CN106772300A - 一种微波超视距雷达回波图计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微波超视距雷达回波图计算方法，包括如下步骤：（1）确定微波超视距雷达相关参数、目标及环境参数；（2）蒸发波导特征参数预测和表面波导特征参数测量；（3）大气波导或大气折射传播海面掠射角计算；（4）大气波导或大气折射传播因子计算；（5）海杂波和目标回波功率图计算；（6）动态雷达回波图模拟。本发明所公开的微波超视距雷达回波图计算方法，在实际微波超视距雷达工作环境下，充分考虑海洋水文气象条件形成的大气波导传播对海面回波和目标回波的影响，基于雷达系统参数和海洋水文气象参数，在大气折射或大气波导情况下提出了实际雷达波束海面掠射角的计算方法，并结合相关海杂波模型，可有效预测、评估海面回波功率。

Description

一种微波超视距雷达回波图计算方法

技术领域

本发明涉及雷达目标探测与环境特性技术领域，尤其涉及一种舰船载或岸基微波超视距雷达回波图计算方法。

背景技术

对流层大气不均匀性使电磁波在大气介质中的传播路径发生弯曲或折射、散射现象，四种典型大气折射效应如图1所示。说明在欠折射、正常或标准折射、超折射和大气波导情况下电波传播的形态和特点。大气超折射和大气波导情况为本发明中微波超视距雷达的目标探测机制。

大气折射率垂直剖面的变化形态是确定对流层大气折射类型的关键参数。正常大气的大气折射率梯度在地球表面附近随高度在-79～0N单位/km(或大气修正折射率梯度按79～157M单位/km)范围变化，标准大气的大气折射率标准梯度按-39N单位/km下降或大气修正折射率梯度按118M单位/km增加。如果对流层温度随高度而增加(逆温)或水汽随高度而快速下降，此时大气折射率梯度将比标准梯度小，电波传播路径向下弯曲且比正常条件更偏离直线。当大气折射率梯度继续下降时，电波射线弯曲半径将接近地球的曲率半径，当两个半径相等时，该大气折射率梯度称为临界梯度，此时电波将在地面之上与地球表面平行的某个固定高度传播。正常和临界梯度之间的折射称为超折射。如果大气折射率梯度在临界梯度之外继续下降，电波弯曲的曲率半径将小于地球的曲率半径，电波被限制在对流层一个狭窄区域内传播，即大气波导传播。

在实际海洋大气环境中一般存在蒸发波导、表面波导和悬空波导(或称抬升波导)三种典型大气波导,图2所示为蒸发波导、表面波导和悬空波导三种典型大气波导大气修正折射率的垂直剖面和参数，其中蒸发波导和表面波导是本发明微波超视距雷达的电波传播途径。舰船载或岸基微波超视距雷达基于海上对流层大气波导超折射传播机制，可实现数百公里超视距目标探测，相对于一般微波视距雷达探测体制，其系统性能和功能使用更强地依赖于对流层大气环境特性。微波超视距雷达依靠大气波导传播效应可探测目标的距离是常规微波视距雷达的数倍或数十倍，但是也会存在超视距海杂波干扰以及雷达盲区等问题，海杂波本身由于大气超折射效应引起波束方向和掠射角大小的改变，不仅下俯波束会存在海面反射，小于临界角的上仰波束也会由于大气波导折射到海面而产生超视距海杂波，因此，在大气波导中存在电波多路径干涉和多路径海杂波合成现象，另外，常规微波雷达对目标的探测限制在视距以内，雷达波束对目标是直接照射，而微波超视距雷达对视距外目标的照射则往往是经过大气波导多次折射和反射后的非直接照射，目标特性如RCS和起伏特性与一般研究结果不同。这些问题都是微波超视距雷达的回波特点和研究难点，需要在理论和实验研究的基础上，针对大气折射对目标探测的影响，结合目标探测方法和信号处理算法的需要，开展对微波超视距雷达系统、目标和环境散射特性的模拟仿真，生成符合真实场景的雷达回波信号，即按照雷达系统参数、信号处理算法、电波与目标和环境的作用机制、相对几何关系、海洋环境特性等较全面地模拟实际雷达工作状态，才能对雷达性能进行科学论证和评价。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于雷达系统参数、海洋气象水文参数或大气超折射、大气波导(蒸发波导或表面波导)数据和预测模型、目标与海杂波模型等生成微波超视距雷达回波图的计算方法。

