蒸发波导对X波段雷达海洋监测系统的影响

张 军,张永刚

(1.海军大连舰艇学院 研究生队,辽宁 大连 116024； 2.海军大连舰艇学院 军事海洋系,辽宁 大连 116024)

0 引 言

从20世纪60年代开始，人们试图通过航海雷达的海杂波图像获得海浪信息。Oudshoorn是最早通过直接观察雷达图像获得海浪信息的科学家。1965年，Wright从X波段雷达图像直接进行海浪传播方向和波长的判读。20世纪80年代，Hoogemoom，Ziemer等在前人工作的基础上，将雷达图像数字化，然后运用Fourier变换，得到了与用常规浮标获得的谱极为相似的雷达图像谱。其后，经过10多年的努力，德国的GKSS研究中心于1995年成功研制了基于航海雷达的海浪监测系统WaMoS (Wave Monitoring System),并投入实际使用。在20世纪80年代末，挪威Miros公司也研制了类似的系统WAVEX(Marine Radar Wave Extractor)，并在1996-1998年开发成商业产品。WAVEX系统可实时测量海浪参数(有效波高、最大波高、主波周期、主波波向等)和海表面流速(大小和方向)。国内也有很有学者开展了相关研究。随着研究的深入，X波段雷达在海洋观测方面的应用更是得到极大的发展，逐步被应用到海底地形探测，浅海水深测量、海面风场反演等方面，X波段雷达在海洋监测中发挥出越来越大的作用。蒸发波导是一种最常见的海上波导现象，研究其对基于X波段雷达海洋监测系统的影响，有助于更好地进行海洋监测。

1 蒸发波导及其统计特征

当大气中出现陷获折射时，电磁波会被限制在一定厚度的大气层内，经该层大气上下边界来回反射向前传播，就像波在金属波导管中传播一样，这种现象称为大气波导。大气环境中通常存在3类大气波导:表面波导、悬空波导和蒸发波导。蒸发波导是3类大气波导中最为常见的，仅出现在海洋大气环境中。由于海面强烈蒸发使得大气湿度自海面向上迅速减小，在海面与其临近上空大气之间形成了较强的湿度梯度，使大气修正折射指数随高度升高而迅速减小，并在某一高度，大气修正折射指数达到最小。

利用某次中低纬度海域(120°E～140°E和15°N～30°N之间)海洋调查获得的大气波导资料，进行海上蒸发波导特征的统计规律分析。

表1给出了蒸发波导高度δ和波导强度ΔM的统计结果。

表1 蒸发波导的统计特征

从表1可看出，蒸发波导高度春季最低，平均10.7 m，秋季最高，平均13.7 m。蒸发波导强度春季最小，冬季最大，年平均为38.7 m。在4个季节中，秋、冬季蒸发波导高度、强度都明显大于春季和夏季，但平均波导高度均在10 m以上，这个高度对应船用X波段雷达的安装范围。

在世界几乎所有海域、所有时间内都可能存在蒸发波导，特别是中低纬海区蒸发波导几乎每天都会出现。我国中纬度海域及邻海海域波导发生频率在50%以上，在低纬度的南海南部海域出现可利用的蒸发波导的概率更是大于80%，说明在海洋大气环境中考虑大气波导存在的必要性。

2 雷达成像原理及图像仿真

2.1 雷达成像原理及蒸发波导的影响

波浪的各种特性以及海浪下落时形成的浪花，对电磁波产生的散射，被雷达天线接收形成雷达回波。由于X波段雷达(导航雷达)天线高度一般较小，其发射的电磁波与海表面几乎平行，因而雷达天线接收到的电磁波主要是后向散射回波。X波段雷达的频率为8～12 GHz,对应电磁波长度为2.75～3.25 cm，这个波长正好对应海表面的表面张力波波长(毛细波)范围。对于入射到海面的雷达电磁波，当毛细波波长与雷达电磁波波长相当时，电磁波会产生Bragg共振散射。海面对电磁波的散射是通过Bragg散射机制产生的。

尽管这些毛细波不是关心的信息，但海表面还有重力引起的更大尺度的重力波，毛细波和海面重力波之间通过阴影调制、倾斜调制、流体动力调制和轨道调制等调制关系相互联系。由于重力波对毛细波的调制作用，使Bragg散射的电磁信号分布与重力波发生关系，雷达天线接收到的海面回波就包含了海面波动的整体信息。其中阴影调制和倾斜调制起到主要作用，本文主要考虑这2种调制作用。

