中國近海蒸發(fā)波導反演中最佳雷達參數分析

胡榮旭1吳振森1張金鵬2

(1.西安電子科技大學 物理與光電工程學院,陜西 西安 710071;

2.中國電波傳播研究所,山東 青島 266107)

摘要利用雷達海雜波反演大氣波導折射率 (Refractivity From Clutter,RFC)的技術可以實現海洋低空對流層近實時、區(qū)域性、非均勻折射率的探測反演,但其反演性能受雷達參數和折射率區(qū)域時空統(tǒng)計特性以及地(海)面的影響,為了使RFC技術在中國海域蒸發(fā)波導反演中體現出較好的性能,使用粒子群優(yōu)化算法和自適應目標函數,利用美國圣地亞哥空海作戰(zhàn)系統(tǒng)中心高級折射效應預報系統(tǒng)提供的中國海域蒸發(fā)波導高度區(qū)域統(tǒng)計數據,依據考慮區(qū)域統(tǒng)計特性的均方根誤差評判模型,研究了中國不同海域、不同月份,不同雷達頻率天線高度組合情況下的蒸發(fā)波導RFC反演性能,分析得出適用于中國近海蒸發(fā)波導RFC反演的最佳雷達頻率和天線架設高度范圍,所得結果對我國周邊海域監(jiān)測以及海上無線電系統(tǒng)的設計與應用具有參考價值.

關鍵詞蒸發(fā)波導;雷達海雜波;雷達參數;反演性能

中圖分類號P412.292

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)04-0653-08

AbstractRefractivity from clutter (RFC) refers to techniques that estimate the near real-time,regional and non-uniform tropospheric refractivity from radar clutter returns. Radar parameters, sea(ground) surface characteristics and spatio-temporal statistics of refractivity affect performance of RFC. In order to obtain better performance of RFC for evaporation duct in China sea areas, RFC estimation performance was computed in term of a root mean square error (RMSE) of estimation over prior statistics distribution when a radar frequency-antenna height combination is given.The estimation was achieved by particle swarm optimization (PSO) including adaptive objective function.The prior distribution in this paper were provided by advanced refractive effects prediction system (AREPS) belonging to air and sea warfare systems center in San Diego,USA.Through studying RFC estimation performance at different months of China different sea regions, the best possible combination of radar frequency-antenna height was summarized. The

收稿日期：2014-08-05

作者簡介

Analysis for best radar parameter in inversion of evaporation

duct above China sea areas

HU Rongxu1WU Zhensen1ZHANG Jinpeng2

(1.XidianUniversity,SchoolofPhysicsandOptoelectronicEngineering,Xi’anShaanxi710071,

China;2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,QingdaoShandong266107,China)

資助項目： 中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金(JB150513)

聯系人： 吳振森 E-mail: wuzhs@mail.xidian.edu.cn

results would lay an important reference on ocean environment inspecting, design and application of radio system emplaced in China offshore.

Key words evaporation duct; radar sea clutter; radar parameters; performance

引言

大氣波導是由于氣象因素影響而產生的一種具有異常折射率結構的大氣層,可以陷獲電波射線,使其像在金屬波導中一樣傳播,如圖1中粗箭頭所示.大氣波導可以增加雷達的作用距離,實現超視距探測,但同時也增加了參數被偵測的幾率;大氣波導結構還可引起雷達盲區(qū)、海雜波增加等消極的波導效應,這將增加目標的探測難度.統(tǒng)計數據分析表明,我國周邊海域的蒸發(fā)波導發(fā)生概率在85%左右[1],而且比較持久.對大氣波導進行實時、準確的探測可以使我們及時、合理地利用和規(guī)避大氣波導,以便在國防上取得戰(zhàn)略上的優(yōu)勢.據新聞報道,在5月份的中國東?！昂Ｉ下摵?2014”中俄海上聯合軍事演習中,我國軍艦就曾利用捕捉到的大氣波導,使我軍艦雷達測距提升三倍.

圖1　海上對流層波導環(huán)境中的雷達波傳播示意圖

對海上對流層波導折射率的探測通常使用無線電探空儀和微波折射率儀,但對于近實時、準確的大面積海域的大氣波導監(jiān)測來說,這兩種測量方法實施的限制因素較多.而利用雷達海雜波反演大氣波導折射率(Refractivity From Clutter,RFC)[2]的方法只需有正常工作的(艦載、岸基)雷達設備,通過實時測量不同距離上的雷達海面回波功率,根據合適的反演模型就能夠實現區(qū)域性、非均勻折射率的近實時反演.這種方法成本低、易實施,從20世紀90年代末至今,國外對RFC技術進行了深入的研究,獲得了大量成果[3-7];國內在這方面從2005年之后也做了很多的研究[8-18].

