与研究过程中所涉及的主要技术难点和解决方法, 并将测量实验结果与目标理论建模数据进行比对、分析, 得出试验测量数据曲线与理论建模数据曲线在量值、变化趋势和规律等方面有很好地吻合。
完成了激光雷达目标散射截面的高精度测量和激光雷达目标特性仿真计算工作。
关键词:激光雷达、目标散射特性;散射截面;激光探测中图分类号:TN958.98 文献标志码:AMeasurement and Analysis of Laser Radar Space TargetScattering CharacteristicsXing EnmingThe 27th Research Institute of CETC Hennan,zhengzhou,450015Abstract :Scattering Characteristic is one of the most important optical characteristics of target. It is the basis of target detection and identification of laser radar system. The target scattering characteristic determines the key parameters of the system, including the selection of work style. The critical technological difficulties and solving methods involved in process of measurement and research of laser radar target scatteringcharacteristic in experimental measurement and theoretical modeling are summarized in the paper. Compared the measurement result with modeling data, the conclusion that the two curves accord well with each other in value, change trend and orderliness is educed. High precision measurement of Laser Radar Cross Section (LRCS and simulation of target characteristic are accomplished.Keywords :Laser Radar; Target Scattering Characteristic; Cross Section; Laser Detection引言激光雷达目标特性研究实质上归结为目标的激光散射特性研究,激光散射特性是目标的重要光学特性之一, 是激光雷达系统目标探测、识别的依据。
《高频地波雷达散射截面积研究》篇一一、引言随着雷达技术的不断发展,高频地波雷达因其独特的探测性能在军事、民用等领域得到了广泛应用。
散射截面积作为高频地波雷达性能的重要指标之一,直接影响着雷达探测目标的准确性及能力。
本文将对高频地波雷达散射截面积的相关问题进行研究与探讨。
二、散射截面积概念及其重要性散射截面积是雷达目标对电磁波的散射能力的一种度量,它描述了目标在特定频率和极化条件下对电磁波的散射程度。
在高频地波雷达系统中,散射截面积是决定雷达探测目标的关键因素之一。
当散射截面积较大时,意味着目标对电磁波的散射能力强,雷达能够更准确地探测到目标;反之,当散射截面积较小时,目标的探测难度将增大。
因此,研究高频地波雷达散射截面积对于提高雷达探测性能具有重要意义。
三、高频地波雷达散射截面积的影响因素高频地波雷达散射截面积受到多种因素的影响,主要包括目标形状、尺寸、材质、电磁波频率及极化方式等。
不同形状、尺寸和材质的目标在相同条件下具有不同的散射特性,因此散射截面积也会有所不同。
此外,电磁波的频率和极化方式也会对散射截面积产生影响。
不同频率和极化方式的电磁波与目标相互作用时,会产生不同的散射效应,从而导致散射截面积的差异。
四、研究方法与实验结果针对高频地波雷达散射截面积的研究,可以采用理论分析、仿真及实验等方法。
首先,通过建立目标散射模型,对不同形状、尺寸和材质的目标进行理论分析,得出其散射截面积的变化规律。
其次,利用仿真软件对目标进行仿真分析,验证理论分析结果的正确性。
最后,通过实验测试不同目标在高频地波雷达系统中的实际散射截面积,为雷达系统设计及优化提供依据。
实验结果表明,不同目标在相同条件下具有不同的散射截面积。
通过优化雷达系统参数及目标设计,可以有效提高雷达探测目标的准确性及能力。
此外,实验结果还表明,电磁波的频率和极化方式对散射截面积具有显著影响,因此在雷达系统设计及优化过程中需充分考虑这些因素。
