基于雷达海杂波与蒸发波导模型参数化的反演方法研究*

左 雷 王春雨 金 丹 李静威

(1.海军工程大学电子工程学院海军信息装备作战应用研究所 武汉 430033)

基于雷达海杂波与蒸发波导模型参数化的反演方法研究*

左 雷1王春雨2金 丹1李静威3

(1.海军工程大学电子工程学院海军信息装备作战应用研究所 武汉 430033)

(2.海军工程大学振动与噪声研究所 武汉 430033)(3.92677部队 大连 116001)

在利用雷达海杂波反演蒸发波导剖面时需要假设剖面模型来构造海杂波功率分布,论文首次将整体理查森数Rib引入蒸发波导剖面模型,不同的Rib情况下求得的蒸发波导折射率剖面不同,反演的结果也会有所差异,因此新构建的蒸发波导模型可以使反演精度得到很大提高。

海杂波; 蒸发波导模型; 参数化; 反演

1 引言

蒸发波导是由于海面蒸发使得湿度自海面向上迅速减小,进而使大气折射指数随高度增加而逐渐减小形成的。在海洋大气环境中,蒸发波导的发生概率最高,几乎所有海域、所有时间内都可能存在,只是不同海域、不同季节、不同时间内其强度不同[1～2]。其对海上远程微波通信和雷达超视距探测具有利用潜力。为了能利用海上蒸发波导现象,必须掌握蒸发波导特征参量的信息,雷达海杂波回波功率携带了传播路径上的蒸发波导环境信息。通过电磁波传播抛物方程模型和海杂波后向散射系数模型可以构造由不同蒸发波导剖面计算得到的海杂波功率分布,将其与雷达实际采集的海杂波功率进行对比,把反演蒸发波导剖面问题归结为通过优化算法寻找最优大气折射率剖面问题。

海上边界层大气的折射率剖面由各种气象要素决定,而边界层大气的气象活动是很复杂的,因此大气折射率剖面模型也表现出各种形式,如美国加利福尼亚海军实验室提出的五参数法、十参数法等。五参数法等模型是反演三种波导同时出现的情况,蒸发波导作为海上出现概率最高的大气波导,对舰载雷达等电子设备影响最为严重,本文研究的正是蒸发波导剖面模型,因此在确定蒸发波导剖面模型参数时相比五参数法参量要少得多,反演的精度会更准确,用时也会较五参数等方法缩短很多。

目前,Rogers等把蒸发波导折射率的剖面参数化为随距离变化的蒸发波导高度d,西安电子科大的韩星星把蒸发波导的剖面模型设为蒸发波导强度Q和蒸发波导高度d进行反演。前者的模型虽然考虑了蒸发波导高度的水平不均匀性,但蒸发波导剖面仅由蒸发波导高度一个参量决定,有其局限性,不能准确地描述出蒸发波导折射率剖面;而后者采用的大气修正折射率求解公式仅为中性理想大气条件下的表示式,没有考虑大气层结的稳定性情况。因此,为了更细致精确地反映出蒸发波导条件下大气修正折射指数M与蒸发波导高度d的关系,本文引入了总体理查森数Rib作为反演的一个参量。

2 蒸发波导剖面模型的参数化

2.1 引入总体理查森数Rib

蒸发波导出现在海洋大气近地层内,受海气交界面处微气象条件影响与制约,一般利用Monin-Obukhov相似理论来确定蒸发波导高度等参数和海洋大气近地层大气折射率剖面之间的模型。当蒸发波导高度为已知参量后,利用海面大气Zm高度的大气修正折射指数M(Z)为

M(Z)=M(Z0)+0.125Z-0.125Z0

(1)

对于稳定层结条件时:

(2)

对于不稳定层结条件时:

(3)

(4)

(5)

(6)

而判别层结的稳定性时,Jeske建议使用整体理查森数Rib。Rib>0时表示稳定层结,Rib=0时表示中性层结,Rib<0时表示不稳定层结。Rib不仅可以判别层结稳定性,还可以用于求解式(1)～式(4)的莫宁霍夫长度L。总体理查森Rib可表示为

(7)

(8)

而莫宁霍夫长度L的表达式为

(8)

因此,莫宁霍夫长度L就可以用Rib表示,通常Rib取6m高度的值,再将L应用于式(1)～式(4)的求解,便可确定大气修正折射指数M,从而得到蒸发波导大气折射率剖面。

2.2 蒸发波导模型参数的确定

图1是我国海区不同月份的Rib分布图,数据来源于国家海洋信息中心近60年的气象统计数据,通过统计分析得到,Rib在我国海区的取值大体上在(-0.5,0.2)范围内。

图1 我国海区历史数据统计Rib分布

设M(Z0)=340,蒸发波导高度d已知为15m,不同Rib条件下的蒸发波导折射率剖面如图2所示。从图中可以看出,在海面至蒸发波导高度d区间内,当不稳定层结情况下,Rib值越小,大气修正折射指数随高度增加而减小的幅度越大,即波导强度(ΔM)也越大,当在稳定和中性层结情况下,大气修正折射指数随高度增加而减小的幅度较小,波导强度也相对较小,因此可以说,在不稳定层结条件下,大气修正折射指数的负梯度较大,更有利于波导层对电磁波的陷获。

