高海情海面电磁缩比模拟方法及试验验证

戴 飞, 薛正国, 岳 慧

(电磁散射重点实验室,上海 200438)

高海情海面电磁缩比模拟方法及试验验证

戴 飞, 薛正国, 岳 慧

(电磁散射重点实验室,上海 200438)

针对实验室内难以直接构造高海情海面的问题,采用电磁缩比测量的方法研究其电磁散射特性。首先讨论了缩比PM谱海面满足几何相似性的要求,然后定量分析了以淡水替代海水造成不满足物理相似性要求而引入的误差和对粗糙海面进行缩比模拟测量的影响。根据粗糙海面缩比模拟理论,在实验室内成功模拟构造满足缩比测量条件的粗糙海面,并开展了海面缩比模拟测试验证,获取了海面散射特性数据。

粗糙海面；电磁散射；缩比测量；散射系数

0 引言

海上实测是研究海杂波电磁散射特性的主要手段［1］。国内外专家学者在不同海域开展了大量的海杂波实测,获取的海面散射特性数据变化范围很大。即使海情相同,每次测量的结果也不完全一致,主要原因在于海面及其周围的环境难以测定和定量描述。

为了克服这一问题,提高海杂波的测试精度,利用造波水池模拟海浪开展实验室内模拟测试逐渐成为国内外研究的热点［2］。但受造波能力的限制,实验室内模拟的海情有限,无法开展高海情的海杂波测试。随着非金属缩比测试理论的逐渐完善,通过对低海情海杂波的电磁缩比测试反演高海情海杂波散射特性数据成为可能［3,4］,受到国内外专家的关注。

针对上述问题,基于非金属缩比理论提出粗糙面缩比模拟测试方法,通过造波水池模拟生成缩比海面,分析海水介电参数不一致性导致的误差,开展造波池缩比模拟高海情海面近场电磁散射测量、误差分析及特性统计,为海面散射特性的测量研究提供新的手段。

1 粗糙海面电磁缩比测试依据

由于目前国内海环境模拟系统尚不具备构造大于3级海情海面的模拟能力,对于高海情电磁散射特性,可以通过缩比模拟测量方法开展相关研究。

依据非金属缩比理论,在进行缩比测试时,除了要保证目标几何尺寸、工作波长等参量按相应比例缩小外,还必须保证缩比前后介电常数保持一致。

作为被测对象的动态海面在进行电磁散射缩比测试时,需要满足几何相似性与物理相似性的要求,即需要保证被测量海面的几何参数(波高、波长等)满足几何缩比关系,并且被测量的海水在缩比频率下的介电常数与全尺寸频率下的介电常数相同。

2 缩比海面模拟方法

PM谱作为一种长期观测得到的充分成长状态的海浪频谱。自20世纪60年代中期以来,在海浪研究以及有关的工程问题中得到了广泛应用［5］,其表达式为

式中:a=8.1×10―3;β=0.74;U为海面以上19.5 m处的风速。

由式(1)可见,PM谱是基于持续风速U的单参量谱,对PM波谱海浪进行缩比测量,首先必须构造与原型PM谱海面满足缩比关系的模拟海面。相对于风速缩比而言,直接对有义波高H1/3和海谱ω缩比,更直观、更有实际意义,在实验室人工造波池内也更容易实现。

综上所述,缩比PM谱不规则波谱密度为

图1 风速为30 m/s时海浪实时波高

图2 缩比2倍时的实时波高

图3 缩比3倍时的实时波高

图4 缩比前后海谱谱形对比

3 造波水池缩比测试误差分析

根据电磁缩比测量理论,海面的电磁缩比模拟测量前提之一是原型海面与缩比海面模型的物理特性满足缩比关系,即要求被测量的海水在原型频率下的介电常数与缩比模拟测量频率下的介电常数相同。在造波池内进行缩比测量时,必须将水池内液体更换,以保证在缩比测试频点的介电常数与海水在原型频点的介电常数完全一致,导致造波池缩比测量代价巨大,测试过程过于繁琐。