摘要在目前的军事探测中,雷达是重要的探测手段,等离子体隐身技术作为一种新概念,正受到越来越多的关注,美俄等国家都在进行深入研究并已进入应用阶段。
开展电磁场在等离子体环境下散射场的研究,探索针对性的算法是非常必要的。
目前应用于色散媒质电磁散射分析的方法主要是时域有限差分法(FDTD),它的原理简单明了,在处理复杂媒质问题时非常方便,但在遇到三维电大目标的散射问题时,计算量过大,并且FDTD方法本身也不是很精确。
而时域积分方程法在求解这种问题时,对于均匀媒质只需离散散射体表面,相对于还要增加截断边界的FDTD,减少了很多未知量,同时TDIE也是一种精确的方法,不存在色散误差。
若配合最近的时域平面波法(PWTD)进行加速,可望达到比较高的计算效率,是一种值得深入研究的数值方法。
鉴于此,本文研究了三维目标瞬态电磁散射的TDIE方法,以期为将来将TDIE 运用于等离子体色散媒质中打下一定基础。
本文首先简要分析了课题的意义现状,与当前常见的几种数值方法作出比较后,说明了TDIE求解此类问题所具有的优势,以及存在的问题及解决方案。
接着推导了时域电场、磁场、混合场的积分方程,并介绍了求解TDIE的基础:矩量法。
在第四章,系统细致地分析了如何离散散射体,处理原始数据,如何用时间空间基函数展开TDIE,并进行内积检验,求取积分值及奇异积分。
还分析了TDIE的稳定性问题以及解决方法,选取了一种新的抵制振荡的平均方法。
算例表明,这种方法具有很好的效果。
最后,浅谈了TDIE的快速算法PWTD的原理。
这种方法能够使TDIE应用于复杂的色散媒质如等离子体,并且能把计算复杂度大大降低。
这是TDIE的一个重大突破,是TDIE发展的新方向。
关键词:等离子体,雷达波,时域积分方程,矩量法,后时稳定性,时域平面波法ABSTRACTIn the current military detecting, the radar is an important means of detection. As a new concept, the plasma stealth technology is receiving more and more attention. The United States and Russia and other countries are carrying out in-depth research and have entered the application stage.To study the scattering electromagnetic fields in the plasma environment, and to explore specific algorithm is very necessary.The mostly used method in dispersive media for electromagnetic scattering analysis is finite-difference time-domain(FDTD).It is simple and clear,very convenient in addressing complex medium problems,but in the face of Electrically Large goals scattering problem, the calculation is excessive, besides the FDTD method itself is not very precise. On the other hand, when using the time-domain integral equation method to solve such problem, not only just the surface of scattering object is needed to be meshed for the homogeneous medium, but also a lot of unknowns will be reduced. Meanwhile, TDIE is more accurate, it does not produce dispersion error. When used with the plane-wave time-domain (PWTD) accelerating it is expected to achieve high computational efficiency and is a numerical methods worthy of in-depth study.As such, this paper presents a three-dimensional transient electromagnetic scattering using TDIE, hoping to lay the foundation of TDIE based numerical simulation