基于雷達海雜波與蒸發波導模型參數化的反演方法研究*

左 雷 王春雨 金 丹 李靜威

(1.海軍工程大學電子工程學院海軍信息裝備作戰應用研究所 武漢 430033)

基于雷達海雜波與蒸發波導模型參數化的反演方法研究*

左 雷1王春雨2金 丹1李靜威3

(1.海軍工程大學電子工程學院海軍信息裝備作戰應用研究所 武漢 430033)

(2.海軍工程大學振動與噪聲研究所 武漢 430033)(3.92677部隊 大連 116001)

在利用雷達海雜波反演蒸發波導剖面時需要假設剖面模型來構造海雜波功率分布,論文首次將整體理查森數Rib引入蒸發波導剖面模型,不同的Rib情況下求得的蒸發波導折射率剖面不同,反演的結果也會有所差異,因此新構建的蒸發波導模型可以使反演精度得到很大提高。

海雜波; 蒸發波導模型; 參數化; 反演

1 引言

蒸發波導是由于海面蒸發使得濕度自海面向上迅速減小,進而使大氣折射指數隨高度增加而逐漸減小形成的。在海洋大氣環境中,蒸發波導的發生概率最高,幾乎所有海域、所有時間內都可能存在,只是不同海域、不同季節、不同時間內其強度不同[1～2]。其對海上遠程微波通信和雷達超視距探測具有利用潛力。為了能利用海上蒸發波導現象,必須掌握蒸發波導特征參量的信息,雷達海雜波回波功率攜帶了傳播路徑上的蒸發波導環境信息。通過電磁波傳播拋物方程模型和海雜波后向散射系數模型可以構造由不同蒸發波導剖面計算得到的海雜波功率分布,將其與雷達實際采集的海雜波功率進行對比,把反演蒸發波導剖面問題歸結為通過優化算法尋找最優大氣折射率剖面問題。

海上邊界層大氣的折射率剖面由各種氣象要素決定,而邊界層大氣的氣象活動是很復雜的,因此大氣折射率剖面模型也表現出各種形式,如美國加利福尼亞海軍實驗室提出的五參數法、十參數法等。五參數法等模型是反演三種波導同時出現的情況,蒸發波導作為海上出現概率最高的大氣波導,對艦載雷達等電子設備影響最為嚴重,本文研究的正是蒸發波導剖面模型,因此在確定蒸發波導剖面模型參數時相比五參數法參量要少得多,反演的精度會更準確,用時也會較五參數等方法縮短很多。

目前,Rogers等把蒸發波導折射率的剖面參數化為隨距離變化的蒸發波導高度d,西安電子科大的韓星星把蒸發波導的剖面模型設為蒸發波導強度Q和蒸發波導高度d進行反演。前者的模型雖然考慮了蒸發波導高度的水平不均勻性,但蒸發波導剖面僅由蒸發波導高度一個參量決定,有其局限性,不能準確地描述出蒸發波導折射率剖面;而后者采用的大氣修正折射率求解公式僅為中性理想大氣條件下的表示式,沒有考慮大氣層結的穩定性情況。因此,為了更細致精確地反映出蒸發波導條件下大氣修正折射指數M與蒸發波導高度d的關系,本文引入了總體理查森數Rib作為反演的一個參量。

2 蒸發波導剖面模型的參數化

2.1 引入總體理查森數Rib

蒸發波導出現在海洋大氣近地層內,受海氣交界面處微氣象條件影響與制約,一般利用Monin-Obukhov相似理論來確定蒸發波導高度等參數和海洋大氣近地層大氣折射率剖面之間的模型。當蒸發波導高度為已知參量后,利用海面大氣Zm高度的大氣修正折射指數M(Z)為

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

(1)

對于穩定層結條件時:

(2)

對于不穩定層結條件時:

(3)

(4)

(5)

(6)