针对上述问题,通过理论仿真分析了介电常数变化带来的缩比测量误差。

图5 介电常数实部变化对散射系数的影响

仿真计算了介电常数变化对粗糙海面后向散射系数的影响,如图5、图6所示,计算结果为统计30个随机海面样本后的数据,天线极化为VV。由于海水介电常数实部及虚部数值均较大,两者单独变化对海面后向散射系数的影响较小,尤其虚部单独变化对海面散射影响更小。而介电常数整体变化对散射系数的影响较为明显,介电常数绝对值变化50%,误差约为1.5 dB;介电常数绝对值变化60%,误差约为2.0 dB;介电常数绝对值变化80%,误差约为3.8 dB。

图6 介电常数变化对散射系数的影响

由仿真结果分析可知,在进行海环境电磁缩比模拟研究时,可根据模拟误差要求,选择适当的缩比倍数,已达到控制介电常数误差的目的。如海环境电磁散射模拟误差要小于1.5 dB,则缩比前后介电常数绝对值相对误差控制在50%以内。若海环境电磁散射模拟误差要小于3 dB,则缩比前后介电常数绝对值相对误差控制在75%以内。

4 造波水池缩比测试结果

图7为8 GHz与16 GHz下2级海情的测量结果,其中8 GHz测试时海面有义波高为0.3 m,为全尺寸状态(即原型状态),16 GHz测试时海面有义波高为0.15 m,为缩比状态。图8为3倍缩比系数,5级海情的测量结果,缩比测试频率为99 GHz。

图7中2级海情的缩比测试均方误差为2.1 d B。图8中在进行5级海情的对比分析时,由于无法获取5级海情全尺寸测试数据,因此在对比时使用了33 GHz全尺寸状态下的仿真数据,均方误差为1.2 d B,验证了该缩比模拟方法的可行性。

图7 2级海情缩比测试结果对比

图8 5级海情缩比测试结果对比

5 结束语

［1］D.B.Trizna.A Model for Brewster Angle Damping and Multipath Effects on the Microwave RadarSea Echo at Low Grazing Angles［J］.IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing,1997,35 (9):1232-1244.

［2］Martin Gade,Nicole Braun.Laboratory Measurements of Artificial Rain Impinging on a Windroughened Water Surface［J］.IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 1998,(5):2559-2561.

［3］Jerry R.Smith,Steven J.Russell,Barry E. Brown,etc.Electromagnetic Forward Scattering Measurements over a Known,Controlled Sea Surface at Grazing［J］.IEEE Transactions Geoscience and Remote Sensing,2004,42(6):11972.

［4］岳慧,王晓冰,薛正国.粗糙海面的电磁散射缩比模拟测量的若干基本问题［J］.制导与引信,2010 (4).

［5］程永存.一种新的风浪谱模型及其在高度计风速反演中的应用［D］.上海:中国海洋大学, 2007.

Study and Experimental Verification on Electromagnetic Scaled Measurement for Rough Sea Surface in High Sea Condition

DAI Fei, XUE Zheng-guo, YUE Hui
(Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory, Shanghai 200438,China)

Scaled sea surface model is produced to simulate high scaled sea surface,which could be used in electromagnetic scattering measurement.The geometrical similarity that required scaled PM sea surface is discussed.The error of introduced by fresh water instead of sea water is analyzed quantificationally,and the approach of scaled simulation measurement for rough sea surface is also discussed.According to the scaled simulation theory and condition of rough sea surface,one-dimensional scaled PM surface is produced successfully,and the date of back scattering cross section of rough sea surface is obtained.

rough sea surface;electromagnetic scattering;scaled measurement;scatteringcoefficient

TN011

A

1671-0576(2014)04-0024-05

2014-08-25

上海市科学技术委员会资助,课题编号12ZR1430400。

戴 飞(1983―),男,工程师,主要从事目标特性研究。