applied in plasma dispersion medium in the future.This paper analyzes the significance of the status issue first. In comparing with the current common numerical methods, the advantages of TDIE based scheme solving such problems are shown. Then the integral equation time domain for the electric field, magnetic field, and the mixed field are derived, and the basis of the solution of TDIE : Moment Method is introduced.In the fourth chapter, this paper detailed analysis of how to get the discrete scattering body, how to deal with raw data, how to use space-time basis function, how to apply testing procedure and how to evaluate integral values and singular integrals. The stability of the TDIE solution is also analyzed and a new averaging method is used to resist the oscillation. The numerical results of two samples show that this method is very effective.Finally, the principle of the fast algorithm of TDIE : PWTD is briefly discussed. This approach enables TDIE to suit for complex dispersion medium such as plasma, and the computational complexity can also be reduced significantly. This is a major breakthrough for TDIE, and a new direction.Keywords : plasma, radar, the Time-Domain Integral Equation(TDIE), the Method of Moments(MoM), stability, Plane-Wave Time-Domain(PWTD)1. 绪论1.1 研究工作的背景和意义未来高技术战争对飞行器隐身技术提出了高要求。
第二章距离高分辨和一维距离像雷达采用了宽频带信号后,距离分辨率可大大提高,其距离分辨单元长度可小到亚米级,这时从一般目标(如飞机等)接收到的已不再是“点”回波,而是沿距离分布开的一维距离像。
目标在雷达电波作用下,产生后向散射的电波称为雷达回波。
严格计算雷达回波是比较复杂的,当目标的尺寸远大于雷达的波长,即雷达工作在光学区(一般目标对微波雷达均满足这一条件)时,则目标可用散射点模型近似表示,特别是对一些金属目标,可以用分布在目标表面的一系列散射点表示各处对电波后向散射的强度。
散射点的分布状况随雷达对目标的视角变化而改变,因为目标的某些部件有强的方向性,例如目标中有些类似平板的部件,当它正面向雷达时有很强的后向镜面反射,而偏开不大的角度时,后向散射就很小(隐身目标常据此构造其外形),而如类似三面角和两面角的部件则在较大角域里有强的后向散射。
此外,由于谐振波和爬行波的滞后效应,有时也会有少数散射点位于目标本体之外。
分析和实验结果表明,在一般情况下,视角变化十余度,散射点在目标上的位置和强度近似不变。
顺便提一下,前面曾提到的微波雷达对目标做ISAR成像,要求目标有不超过3°~5°的转动,分析时用散射点模型是合适的。
如上所述,在散射点模型假设条件下,目标的回波可视为它的众多散射点子回波的和。
宽频带雷达一般都采用时宽较大的宽频带信号(如常用的线性调频信号),通过匹配滤波将其压缩成窄脉冲,而窄脉冲宽度相当的长度远小于目标的长度,目标回波的窄脉冲分布相当于三维分布的目标散射点子回波之和,在平面波的条件下,相当三维子回波以向量和的方式在雷达射线上的投影,即相同距离单元里的子回波作向量相加。
虽然是同一个目标,当视角相差较大时,不仅投影的射线有变化,且目标上散射点的分布也会有所不同。
图2.1是飞机目标实测的一维距离像,它们的视角各相差15°,可见一维距离像在视角变化较大的情况下有很大的不同。