本发明采用如下技术方案：

一种微波超视距雷达回波图计算方法，其改进之处在于包括如下步骤：

(1)确定微波超视距雷达相关参数、目标及环境参数

雷达相关参数包括工作频率、极化、发射功率、天线海拔高度、天线增益、垂直面和水平面的波束宽度、脉冲宽度、系统灵敏度；环境参数包括大气温度、湿度、压力、风速风向、海面温度或者大气折射率剖面；目标参数包括RCS大小、数目、起伏类型和距离、方位；

(2)蒸发波导特征参数预测和表面波导特征参数测量

在给定或实测海上大气温度、湿度、压力、风速风向和海面温度的情况下，利用蒸发波导预测模型，例如P-J模型或NPS模型，预测波导高度和强度并进一步给出蒸发波导大气折射率剖面；或者利用无线电探空仪、气象梯度塔方法直接测量出蒸发波导大气折射率剖面，利用无线电探空仪方法直接测量或采用微波雷达、微波辐射计、激光雷达、全球导航定位系统GNSS信号反演方法遥感测量水平均匀或不均匀情况下的蒸发波导或表面波导特征参数；

(3)大气波导或大气折射传播海面掠射角计算

根据雷达高度、天线波束和大气折射率剖面参数，利用射线跟踪算法计算雷达波束经大气折射或大气波导传播后在不同海面位置处的海面掠射角(即擦地角)，在海面某一位置(即分辨单元)，多条不同长度路径到达情况下，该位置对应多个射线的多个路径长度和多个掠射角，其中多个射线的多个路径长度对应回波图上的距离参数；

(4)大气波导或大气折射传播因子计算

根据雷达系统参数、海上大气和水文环境参数，评估大气波导传播截止频率和临界角，采用电波传播数值算法，例如求解抛物波方程的分步傅立叶变换方法，获得不同方位、不同距离和不同高度的三维传播损耗或传播因子；

(5)海杂波和目标回波功率图计算

选取能体现海面散射系数与雷达参数、海面环境关系的海杂波模型，例如GIT模型，根据雷达工作参数和环境参数，包括频率、极化、脉冲宽度、天线波束宽度和相对海面风向的方位、风速或波高、掠射角，计算海面散射系数和海杂波RCS；

若海面某位置处的多条路径长度或距离差小于由脉冲宽度确定的距离分辨单元，则多个路径海杂波回波功率非相干相加，同样，若不同位置处的多条路径长度也小于距离分辨单元，则多个路径海杂波回波功率也非相干相加，即位于同一距离门的海杂波功率相叠加，表示该距离对应的海面散射回波(杂波)总功率；按照任务要求选取目标RCS及目标方位、距离和高度，匹配相同方位、相同距离和相同高度处的传播因子以及相同距离、相同方位的海面回波，根据雷达方程计算距离-方位二维回波图，当回波功率持续小于雷达接收机噪声电平或到达设定的距离后停止计算；

(6)动态雷达回波图模拟

根据以上雷达回波平均功率图，结合海杂波幅度统计分布模型例如瑞利Rayleigh模型和目标RCS统计分布模型例如Swerling模型分别随机产生特定距离和方位处的海杂波回波功率和目标回波功率，形成对应的距离-方位雷达二维回波图。

