CN106226762A - 一种用于确定高频天地波超视距雷达探测区域空间分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于确定高频天地波超视距雷达探测区域空间分布的方法，用以解决天地波雷达在海洋动力学参数探测过程中散射元定位的问题。该方法直接从发射站与接收站自身的关系出发，在不考虑电离层倾斜和地球曲率影响的条件下，将天波发射站关于电离层反射面作镜像映射，以天波发射站镜像、地波接收站为焦点，以传播群距离为椭圆定长，构筑空间椭圆（椭球面），确定探测的距离和等值线、距离分辨率和海面散射元的实际距离。本发明直接从发射站与接收站自身的关系出发来构造空间椭圆，通过等效的方式简化几何模型构造的过程，并且将海面散射元的实际分布与群距离、方位信息直接对应，便于实际探测区域和海面散射元实际距离的求解。

Description

一种用于确定高频天地波超视距雷达探测区域空间分布的 方法

技术领域

本发明涉及高频雷达海洋环境监测技术领域，特别涉及一种用于确定高频天地波超视距雷达探测区域空间分布的方法。

背景技术

高频天地波超视距雷达属于一种新体制雷达，具有探测距离远、覆盖范围大、信噪比高、发射站位于内陆隐蔽性好等诸多优良特性。近十年来，该体制雷达已逐步受到国内外研究学者的重视。国内若干单位已研制了天地波一体化雷达系统，并利用该系统来对海面舰船、低空飞机、海洋动力学参数(风、浪、流)等进行探测。

从雷达布局角度来说，天地波雷达仍是一种双基地的布局方式。在传统的双基地高频地波雷达几何配置中，当群距离为一个定值时(回波时延固定)，对应产生的一阶海洋回波几何位置分布可以通过一个以发射站和接收站为焦点的椭圆来描述。当散射元位于以发射站和接收站为焦点的某一椭圆的不同方位时，接收站收到的回波时延差相同，发生谐振的海浪相速度为沿发射站和散射元的连线与接收站和散射元的连线的夹角(双基地角)平分线方向。但天地波模式下，电波先要经过电离层反射，而不是由发射站直接照射到目标，其传播路径与电离层反射点有关，不能再直接以天波发射站和接收站为焦点来构造椭圆，因此如何确定该模式下海洋回波或者海面目标的空间分布对于探测来说就显得非常重要。目前，有相关研究(朱永鹏，天地波高频雷达一阶海杂波特性分析与抑制，哈尔滨工业大学，硕士学位论文，2014)从数学的角度出发，假设电离层的反射为镜面反射，利用公式推导出一阶海洋回波的空间几何分布，由接收站和海面上一个变化的点作为焦点来反应一阶海杂波的空间分布，但该焦点的确定从数学计算得出，表达式比较复杂，无法直接与实际的群距离形成对应，物理意义不明确，因此很难直接反应出海面散射元所在位置和其群距离的变化映射关系。

发明内容

本发明针对背景技术存在的问题，提供出了一种用于确定高频天地波超视距雷达探测区域空间分布的方法，直接从发射站和接收站的关系来构造椭圆，用以解决天地波雷达在海洋动力学参数探测过程中散射元定位的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种用于确定高频天地波超视距雷达探测区域空间分布的方法，该方法直接从发射站与接收站自身的关系出发来构造空间椭圆，包括如下步骤：

步骤1，在不考虑电离层倾斜和地球曲率影响的条件下，将天波发射站关于电离层反射面作镜像映射，电波从天波发射站经电离层反射到达海面散射元的路径则可等效为天波发射站镜像到海面散射元的一条直线。

步骤2，以天波发射站镜像、地波接收站为焦点，以传播群距离R为椭圆定长，构筑空间椭圆(椭球面)。每一个群距离可看作天波发射站镜像与散射元之间的距离和散射元到接收站之间距离之和。从天地波雷达回波特点出发，将具有相同时延即同一群距离的回波进行同一处理，其对应着电波从发射站电离层的距离、电离层反射电波到海面散射元的距离和海面散射元到地波接收站三段距离之和。