波导环境下雷达后向散射系数研究 (中国海洋大学 信息科学与工程学院, 山东 青岛266100) 摘要:海上大气波导会显著改变雷达电磁波的传播性能,反应到雷达图像上表现为强烈的海杂波回波信息。为了探究大气波导的影响因素,采用改进的git模型仿真方法模拟出波导背景下不同风速对雷达后向散射系数的影响,并且利用谱估计技术计算出掠射角随距离的变化。通过仿真结果分析,风因子对雷达后向散射系数影响显著,仿真结果对进一步利用海杂波反演大气波导及提高舰载雷达探测性能具有重要指导意义。 关键词:大气波导; 海杂波; git模型; 谱估计技术; 风场 计划项目:大气波导实时探测技术研究(2008aa093001)在舰载雷达探测目标的过程中,经常出现电磁波异常传播现象。即部分电磁波获陷在一定厚度的大气层内,如同电磁波在金属波导管中传播一样,上下震荡向前传播,即为大气波导现象。根据大气修正折射率的剖面结构,可将大气波导分为表面波导、蒸发波导和抬升波导三类[1] ,蒸发波导和表面波导是对近海雷达系统影响较深的两种波导形式,我国东南沿海地区是波导频繁发生地带,其中蒸发波导在近海面发现概率高达80%。 大气波导对雷达海杂波有增强的作用,主要是由于电磁波在波导层内传播时,能量衰减很小,电磁波可以紧贴海面传播产生超视距 效应,从而使雷达能探测到强烈的海杂波信息。海杂波的增强往往会增加雷达所要探测有用目标的难度,甚至导致雷达探测盲区的出现,从而造成雷达定位失效甚至目标丢失,尤其对一些低空飞行的雷达散射截面较小的目标[2] 。根据国内外研究表明,海杂波回波与雷达波长、极化方式、入射角、海况、风等因素密切相关,因此研究波导背景下海杂波回波,对提升舰载雷达探测性能及进一步利用海杂波反演大气波导具有重要理论指导和应用价值。 1波导环境下的海杂波 海杂波是由雷达照射区内大量散射单元回波矢量叠加形成的,波浪与波纹的运动使每一分量的相对相位发生变化,引起总的合成杂波的随机变化[34]。目前存在的海杂波模型都是掠射角在1~10°的情况,并且与实际符合的比较好,但当掠射角小于1°时,这些模型便表现出了明显的差异。后经研究发现,大气波导环境下的雷达散射系数和标准大气下的雷达散射系数有明显差异。国内外研究机构经过对比分析一系列海杂波模型,发现有两个模型比较符合较小掠射角(低于1°)的情况,分别为git和tsc模型[56]。其中git模型是目前比较完善也是应用最多的计算海杂波σ0的模型。 本文即是利用git模型分析不同风速下的雷达散射系数的变化情况,从而为进一步研究提供理论基础。 1.1git模型 git模型是由佐治亚理工学院(the georgia institute of technology)针对单位面积的平均雷达散射截面提出的确定参数模型[5]。该模型是入射角、风场、平均波高、雷达波长、极化方式的函数。具体参数如下:λ是雷达波长(单位:m),φ是风向(单位:(°)),φ为掠射角(单位:rad)、vw为风速(单位:m/s),hav为平均波高(单位:m)。 散射因子:σφ=(14.4λ+5.5)φhav/λ,ai=σ4φ/(1+σ4φ)(1)逆/顺风向因子:au=exp(0.2cos φ(1-2.8φ)(λ+0.02)-0.4(2)风速因子:qw=1.1/(λ+0.02)0.4,hav=(vw/8.67)2.5, aw=[1.942 5vw/(1+vw/15)]qw(3)水平极化的后向散射系数:σ0hh=10log(3.9×10-6λφ0.4aiauaw) (4)式中:ai是波高的带有标准偏差符合高斯分布的多路径干扰经验求导因子;aw和au是经验求导因子,au描述了天线方向跟海浪间的视角的变化。由于本文所及雷达为工作在x波段的adwrx天气雷达,高斯型天线(天线高20 m、水平极化),工作频率为10 ghz,切向入射,因此利用式(1)~式(4)便可以模拟仿真不同风速因子、平均波高对波导背景下雷达后向散射因子σ0的影响作用,从而为进一步研究提供基础。 1.2掠射角φ的计算 需要说明的是,在研究波导环境下不同海况对雷达后向散射系数影响的问题时,掠射角φ是随距离变化的,确定每个距离步长的掠 射角成为关键。掠射角的计算一般采用两种方法:几何光学法和谱估计法[710]。由于几何光学适用于计算简单的大气折射率分布情况,而谱估计方法在二维非均匀的折射率情况下表现相对良好。因此采用现代谱估计理论中的burg算法来计算掠射角φ。下面为蒸发波导和表面波导环境下掠射角的变化情况。图1为蒸发波导分别为10 m及30 m高度时掠射角随距离的变化。由图可见,0~20 km时,随着距离的增加,掠射角随距离的增加迅速衰减;而距离大于20 km时,掠射角几乎不再变化,稳定在某个小于1°的值附近。相对于10 m高度的蒸发波导,由于波导强度的增强,掠射角数值也相对较大。两条掠射角曲线最后分别稳定在0.07°和0.17°左右,这表明由于波导厚度的增加,减少了电磁波的衰减,电磁波上下震荡更为强烈,从而使得掠射角也随之增加。图2为50 m高度的表面波导掠射角随距离的变化。相对于蒸发波导,表面波导环境下电磁波在波导管层内上下剧烈跳跃引起掠射角值的起伏变化,最后掠射角稳定在0.2°左右。