雷達回波受雷達參數和大氣環(huán)境、地(海)表因素的影響.RFC正是利用大氣折射率對雷達回波的影響來反演大氣波導折射率的.所有影響雷達海面回波的因素都會影響RFC反演性能.對于特定的波導折射率環(huán)境和海表面系統(tǒng),雷達海雜波功率-距離分布數據受所有雷達系統(tǒng)參數的影響,但是對對流層波導的RFC反演來說,影響雷達海雜波功率-距離分布數據的主要雷達參數是雷達頻率和天線架設高度,這一點從1.1節(jié)的雷達海雜波功率模型方程(1)也可以看出.波導RFC反演中使用不同的雷達頻率-天線高度組合就會有不同的反演性能.2009年,國外Yardim[19]用考慮波導區(qū)域統(tǒng)計特性的均方根誤差(Root Mean Square Error,RMSE)來評判RFC的反演性能,并計算了不同雷達頻率-天線高度組合在春季白天北海、東地中海和秋季白天巴西東海岸三個區(qū)域的蒸發(fā)波導反演性能分布.同年,國內趙小峰[20]研究了雷達參數對不同類型大氣波導環(huán)境下的單程傳播損耗的影響;2010年,田樹森[21]對蒸發(fā)波導下海上搜索雷達天線架高進行了研究,結果表明天線架設高度應考慮雷達工作頻率和海區(qū)的氣象環(huán)境.2011年,張金鵬[17]和趙小峰[18]利用RFC反演性能對天線高度的敏感性,分別提出利用不同天線高度組合提高波導RFC反演性能的方法.但是上述國內對相關雷達參數的研究都沒有考慮實際大氣波導的時空統(tǒng)計特性.實際對流層波導環(huán)境是隨地理區(qū)域、氣候條件、季節(jié)和時間等因素的變化而不同,它的分布具有一定的時空統(tǒng)計特性.

利用美國圣地亞哥空海作戰(zhàn)系統(tǒng)中心高級折射效應預報系統(tǒng)(Advanced Refractive Effects Prediction System,AREPS)[22]提供的中國海域蒸發(fā)波導高度時空統(tǒng)計數據,考慮由波導時空統(tǒng)計特性影響下的均方根誤差模型[19],對不同雷達頻率-天線高度下中國近海域蒸發(fā)波導RFC的反演性能進行研究分析,提取出了適用于中國近海蒸發(fā)波導RFC反演的最佳雷達頻率和天線架設高度范圍,結果可為海上雷達的工作效能及大氣波導探測提供參考.

1雷達海雜波功率模型

1.1雷達海雜波功率

在波導環(huán)境中,粗糙海面后向雷達回波的計算需要特別考慮海面散射單元到接收天線傳輸路徑上波導環(huán)境大氣折射率的影響.假設海上對流層大氣修正折射率用M表示,在不考慮接收機噪聲時,雷達接收到的海面后向散射回波功率可以表示為[4]

Pc(x,M)= -2L(x,M)+σ0[θ(x,M)]+

10 lgx+C.

(1)

式中:x為海面散射單元與雷達天線之間的距離,km;θ為擦地角;σ0為海面后向散射系數;C是一項與發(fā)射功率、增益等雷達參數以及擦地角θ有關的分量,當擦地角θ假設不隨距離變化時為常數;L(x,M)是單程傳播損耗,其表達式為

L(x,M)= 32.44+20lgf+

20lgx-20lgFp(x,M).

(2)

1.2海面散射系數σ0與擦地角θ

在實際的波導反演過程中,常使用相對海雜波功率ΔPc(單位是dB)作為目標函數進行RFC反演,它的計算式為

ΔPc(x,M) =Pc(x,M)-Pc(x0,M)

=-2[L(x,M)-L(x0,M)]+

{σ0[θ(x,M)]-σ0[θ(x0,M)]}+

(3)