阴影调制是指由于X波段雷达电磁波掠入射到海面时，与海面之间几乎接近于平行，由于海表面的波动起伏，波面较高的位置将会遮挡其后方的海面，从而造成电磁波照射不到被遮挡区域的海面。

图1 蒸发波导条件下的阴影调制Fig.1 Shadowing modulation with evaporation duct

阴影调制如图1所示，其中直虚线是正常大气中电磁波的传播路径，弯曲实线是考虑大气波导时电磁波的传播路径，点段线是等效雷达天线对海面的照射。H是雷达天线的实际高度，(H+h)是当蒸发波导存在时，由于电磁波弯曲等效的雷达天线高度，α为电磁波传播过程中向海面弯曲的角度，R为雷达天线到探测海面的距离，L为雷达天线到探测海面的水平距离。

倾斜调制是一种纯粹的几何效应，是由于长涌浪的存在改变了雷达对短波的Bragg共振响应。这种作用主要表现在使散射面元的法线方向产生改变，进而导致局地入射角的变化，引起后向散射截面的变化。当雷达波束与波峰线垂直时，倾斜调制最强；而雷达波束与波峰线平行时，几乎没有影响，倾斜调制如图2所示。

图2 倾斜调制Fig.2 Tilt modulation

由图1可以看出，蒸发波导的影响主要表现在使雷达发射的电磁波在传播过程发生弯曲，其作用等效于雷达天线变高，雷达天线越高，则遮挡作用越弱，此时雷达照射的海面面积更大；并且电磁波在大气波导中传播，能量损失也要小于在正常大气中的传播。所以雷达回波信号代表的海面面积更大，同时信号强度更强，此时雷达图像就能够更好反映海面的整体状态。同理，倾斜调制也可以等效为雷达垂直高度的增加。

电磁波向海面弯曲的角度α和大气折射率的变化有关系，可以通过snell折射定律计算，假设入射角为i，折射角为r，则：

α=i-r。

(1)

图3 蒸发波导引起的雷达高度增量Fig.3 The increase of radar altitude caused by evaporation duct

根据蒸发波导大气修正折射指数M的统计规律，取蒸发波导强度平均值ΔM=38.7，雷达高度为15 m,假设正常大气中的折射指数为1.000 3。由于大气波导中折射指数是渐变的，可通过积分计算α。 通常α的值比较小，此时等效雷达天线位置在垂直方向的增量h可以近似为h=R·α。

图3为雷达架设在15 m处时，由不同强度蒸发波导引起的雷达高度增量随距离的变化，虚线部分表示已经超出最佳探测区域。从图中可看出，随着蒸发波导强度或者探测距离的增加，雷达等效高度都会变大。

2.2 X波段雷达回波图像的仿真

通过对雷达回波图像的仿真来具体分析大气波导对海洋信息反演效果的影响。由于目前还没有成熟的理论对掠入射角下的X波段雷达成像进行仿真，X波段雷达回波图像的仿真都是基于几何成像理论模型或者试验数据拟合模型。采用雷达几何成像理论模型，考虑大气波导对阴影调制和倾斜调制的影响。从模拟的三维海面波动出发，得到雷达后向散射回波图像。

本文的海浪模拟采用Longuet-Higgins模型，该模型把海上一固定点的水面波动η(x,y,t)看成由许多个不同振幅、不同角频率和不同随机相位的波叠加。波高为：

η(x,y,t)= ∑Ai,jcos[ωit-kicos(θj)x-

kisin(θj)y+φi,j]。

(2)

式中：Ai,j为每个波动的振幅；θj为方向角；ωi为圆频率；ki为波数；φi,j为0～2π 内均匀分布随机初始相位；(x,y)为波面上某点的坐标。

振幅反映了海浪的能量，因而每列波的振幅Ai,j可由方向谱中得出：

分别选取JONSWAP频谱和余弦方向函数作为输入靶谱。

式中：ω0为谱峰频率；γ为峰升因子；σ为峰形参量；α为尺度系数；g为重力加速度。

当风浪充分成长时，方向函数可描述为：

(5)

其中θ0为风向。

通过Longuet-Higgins模型模拟一个波向沿X方向正向传播，有效波高为4 m的海面浪场。然后根据上阴影调制和倾斜调制原理，并加入高斯白噪声作为雷达固有噪声，分别在波导强度为38.7的蒸发波导条件下和正常大气条件下仿真雷达回波图像，仿真结果如图4和图5所示。