图2 不同Rib条件下的折射率剖面

蒸发波导折射率剖面起始高度处大气修正折射指数M(Z0)一般为常数,对折射率剖面形状及蒸发波导高度并不影响,如图3所示,设蒸发波导高度d=15m,Rib=-0.1时,不同M(Z0)取值条件下的折射率剖面。从图中可以看出,蒸发波导的折射率剖面形状并没有随M(Z0)取值的变化而发生改变。

图3 不同M(Z0)条件下的折射率剖面

综上所述,本文所确定的蒸发波导折射率剖面最终由蒸发波导高度d,总体理查森数Rib共同决定。蒸发波导高度d可以决定波导层的厚度,而整体理查森数Rib则决定了折射率剖面的形状。

3 反演方法

本文将反演总体上分以下五个步骤:

1) 采集海杂波数据

2) 蒸发波导模型参数化

将蒸发波导射率剖面结构模型参数化为蒸发波导高度d和表征大气层结的总体理查森数Rib。当某一距离的蒸发波导高度确定后,蒸发波导射率剖面就可以通过不同大气层结的计算公式求得[11],然后构建r1、r2…rn不同距离上的大气折射率剖面。

3) 正向海杂波功率求解

根据构建的大气修正折射指数M(Z)的高度剖面,利用PE抛物方程可将电磁波传播损耗L表示为对应大气修正折射指数模式M(Z)的函数,利用雷达方程即可将杂波功率求出,将其在传播距离上进行离散,得到海杂波功率随距离离散变化的曲线。

4) 目标函数的选取

φ(m)=eTe

(9)

其中

(10)

(11)

5) 求解最优解

本文利用GA/SA混合算法,根据步骤4)确定的目标函数φ(m),搜索使φ(m)最小的一组参数解构建的蒸发波导剖面即为反演最优值。

4 反演结果分析

基于GA/SA混合算法的雷达海杂波功率反演蒸发波导剖面的计算步骤如下。

假设几种不同的蒸发波导高度d和理查森数Rib值可以仿真出蒸发波导剖面,通过修正后的抛物方程计算得到海杂波功率曲线作为观测值,利用GA/SA算法进行反演运算,将反演得到的蒸发波导高度d和理查森数Rib进行对比,分析反演方法的准确性。雷达参数选择如下:工作频率9.8GHz;系统损耗7.2dB,天线增益35dB;水平极化;波速宽度0.7°;天线类型为高斯型;天线架设高度为13m,海浪波平均波高取0.6m。

图4 GA/SA算法实现反演流程图

图5 15m波导高度时GA/SA算法反演结果对比图

表1 15m蒸发波导反演结果对比

图6 20m波导高度时GA/SA算法反演结果对比图

表2 20m蒸发波导反演结果对比

当假定蒸发波导高度为15m、20m时,分别在不稳定层结,中性层结,稳定层结下反演结果对比图如图6、图7所示,反演结果具体分析如表1,表2所示。可以看出反演结果与模拟剖面较为接近,15m波导高度时反演蒸发波导高度绝对误差Δd在0.5m以内,理查森数相对绝对误差ΔRib在0.03以内,且层结稳定性反演正确,当假定蒸发波导高度为20m时,反演蒸发波导高度绝对误差Δd在0.7m以内,理查森数绝对误差ΔRib在0.07以内,且层结稳定性反演正确。通过模拟仿真试验说明GA/SA算法可以应用于水平均匀情况下反演的要求。

5 结语

基于雷达海杂波回波功率的水平分布而反演蒸发波导大气折射率剖面的技术是一种新的对蒸发波导实时监测的技术,其军事应用价值非常高。此项技术总体上具有多变量、非线性、强振荡、复杂性等特点。本文将整体理查森数Rib引入蒸发波导剖面模型,构建由蒸发波导高度d和整体理查森数Rib为基础的反演模型,对在此基础上的反演方法及步骤作了分析,使反演剖面更加精确。

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Inversion Method Based on Sea Clutter and Evaporation Duct Model Parametric

ZUO Lei1WANG Chunyu2JIN Dan1LI Jingwei3

(1. Marine Electromagnetic Environment Institute, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)(2. Institute of Noise & Vibration, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)(3. No. 92677 Troops of PLA, Dalian 116001)

When using radar sea clutter to inverse the evaporation duct section, it is needed to assume sectional model to construct the sea clutter power distribution. This paper initially introduces the bulk Richardson numberRibto the evaporation duct section model. As theRibchanges, the evaporation duct refractive index section will vary and the inversion results will also be different. Therefore, the newly constructed evaporation duct model can greatly improve the inversion accuracy.

sea clutter, the evaporation duct section, parameterization, inversion

TP311

2016年9月12日,

2016年10月28日

国家自然科学基金项目(编号:41576105);中国博士后科学基金(编号:2016M603007);海军工程大学科研发展基金自主立项第二批资助项目资助。

左雷,男,博士,讲师,研究方向:电磁波超视距传播和水声物理学。王春雨,男,博士研究生,研究方向:雷达信号处理,振动信号处理,振动噪声控制。金丹,女,博士研究生,研究方向:水声物理、海杂波。李静威,男,博士研究生,研究方向:电磁波理论、预警探测。

TP311

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.020