式中:Pc(x0,M)為初始反演距離x0處的海雜波功率;θ(x0,M)為電波射線到達x0處海面單元時的擦地角.波導反演所需的海雜波一般來自較遠處的海面單元,因此式(3)中σ0為掠入射θ∈(0°,1°)情況下的海面后向散射系數.海面散射系數σ0的建模對雷達海雜波功率的建模至關重要,需要根據雷達系統(tǒng)和大氣環(huán)境先驗信息合理選擇海面散射系數σ0的處理方式.一般當波導為蒸發(fā)波導時或標準大氣時,較遠處掠射角θ基本不隨距離變化,導致海面后向散射系數σ0隨距離向的微小變化對雷達海雜波功率的影響相對較小,因此可以忽略[4]或者假設為零[3],所以相對功率ΔPc與海面散射系數σ0無關,只和影響傳播損耗L的雷達頻率和天線架設高度有關.當有較強的大氣陷獲層時,例如表面波導存在時,掠射角θ隨距離x不斷變化,σ0是θ的敏感函數,需用射線追蹤(ray tracing)或譜估計等方法估計不同距離處的掠射角θ(x,M),并計算相應的σ0[θ(x,M)].散射系數的NRL經驗模型[25]是2009年美國海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory,NRL)根據Nathanson實驗海雜波數據[26]擬合出的一個經驗海雜波均值散射系數模型,它的計算公式簡單,比較適合用于近實時RFC反演中需要計算大量正問題而要求σ0計算速度快而準確的問題.

2大氣波導RFC反演性能評判模型

(4)

除了雷達頻率和天線高度,RFC的反演性能還受大氣條件的影響,不同的波導狀態(tài)m,RFC的反演性能也是不同的.波導狀態(tài)隨海域、季節(jié)甚至時間的變化而變化著.對于同一海域的不同季節(jié),或者不同季節(jié)的同一海域,由于氣候的影響,某些波導狀態(tài)m發(fā)生的概率較大,其他狀態(tài)波導發(fā)生的概率較小.波導狀態(tài)在時空上的不均勻性,影響著RFC在實際應用中的反演性能,必須考慮波導狀態(tài)m的統(tǒng)計特性.假設波導狀態(tài)向量的歷史統(tǒng)計分布為p(m),則RFC反演的整體RMSE可以表示為[19]

(5)

式中,p(m)表示波導狀態(tài)參數向量中所有參數的聯合先驗概率密度函數.

對于Paulus-Jeske蒸發(fā)波導模型[27]而言,由于只有蒸發(fā)波導高度hd一個狀態(tài)參數,可以直接使用hd對式(5)進行簡化,即

p(hd)dhd.

(6)

式中,p(hd)為要討論的某一時空的蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計分布;這里由于只有蒸發(fā)波導高度hd一個參數,所以，權矩陣W=1.

3中國近海蒸發(fā)波導RFC反演中最佳雷達頻率-天線高度分析

下面考慮真實波導環(huán)境時空統(tǒng)計特性的情況下,根據評判模型公式(6),計算不同雷達頻率-天線高度組合下我國周邊不同海域在不同月份時的蒸發(fā)波導RFC反演性能,分析適用于中國沿海蒸發(fā)波導反演的最佳雷達頻率與天線高度范圍.

3.1中國近海蒸發(fā)波導區(qū)域統(tǒng)計分布

蒸發(fā)波導經常并持久地發(fā)生著,在經濟建設和國防建設中具有重要的戰(zhàn)略地位,國內學者對我國有關海域蒸發(fā)波導分布的統(tǒng)計特性做了很多有意義的工作[1,28-29].本文研究需要的中國近海蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計數據(圖3)來自美國AREPS的環(huán)境數據庫[22].圖2給出了我國周邊海域所在馬士頓方格(MarsdenSquares,MS)(10°×10°)示意圖,圖中每個MS內的數字為相應的MS編號.MS132、MS097、MS096和MS061四個海域分別在三月、六月、九月和十二月4個不同月份的白天與晚上蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計分布如圖3所示,每幅子圖中的均值是當月內白天與晚上蒸發(fā)波導高度的統(tǒng)計平均值.從圖3可以看出,MS097和MS096以及MS061海域由于所處位置及氣候的影響,蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計分布有些相似.

圖2　我國周邊海域對應的馬士頓方格示意圖

3.2RFC反演方法及有關參數設置

參考文獻關于RFC反演步驟可[3-4,10].文中蒸發(fā)波導RFC反演使用標準粒子群優(yōu)化 (Particle Swarm Optimization,PSO)`([10])算法,種群大小為20,每個粒子的最大進化代數為25,搜索范圍為0～40 m,學習因子c1=c2=2,粒子的最大飛行速度為4.0,適應值目標函數使用自適應目標函數`([12]).構建目標函數時,所使用的海雜波功率為含有加性零均值高斯白噪聲的海雜波功率.蒸發(fā)波導模型使用Paulus-Jeske單參數對數模型`([27]),并假設蒸發(fā)波導高度及其統(tǒng)計分布在反演距離上是不變的.文中所反演的蒸發(fā)波導高度hd為1,2,3,…,38,39 m,共39個高度,對每一個待反演的蒸發(fā)波導高度均進行100次蒙特卡羅PSO反演.蒸發(fā)波導RFC反演的初始距離為x0=10 km,最大反演距離為xmax=100 km,并假設初始反演距離x0處的雜噪比為30 dB;雷達頻率與天線高度范圍分別設置為2～15 GHz和5～30 m.另外,其他有關雷達與環(huán)境參數設置如表1所示.

