船載高頻地波雷達(dá)海面電磁散射及風(fēng)向提取研究.pdf

1、高頻地波雷達(dá)(HFSWR)已經(jīng)在早期預(yù)警和海態(tài)遙感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它所發(fā)射的3~30MHz垂直極化電磁波可以沿海洋表面?zhèn)鞑?。由于海洋是良?dǎo)體，高頻電磁波具有較小的傳播損耗特性。相比于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段，如浮標(biāo)、風(fēng)速計(jì)、微波雷達(dá)，高頻地波雷達(dá)可以對(duì)目標(biāo)和海面進(jìn)行不間斷的、全天侯的、實(shí)時(shí)的超視距監(jiān)測(cè)。
　　根據(jù)雷達(dá)所處平臺(tái)的位置，高頻地波雷達(dá)可分為岸基高頻地波雷達(dá)和船載高頻地波雷達(dá)兩種。由于岸基雷達(dá)大多沿海岸線分布，所以岸基高頻地波

2、雷達(dá)的有效作用范圍大多被限定在近海海域。船載高頻地波雷達(dá)除具有岸基高頻地波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有靈活機(jī)動(dòng)性，可進(jìn)一步地?cái)U(kuò)大雷達(dá)的適用范圍。
　　了解海面回波多普勒譜的特性將有助于高頻地波雷達(dá)在目標(biāo)檢測(cè)與海態(tài)遙感領(lǐng)域的理論和應(yīng)用研究。但是現(xiàn)有的文獻(xiàn)中關(guān)于一階、二階海面電磁散射特性的研究大多是針對(duì)岸基高頻地波雷達(dá)的，船載高頻地波雷達(dá)海面散射特性的研究較少，本文對(duì)此進(jìn)行了深入研究。此外，基于一階海面回波譜的空–時(shí)分布特性及展寬機(jī)理，本文還

3、研究了船載高頻地波雷達(dá)進(jìn)行海面風(fēng)向提取的可行性。
　　首先研究了岸基雙基地高頻地波雷達(dá)和船載高頻地波雷達(dá)的一階海面回波多普勒譜空–時(shí)分布特性。為了研究一階海面回波譜的展寬特性，我們建立了雙基地高頻地波雷達(dá)一階海面回波多普勒譜的空–時(shí)分布特性及展寬模型。仿真實(shí)驗(yàn)及外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提出的雙基地雷達(dá)一階海面回波多普勒譜的空–時(shí)分布模型。此外，結(jié)合實(shí)際接收陣列的波束寬度，我們研究了勻速直線運(yùn)動(dòng)情況下的船載高頻地波雷達(dá)一階海面

4、回波多普勒譜的空–時(shí)分布特性及展寬模型。該部分的理論分析為后續(xù)章節(jié)中所推導(dǎo)的船載高頻地波雷達(dá)一階、二階海面散射截面積方程提供了理論基礎(chǔ)與驗(yàn)證手段。
　　從高頻電磁波海面散射的角度，通過(guò)對(duì)時(shí)域場(chǎng)強(qiáng)方程進(jìn)行自相關(guān)處理及傅里葉變換過(guò)程，我們推導(dǎo)了勻速直線運(yùn)動(dòng)情況下的船載高頻地波雷達(dá)一階海面散射截面積方程。該方程反映了船載高頻地波雷達(dá)一階海面回波譜的空–時(shí)分布特性，進(jìn)一步地驗(yàn)證了Xie等人所提出的一階海面回波譜的展寬機(jī)理。同時(shí)，該方程可以

5、理解為由于平臺(tái)勻速直線運(yùn)動(dòng)的影響，導(dǎo)致Barrick或Walsh等人的岸基推導(dǎo)結(jié)果發(fā)生了頻譜展寬現(xiàn)象。
　　基于“流體力學(xué)”及“角反射”兩種散射機(jī)理，建立了勻速直線運(yùn)動(dòng)情況下的船載高頻地波雷達(dá)二階海面散射截面積方程。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)研究了雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)及海洋表面狀態(tài)參數(shù)對(duì)二階海面回波多普勒譜的影響。本文所推導(dǎo)的一階、二階海面散射截面積方程均可退化為已有的Barrick或Walsh等人所提出的岸基單站結(jié)果。
　　在真實(shí)的海洋環(huán)境中，

6、由于船載平臺(tái)與海洋環(huán)境的相互作用，如海浪、海風(fēng)、洋流等，雷達(dá)海面回波譜的特性更為復(fù)雜。為了分析與研究海面回波譜的特性，本文推導(dǎo)了平臺(tái)漂浮運(yùn)動(dòng)及勻速運(yùn)動(dòng)共存情況下的船載高頻地波雷達(dá)一階、二階海面散射截面積方程，這里同時(shí)考慮了平臺(tái)的勻速直線運(yùn)動(dòng)與漂浮運(yùn)動(dòng)的影響。
　　基于船載高頻地波雷達(dá)一階海面散射截面積方程，我們分析了船載高頻地波雷達(dá)進(jìn)行海面風(fēng)向提取的可行性，并提出了一種無(wú)模糊的海面風(fēng)向反演方法。不同于基于大型接收陣列的岸基高頻地波