进一步的，在步骤(2)中，蒸发波导大气修正折射率剖面的表达式为：

式中，M(0)、M(z)分别是海面和高度z处的大气修正折射率，h₁＝h_t＝z_EDH为蒸发波导高度，粗糙度长度z₀＝1.5×10^-4。

进一步的，在步骤(4)中，计算考虑环境影响的基本传播损耗，提取传播因子F：

进一步的，在步骤(5)中，利用杂波模型得到海面散射系数，由雷达参数得到对应分辨单元的RCS。

进一步的，在步骤(6)中，根据目标参数、海杂波和雷达方程，得到距离-方位雷达回波功率：

式中，P_t为发射功率，G为雷达天线增益，λ为波长，σ为目标或海面雷达散射截面RCS，R为雷达到目标的距离，L_s为系统损耗。

本发明的有益效果在于：

针对微波超视距雷达目标探测技术中存在的问题，即海杂波模型在建模中忽略了大气超折射或大气波导对电波传播特别是海面掠射角的影响，微波超视距雷达不能有效地评价海洋低层大气边界层特别是大气波导对海杂波产生的影响，不能在实际环境中提供接近真实海洋大气环境的雷达回波等问题，本发明公开了一种基于雷达系统参数、海洋气象水文参数或大气波导(折射率)预测模型、目标与海杂波模型等生成舰船载或岸基等微波超视距雷达回波图的仿真或实时计算方法，克服了现有技术中的缺点，可应用于微波超视距雷达系统研制、测试、试验、验证、评估等方向，机载微波超视距雷达也可参考使用。

本发明所公开的微波超视距雷达回波图计算方法，具有如下优点：

(1)在实际微波超视距雷达工作环境下，充分考虑了海洋水文气象条件形成的大气波导传播对海面回波和目标回波的影响。

(2)基于雷达系统参数和海洋水文气象参数，在大气折射或大气波导情况下提出了实际雷达波束海面掠射角的计算方法，并结合相关海杂波模型，可以有效预测、评估海面回波功率。

(3)考虑了大气波导或大气超折射传播在目标位置处的实际传播因子和传播距离，结合目标RCS模型和起伏模型得到接近真实的目标回波。

附图说明

图1是四种典型大气折射条件下电波传播示意图；

图2是蒸发波导、表面波导和悬空波导三种典型大气波导大气修正折射率的垂直剖面和参数；

图3是本发明实施例所公开计算方法的流程示意图；

图4是海上水平不均匀表面波导垂直剖面示意图；

图5表示大气波导条件下海面掠射角的变化示意图；

图6表示大气波导超视距传播因子示意图；

图7是微波超视距雷达大气波导传播回波示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明公开了一种微波超视距雷达回波图计算方法，以实际环境雷达方程为基础，首先设定微波超视距雷达工作环境条件，即给出海洋大气波导(包括蒸发波导或表面波导)和风速风向参数，或者基于气象和水文探测设备实时测量的大气温度、湿度、压力、风速风向参数和海表温度参数，利用模型预测或构造水平均匀或非均匀大气折射率剖面；选取与雷达参数和大气环境、海面环境相关联的雷达海杂波模型；根据雷达任务要求设定目标距离、RCS和动态特性；由大气折射率剖面和射线跟踪算法确定雷达波束经大气波导传播时在雷达不同探测距离的海面掠射角，由大气折射率剖面和电波传播数值算法(如抛物型波方程分步算法)确定雷达波束经大气波导传播时在雷达不同探测距离的传播损耗。采用雷达工作参数、超视距传播特性、目标模型及海杂波模型计算海杂波回波和目标回波，最终形成距离和方位向二维回波图，仿真计算关系及流程如图3所示。可应用于微波超视距雷达的设计、试验、使用，嵌入信号处理方法软件模块，检验雷达在典型大气波导条件下的性能。

该方法具体包括如下步骤：

(1)确定微波超视距雷达相关参数、目标及环境参数

雷达相关参数包括工作频率、极化、发射功率、天线海拔高度、天线增益、垂直面和水平面的波束宽度、脉冲宽度、系统灵敏度；环境参数包括大气温度、湿度、压力、风速风向、海面温度或者大气折射率剖面；目标参数包括RCS大小、数目、起伏类型和距离、方位；