而判別層結的穩定性時,Jeske建議使用整體理查森數Rib。Rib>0時表示穩定層結,Rib=0時表示中性層結,Rib<0時表示不穩定層結。Rib不僅可以判別層結穩定性,還可以用于求解式(1)～式(4)的莫寧霍夫長度L。總體理查森Rib可表示為

(7)

(8)

而莫寧霍夫長度L的表達式為

(8)

因此,莫寧霍夫長度L就可以用Rib表示,通常Rib取6m高度的值,再將L應用于式(1)～式(4)的求解,便可確定大氣修正折射指數M,從而得到蒸發波導大氣折射率剖面。

2.2 蒸發波導模型參數的確定

圖1是我國海區不同月份的Rib分布圖,數據來源于國家海洋信息中心近60年的氣象統計數據,通過統計分析得到,Rib在我國海區的取值大體上在(-0.5,0.2)范圍內。

圖1 我國海區歷史數據統計Rib分布

設M(Z0)=340,蒸發波導高度d已知為15m,不同Rib條件下的蒸發波導折射率剖面如圖2所示。從圖中可以看出,在海面至蒸發波導高度d區間內,當不穩定層結情況下,Rib值越小,大氣修正折射指數隨高度增加而減小的幅度越大,即波導強度(ΔM)也越大,當在穩定和中性層結情況下,大氣修正折射指數隨高度增加而減小的幅度較小,波導強度也相對較小,因此可以說,在不穩定層結條件下,大氣修正折射指數的負梯度較大,更有利于波導層對電磁波的陷獲。

圖2 不同Rib條件下的折射率剖面

蒸發波導折射率剖面起始高度處大氣修正折射指數M(Z0)一般為常數,對折射率剖面形狀及蒸發波導高度并不影響,如圖3所示,設蒸發波導高度d=15m,Rib=-0.1時,不同M(Z0)取值條件下的折射率剖面。從圖中可以看出,蒸發波導的折射率剖面形狀并沒有隨M(Z0)取值的變化而發生改變。

圖3 不同M(Z0)條件下的折射率剖面

綜上所述,本文所確定的蒸發波導折射率剖面最終由蒸發波導高度d,總體理查森數Rib共同決定。蒸發波導高度d可以決定波導層的厚度,而整體理查森數Rib則決定了折射率剖面的形狀。

3 反演方法

本文將反演總體上分以下五個步驟:

1) 采集海雜波數據

2) 蒸發波導模型參數化

將蒸發波導射率剖面結構模型參數化為蒸發波導高度d和表征大氣層結的總體理查森數Rib。當某一距離的蒸發波導高度確定后,蒸發波導射率剖面就可以通過不同大氣層結的計算公式求得[11],然后構建r1、r2…rn不同距離上的大氣折射率剖面。

3) 正向海雜波功率求解

根據構建的大氣修正折射指數M(Z)的高度剖面,利用PE拋物方程可將電磁波傳播損耗L表示為對應大氣修正折射指數模式M(Z)的函數,利用雷達方程即可將雜波功率求出,將其在傳播距離上進行離散,得到海雜波功率隨距離離散變化的曲線。

4) 目標函數的選取

φ(m)=eTe

(9)

其中

(10)

(11)

5) 求解最優解

本文利用GA/SA混合算法,根據步驟4)確定的目標函數φ(m),搜索使φ(m)最小的一組參數解構建的蒸發波導剖面即為反演最優值。

4 反演結果分析

基于GA/SA混合算法的雷達海雜波功率反演蒸發波導剖面的計算步驟如下。

假設幾種不同的蒸發波導高度d和理查森數Rib值可以仿真出蒸發波導剖面,通過修正后的拋物方程計算得到海雜波功率曲線作為觀測值,利用GA/SA算法進行反演運算,將反演得到的蒸發波導高度d和理查森數Rib進行對比,分析反演方法的準確性。雷達參數選擇如下:工作頻率9.8GHz;系統損耗7.2dB,天線增益35dB;水平極化;波速寬度0.7°;天線類型為高斯型;天線架設高度為13m,海浪波平均波高取0.6m。