表1　其他有關雷達和環(huán)境的參數

3.3蒸發(fā)波導RFC反演中最佳雷達頻率天線高度分析

根據大氣波導RFC反演性能評判模型(6),在蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計分布(圖3)的影響下,通過標準PSO反演,得到了如圖4所示的4幅不同MS海域在不同月份的蒸發(fā)波導高度RFC反演RMSE分布圖.圖4所有16幅子圖中,藍色區(qū)域表示RMSE較

小,說明此區(qū)域所對應雷達頻率-天線高度組合下的RFC反演性能較優(yōu);紅色區(qū)域表示RMSE較大,說明此區(qū)域所對應雷達頻率-天線高度組合下的RFC反演性能較劣.不同雷達頻率-天線高度組合下的蒸發(fā)波導RFC反演性能隨蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計分布的變化而變化,這可以通過圖4中每一幅子圖的顏色變化看出.比較圖4中16幅子圖可以看出:1) 同一MS海域(每行),由于不同月份(每列)蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計分布不同,所以相同的雷達頻率-天線高度組合,反演性能不同.例如,對8 GHz-11 m的雷達頻率-天線高度組合(每幅子圖中的白色‘+’位置)而言,在MS132海域中反演性能從九月、十二月、三月到六月依次降低;在MS097與MS096海域九月和十二月的反演性能優(yōu)于三月和六月份;在MS06海域六月和十二月的反演性能稍優(yōu)于三月和九月.2) 同一月份(每列),由于不同MS海域(每行)蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計分布不同,所以相同的雷達頻率-天線高度組合,反演性能不同.例如,‘+’在三月份的MS061

(a) MS132

(b) MS097

(c) MS096

(d) MS061 圖3　不同馬士頓方格海域的蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計分布

(a) MS132

(b) MS097

(c) MS096

(d) MS061 圖4　不同雷達頻率f與天線高度h a下馬其頓方格海域RFC反演的蒸發(fā)波導高度RMSE(m)分布

海域反演性能就好,MS096次之, MS132和MS097較差;在六月的MS061海域反演性能較好,在MS132海域的反演性能就較差,而在MS097和MS096海域的性能中等;九月份四個海域的反演性能基本相同,都不錯;在十二月份中,除了MS132的反演性能稍微次一點,其他三個海域的反演性能還是相當不錯的.所以，在一區(qū)域表現良好的雷達頻率-天線高度組合在另一區(qū)域就可能表現較劣.通過上述比較發(fā)現,蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計均值比較高的海域和月份,‘+’的反演性能相對好些;反演性能相近的區(qū)域和月份,其蒸發(fā)波導高度的統(tǒng)計分布特性也相近.

雖然不同海域、不同月份適用于蒸發(fā)波導反演的雷達頻率-天線高度組合范圍都有所不同,但從整體上看,如果以大約3 m的蒸發(fā)波導高度RMSE為評判RFC反演性能優(yōu)劣的分界點,那么可以得出雷達頻率較高(8～15 GHz)、天線高度較低(5～10 m)的雷達參數組合在所有4個MS海域的4個月份的蒸發(fā)波導高度反演中性能較高.對于蒸發(fā)波導高度統(tǒng)計均值比較高的海域和月份,雷達參數范圍可以適當放寬,例如九月份的MS096和MS061海域,雷達頻率范圍下限可以適當降低到7 GHz;對于統(tǒng)計均值比較低的海域和月份,雷達參數范圍可以適當收縮,例如MS132的三月份和六月份,天線高度范圍上限可以降低到8 m.

4結論

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胡榮旭(1976-),女,河南人,西安電子科技大學講師,在讀博士研究生,主要研究方向為對流層低空大氣折射率反演、對流層電波傳播特性和地海雜波研究.

吳振森(1946-),男,湖北人,西安電子科技大學教授,博士生導師,主要從事隨機與復雜介質的電磁波、光波傳播和目標電磁、光散射特性研究.

張金鵬(1985-),男,山東人,中國電波傳播研究所,工程師,博士,主要從事大氣波導反演及地海雜波研究.

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