步骤3，确定探测的距离和等值线、距离分辨率；

随着群距离的变化，形成一个椭球，该椭球与地平面相交，其切面位于海面的区域即为天地波雷达所探测的区域。椭球与海面的一簇交线即为距离和等值线，该等值线上的每一点离发射站镜像和接收站的距离等于群距离。距离和等值线所在椭圆的一个焦点为接收站，另一个焦点在发射站和接收站的连线上，其焦点位置及焦距都随着群距离而变化，随着群距离的增加，逐渐远离接收站。两椭圆之间的间隔即为距离分辨率。

步骤4，对于群距离为R，方位角为θ的散射元，通过解三角形几何关系可得到散射元距离接收站的距离为：

$R_3=\frac{R^2-4h^2-L^2}{2(R-Lcos\mathrm{\θ})}$

作为优选，步骤1中所述的电离层反射面，可利用直达波获取其电离层反射高度h。设R₀为直达波所经历的群距离(电波经发射站到电离层的路径长度和电波经电离层反射直接到达地波接收站的路径长度两者之和)，L为天波发射站与地波接收站的基线距离，则可以计算出

$h=\sqrt{R_0^2-L^2/4}$

作为优选，步骤1中所述的天波发射站镜像和天波发射站关于电离层呈现镜面关系，二者连线关于电离层反射面垂直，当电离层反射高度发生变化时，所构筑的空间椭圆的一个焦点也跟着变化。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

本发明提供的用于确定高频天地波超视距雷达探测区域的几何模型构造方法，通过在空间上对天波发射站作镜像投影，从而将天地波传播模式下的散射元几何分布的确定简化为双基地模式下的求解。通过等效的方式，简化了几何模型构造过程，并且将海面散射元的实际分布与群距离、方位信息直接对应，便于实际探测区域和海面散射元实际距离的求解。

附图说明

图1是本发明中天地波模式下空间椭圆的构筑方法示意图。

图2是本发明中天地波模式下距离和等值线示意图。

具体实施方式

下面结合实施对本发明作进一步的详细描述，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种用于确定高频天地波超视距雷达探测区域空间分布的方法，该方法直接从发射站与接收站自身的关系出发来构造空间椭圆，具体包括如下步骤：

步骤1，在不考虑电离层倾斜和地球曲率影响的条件下，将天波发射站关于电离层反射面作镜像映射，电波从天波发射站经电离层反射到达海面散射元的路径则可等效为天波发射站镜像到海面散射元的一条直线，如图1所示。

在图1中，在不考虑多径效应的情况下，对于一条入射到海面的电波，电波从发射站至电离层的距离设为R₁，电离层反射点至海面散射元的距离设为R₂，天波发射站镜像和天波发射站关于电离层呈现镜面关系，二者连线关于电离层反射面垂直，则天波发射站镜像至电离层的距离也等于R₁，每一个群距离可看作天波发射站镜像与散射元之间的距离和散射元到接收站之间距离之和，即R₁+R₂。在不考虑电离层倾斜和地球曲率影响的条件下，发射站镜像、电离层反射点和海面散射元在同一条直线上。当电离层反射高度发生变化时，所构筑的空间椭圆的一个焦点也跟着变化。

可利用直达波获取其电离层反射高度h。设R₀为直达波所经历的群距离(电波经发射站到电离层的路径长度和电波经电离层反射直接到达地波接收站的路径长度两者之和)，L为天波发射站与地波接收站的基线距离，则可以计算出

$h=\sqrt{R_0^2-L^2/4}$

步骤2，以天波发射站镜像、地波接收站为焦点，以传播群距离R为椭圆定长，构筑空间椭圆(椭球面)，如图1所示。群距离R就等于其对应着电波从天波发射站镜像到电离层的距离、电离层反射电波到海面散射元的距离和海面散射元到地波接收站三段距离之和，即R＝R₁+R₂+R₃。