图4 有波导时雷达回波图像的仿真Fig.4 The simulation of radar echo images with atmospheric duct

图5 无波导时雷达回波图像的仿真Fig.5 The simulation of radar echo images with normal atmospheric

对比图4和图5可以看出，有波导时雷达图像可以表现更多的海面信息，海浪更加明显，这对通过雷达图像反演海浪信息非常重要，雷达回波图像包含的海浪信息越多，越有利于提高海浪信息的反演精度。

3 蒸发波导的影响分析

3.1 蒸发波导对X波段雷达海洋监测系统工作范围的影响

影响基于X波段雷达海洋监测系统性能的一个关键因素是雷达的架设高度，在雷达功率和分辨率足够的情况下，理论上雷达位置越高越好，但由于实际条件的限制，雷达架设高度只能在一定范围内选取，如船载X波段雷达。雷达高度选取后，监测系统就会有一个最佳探测范围，这个范围和雷达高度与临界入射角有关。

雷达发射的电磁波通常有一个角度，一般为25°(见图6)，当入射角在10°和0.5°之间的雷达回波信号质量较好。当入射角小于0.5°时，海面后向散射较弱，则此时雷达系统最佳探测区间如图7所示。

图6 雷达系统的最佳探测区Fig.6 The best working area radar wave observation system

图7 最佳探测区与雷达高度的关系Fig.7 Relationship between radar height and the better working area

从图7可以看出，雷达位置选取越高，则最佳探测区间范围越大。由此可见，在雷达功率足够大的条件下，尽量提高雷达天线架设高度，可以增大雷达的探测区域。由上节可知，当大气波导存在时，相当于增加了雷达的垂直高度，则相应的最佳探测区间范围也会增大。La为不考虑大气波导时的最佳探测区间，Lb是蒸发波导强度为38.7时的最佳探测区间，从图中可以看出有波导存在时，基于X波段雷达测波系统的工作范围远大于正常大气时；同时波导强度越大，则雷达最佳工作区域越大。

3.2 蒸发波导对X波段雷达海洋监测系统反演效果的影响

由以上分析可知，雷达天线高度越高雷达探测范围越大，同时由于阴影调制导致的遮挡作用也越小，即雷达能够照射到更多的海面，从而使雷达回波能够包含更多的海面信息，进而增强反演效果。为定量计算蒸发波导对遮挡作用的影响，根据雷达回波图像的仿真，分别取雷达天线高度为15 m和35 m，蒸发波导强度取38.7，计算有无波导情况下雷达对海面的探测情况。

图8 蒸发波导对海浪遮挡作用的影响Fig.8 The influence of evaporation duct on shading effect

图8中，实线为有波导存在时雷达能够照射到海面与模拟区域总面积的比值，虚线为无波导时雷达能够照射到海面的比例。从图中可以看出，波导情况相同条件下，天线高度越高，雷达探测到的海面越多。在相同天线高度下，存在波导时对海面的探测效果明显好于不存在波导时，且距离越远效果越明显。比较雷达天线在35 m时的虚线(不存在波导)海和15 m时的实线(存在波导)，当探测距离超过3 000 m后，可以发现即使雷达高度较低(15 m)，有波导情况下探测效果也好于雷达高度更高(35 m)但无波导的情况。以上分析是在有效波高为4 m，波向沿X正方向海面浪场回波图像仿真基础上的分析结果，此时海面波高属于大浪以上海况，遮挡作用较强，当海浪有效波高更小时遮挡作用更弱，雷达所能照射到得海面面积也会变大。

4 结 语

通过以上分析可知，蒸发波导对X波段雷达海洋监测系统有着重要影响。具体表现在以下3点

1)首先合理利用蒸发波导可以扩大X波段雷达海洋监测系统的工作范围；

2)利用蒸发波导，可以提高探测范围内海面的观测面积，尽可能多的反应海面波动信息，以便提高后续海浪信息反演效果；

3)在波导存在的情况下，会减小电磁波的衰减，因而回波信号强度更大，有利于海浪信息的获取。

基于以上分析，对X波段雷达海洋监测系统的安装高度做以下建议：如果监测系统安装在岸边，且不要求探测较远距离的海况，在有条件利用岸边地形或建筑物时，应尽量提高雷达天线高度；如果是船载监测系统，探测范围要求较大且工作于蒸发波导高发区，建议把雷达天线安装在平均波导高度位置，以便能够利用蒸发波导，提高海洋监测系统反演效果。

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