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.