圖4 GA/SA算法實現反演流程圖

圖5 15m波導高度時GA/SA算法反演結果對比圖

表1 15m蒸發波導反演結果對比

圖6 20m波導高度時GA/SA算法反演結果對比圖

表2 20m蒸發波導反演結果對比

當假定蒸發波導高度為15m、20m時,分別在不穩定層結,中性層結,穩定層結下反演結果對比圖如圖6、圖7所示,反演結果具體分析如表1,表2所示。可以看出反演結果與模擬剖面較為接近,15m波導高度時反演蒸發波導高度絕對誤差Δd在0.5m以內,理查森數相對絕對誤差ΔRib在0.03以內,且層結穩定性反演正確,當假定蒸發波導高度為20m時,反演蒸發波導高度絕對誤差Δd在0.7m以內,理查森數絕對誤差ΔRib在0.07以內,且層結穩定性反演正確。通過模擬仿真試驗說明GA/SA算法可以應用于水平均勻情況下反演的要求。

5 結語

基于雷達海雜波回波功率的水平分布而反演蒸發波導大氣折射率剖面的技術是一種新的對蒸發波導實時監測的技術,其軍事應用價值非常高。此項技術總體上具有多變量、非線性、強振蕩、復雜性等特點。本文將整體理查森數Rib引入蒸發波導剖面模型,構建由蒸發波導高度d和整體理查森數Rib為基礎的反演模型,對在此基礎上的反演方法及步驟作了分析,使反演剖面更加精確。

[1] Dougherty H T, Hart B A. Recent Propagation in Duct Propagation Predictions[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propation,1979,AP-27(4):542-548.

[2] Knorr J B. Guide EM Waves with Atmospheric Ducts[J]. Microwave & RF,1985,24(3):67-70.

[3] Gerstoft P, Rogers L T J, Wagner L, et al. Estimation of Radio Refractivity Structure using Radar Clutter[J]. IEEE,2001,1(5-8):636-641.

[4] Gerstoft P, Rogers L T, Krolik J L, et al. Inversion for refractivity parameters from radar sea clutter[J]. Radio Science,2003,38(3):18-11-18-22.

[5] Yardim C, Gerstoft P, Hodgkiss W S, et al. Refractivity from Clutter(RFC) Estimation Using a Hybrid Genetic Algorithm-Markov Chain Monte Carlo Method[J]. IEEE,2005:743-746.

[6] Yardim C, Gerstoft P, Hodgkiss S W. Atmospheric Refractivity Tracking From Radar Clutter Using Kalman and Particle Filters[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2007,56(4):291-296.

[7] Yardim C. Tracking Refractivity from Clutter Using Kalman and Particle Filters[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2008,56(4):1058-1070.

[8] 盛崢,黃思訓,趙小峰.雷達回波資料反演海洋波導中觀測值權重的確定[J].物理學報,2009,58(9):6627-6632.

[9] 盛崢,黃思訓.雷達回波資料反演海洋波導的算法和抗噪能力研究[J].物理學報,2009,58(6):4328-4334.

[10] 盛崢,黃思訓,程亮.海洋上大氣波導中電磁波傳播損耗的誤差分析和敏感性試驗[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2009,10(2):200-204.

[11] 戴福山.海洋大氣近地層折射指數模式及其在蒸發波導分析上的應用[J].電波科學學報,1988,13(3):280-286.

[12] Peter G, Rogers L T, Krolik J L. Inversion for refractivity parameters from radar sea clutter[J]. Radar Sci,2003,38(3):9-18.

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

國家自然科學基金項目(編號:41576105);中國博士后科學基金(編號:2016M603007);海軍工程大學科研發展基金自主立項第二批資助項目資助。

左雷,男,博士,講師,研究方向:電磁波超視距傳播和水聲物理學。王春雨,男,博士研究生,研究方向:雷達信號處理,振動信號處理,振動噪聲控制。金丹,女,博士研究生,研究方向:水聲物理、海雜波。李靜威,男,博士研究生,研究方向:電磁波理論、預警探測。

TP311

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.03.020