设L为发射站和接收站之间的基线距离，h为电离层反射点高度，2a、2b、2c分别设为空间椭圆的长轴、短轴和焦距，则其值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}2a=R\\ 2c=\sqrt{{\left(2h\right)}^2+L^2}\\ b=\sqrt{a^2-c^2}\end{array}\right.$

步骤3，随着群距离的变化，形成一个椭球，该椭球与地平面相交，其切面位于海面的区域即为天地波雷达所探测的区域。椭球与海面的一簇交线即为距离和等值线，该等值线上的每一点离发射站镜像和接收站的距离等于群距离。

以天波发射站和地波接收站分别位于湖北崇阳、福建龙海为例，两站基线距离约为750km，图2为同一电离层反射点高度下群距离变化时绘制的距离等值线，其中位于海上的部分即为海面探测区域。从图2可以看出，此种设置模式下，所有的距离和等值线是一簇椭圆，它们只共一个焦点，而不像地波双基地那样共两个焦点。随着群距离的变化，距离和等值线所在椭圆的一个焦点为接收站，另外一个焦点在发射站和接收站的连线上，焦点位置及焦距都随着群距离而变化，随着群距离的增加，逐渐远离接收站。两椭圆之间的间隔即为距离分辨率，在图2这种收发布局下，当散射点越靠近发射站和接收站的连线时，距离分辨率越高。

步骤4，对于群距离为R，方位角为θ的散射元，通过解三角形几何关系可得到散射元距离接收站的距离为：

$R_3=\frac{R^2-4h^2-L^2}{2(R-Lcos\mathrm{\θ})}$

而方位角θ可采用多重信号分类(Multiple Signal Classification-MUSIC)算法对取出的谱点估算出来，从而实现了天地波雷达在探测过程中海面散射元定位的问题。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种用于确定高频天地波超视距雷达探测区域空间分布的方法，其特征在于：直接从发射站与接收站自身的关系出发来构造空间椭圆，具体包括如下步骤：

步骤1，在不考虑电离层倾斜和地球曲率影响的条件下，将天波发射站关于电离层反射面作镜像映射；

步骤2，以天波发射站镜像、地波接收站为焦点，以传播群距离R为椭圆定长，构筑空间椭圆；

其中每一个群距离可看作天波发射站镜像与散射元之间的距离和散射元到接收站之间距离之和；

步骤3，确定探测的距离和等值线、距离分辨率；

随着群距离的变化，形成一个椭球，该椭球与地平面相交，其切面位于海面的区域即为天地波雷达所探测的区域；椭球与海面的一簇交线即为距离和等值线，该等值线上的每一点离发射站镜像和接收站的距离等于群距离；距离和等值线所在椭圆的一个焦点为接收站，另一个焦点在发射站和接收站的连线上，其焦点位置及焦距都随着群距离而变化，随着群距离的增加，逐渐远离接收站；两椭圆之间的间隔即为距离分辨率；

步骤4，对于群距离为R，方位角为θ的散射元，通过解三角形几何关系可得到散射元距离接收站的距离为：

$R_3=\frac{R^2-4h^2-L^2}{2(R-Lcos\mathrm{\θ})}$

其中，L为发射站和接收站之间的基线距离，h为电离层反射点高度。

2.根据权利要求1所述的一种用于确定高频天地波超视距雷达探测区域空间分布的方法，其特征在于：所述步骤1中，得到天波发射站的镜像后，电波从天波发射站经电离层反射到达海面散射元的路径则等效为天波发射站镜像到海面散射元的一条直线。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于确定高频天地波超视距雷达探测区域空间分布的方法，其特征在于：步骤1中所述的电离层反射面，利用直达波获取其电离层反射高度h：

设R₀为直达波所经历的群距离，即：电波经发射站到电离层的路径长度和电波经电离层反射直接到达地波接收站的路径长度两者之和，L为天波发射站与地波接收站的基线距离，则

$h=\sqrt{R_0^2-L^2/4}.$