2数值模拟与分析 掠射角问题解决后,就可以利用式(1)~式(4)分析研究不同海况对雷达散射系数的影响。下面分析了高度为10 m和30 m时蒸发波导,高度为50 m时表面波导环境下不同风速对雷达后向散射系数(rcs)的影响。 图1不同高度蒸发波导背景下掠射角φ随距离的变化图250 m高表面波导环境下掠射角φ随距离的变化图3、图4分析了风速2.5 m/s,5 m/s,7.5 m/s及10 m/s时,雷达后向散射系数σ0随距离的变化情况,蒸发波导高度分别为10 m和30 m。 图310 m高度蒸发波导背景下不同 风速下rcs随距离的变化图430 m高度蒸发波导背景下不同风速下rcs随距离的变化从图中可以看出,同一风速下rcs随距离的延伸而渐渐变小,并且可以看出在相同距离处rcs随着风速的增加增强。主要原因为风掠过海面产生小范围的粗糙度。这种粗糙度引起rcs的变化,风速越大rcs值就越大,海面反射电磁波的能力也就越强。并且由于波导强度的增加,电磁波衰减减少,因此同一风速下rcs也有所增加。 由图5可以看出,风速2.5 m/s,5 m/s,7.5 m/s及10 m/s时,rcs随距离的变化情况,表面波导为50 m。从图中可以看出,由于受到图2中掠射角曲线起伏的影响,rcs曲线也不再保持平稳,同一风速下,rcs随距离起伏变化,同时发现风速的变化对rcs的取值影响仍然很大。风速越大,rcs值越大,海表面反射电磁波能力也就越强。同时还可以发现,较小风速对rcs值影响更为显著。 图550 m高度表面波导背景下不同 风速下rcs随距离的变化下面对不同掠射角下rcs随风速的变化情况进行计算分析。分别选取掠射角φ为0.1°,0.2°和0.3°, 雷达后向散射系数(rcs)随风速的变化情况进行分析,如图6所示。 图6不同掠射角背景下rcs随风速的变化情况从图6中可以看出,同一掠射角下,rcs随风速变化曲线拐点在10 m/s左右,风速小于10 m/s时,风速对rcs影响显著,风速大于10 m/s时,风速对rcs影响不再显著,此发现对雷达布控及提高舰载雷达探测性能有重大帮助。同时还发现,相同风速下rcs随着掠射角的增加也有所增加。 3结语 大气波导作用于雷达电磁波而改变其传播性能,电磁波衰减也大大减小,从而发生超视距现象,掠射角也会不同于标准大气条件下的情况。因此,雷达可以探测到更强烈的海杂波回波。海杂波的增强往往会增加雷达所要探测有用目标的难度,甚至出现雷达探测盲区,而不同的海况(浪、流及风等)对海杂波回波影响颇深,因此研究波导背景下rcs值对提升雷达探测性能有重要指导意义。本文利用改进git模型模拟仿真了波导背景下不同风速对雷达后向散射系数的影响,并且利用现代谱估计理论中的burg算法,分析出了掠射角随距离的变化情况,对提升雷达探测性能及利用海杂波回波反演大气波导具有重要的指导意义。此外由于本文只分析研究了不同风速下rcs的变化,而现实中海上情况复杂多变,对rcs的影响也不只限于风的作用,因此对其他影响因素有待进一步分析研究。 参考文献 [1]刘成国,潘中伟,郭丽.中国低空大气波导的出现概率和波导特征量的统计分析[j].电波科学学报,1996,11(2):6066. [2]成印河.海上低空大气波导的遥感反演及数值模拟研究[d].青岛:中国科学院海洋研究所,2009. [3]horst m m, dyer f b. radar sea clutter model \[m\]. georgia, usa: georgia institute of technology, 1989: 611. [4]方有培.海杂波特性研究[j].上海航天,2002(5):3135. [5]paulus r a. evaporation duct effects on sea clutter \[j\]. ieee trans. on antennas and propagation, 1990, 38 (11): 17651771. [6]nathanson f e. radar design principles \[m\]. new york: mcgrawhill, 1969. [7]hitney h v. hybrid ray optics and parabolic equation methods for radar propagation modeling \[c\]// proceedings ofiee int. conf.radar.brighton: \[s.n.\], 1992: 5861. [8]guillet n, fabbr0 v. low grazing angle propagation above rough surface by the parabolic wave equation \[c\]// proceedings of geosciences and remote sensing symposium. \[s.l.\]: grss, 2003, 7: 41864188.