(2)蒸发波导特征参数预测和表面波导特征参数测量

在给定或实测海上大气温度、湿度、压力、风速风向和海面温度的情况下，利用蒸发波导预测模型，例如P-J模型或NPS模型，预测波导高度和强度并进一步给出蒸发波导大气折射率剖面；或者利用无线电探空仪、气象梯度塔方法直接测量出蒸发波导大气折射率剖面，利用无线电探空仪方法直接测量或采用微波雷达、微波辐射计、激光雷达、全球导航定位系统(GNSS)信号反演方法遥感测量水平均匀或不均匀情况下的蒸发波导或表面波导特征参数，如图4所示，在岸-海交界区域，大气波导不均匀性表现明显、影响较大；

(3)大气波导或大气折射传播海面掠射角计算

根据雷达高度、天线波束和大气折射率剖面参数，利用射线跟踪算法计算雷达波束经大气折射或大气波导传播后在不同海面位置处的海面掠射角(即擦地角)，在海面某一位置(即分辨单元)，多条不同长度路径到达情况下，该位置对应多个射线的多个长度和多个掠射角，其中多个射线的多个长度对应回波图上的距离参数，如图5所示，大气波导条件下海面掠射角的变化，直接影响海杂波模型参量；

(4)大气波导或大气折射传播因子计算

根据雷达系统参数、海上大气和水文环境参数，评估大气波导传播截止频率和临界角，采用电波传播数值算法，例如求解抛物波方程的分步傅立叶变换方法，获得不同方位、不同距离和不同高度的三维传播损耗或传播因子，如图6所示，表示实际海洋大气环境对传播特性的真实影响，也是仿真计算的关键环节；

(5)海杂波和目标回波功率图计算

选取能体现海面散射系数与雷达参数、海面环境关系的常规海杂波模型，例如GIT模型，根据雷达工作参数和环境参数，包括频率、极化、脉冲宽度、天线波束宽度和相对海面风向的方位、风速或波高、掠射角，计算海面散射系数和海杂波RCS；

若海面某位置处的多条路径长度或距离差小于由脉冲宽度确定的距离分辨单元，则多个路径海杂波回波功率非相干相加，同样，若不同位置处的多条路径长度也小于距离分辨单元，则多个路径海杂波回波功率也非相干相加，即位于同一距离门的海杂波功率相叠加，表示该距离对应的海面散射回波总功率；按照任务要求选取目标RCS及目标方位、距离和高度，匹配相同方位、相同距离和相同高度处的传播因子以及相同距离、相同方位的海面回波，根据雷达方程计算距离-方位二维回波图，当回波功率持续小于雷达接收机噪声电平或到达设定的距离后停止计算；

(6)动态雷达回波图模拟

根据以上雷达回波平均功率图，结合海杂波幅度统计分布模型例如瑞利Rayleigh模型和目标RCS统计分布模型例如Swerling模型分别随机产生特定距离和方位处的海杂波回波功率和目标回波功率，形成对应的距离-方位雷达二维回波图。

实施例1，在微波超视距雷达研制过程中，在实验室内设定海洋大气波导高度和强度等参数或大气折射率剖面。蒸发波导大气修正折射率剖面的表达式为：

式中，M(0)、M(z)分别是海面和高度z处的大气修正折射率，h₁＝h_t＝z_EDH为蒸发波导高度，粗糙度长度z₀＝1.5×10^-4。

计算大气波导条件下的海面掠射角，如图5所示。进一步利用杂波模型得到海面散射系数，由雷达参数得到对应分辨单元的RCS。

计算考虑环境影响的基本传播损耗，提取传播因子F：

根据目标参数、海杂波和雷达方程，得到方位-距离雷达回波功率：

式中，P_t为发射功率，G为雷达天线增益，λ为波长，σ为目标或海面雷达散射截面(RCS)，R为雷达到目标的距离，L_s为系统损耗。图7是微波超视距雷达大气波导传播回波示意图，表现为海杂波增强和超视距海面和目标回波。

实施例2，在微波超视距雷达使用过程中，基于海洋水文气象参数监测设备，得到海洋大气温度、湿度、压力、风速风向、海表温度，选取蒸发波导预测模型如P-J模型计算蒸发波导高度、强度和大气折射率剖面。P-J模型是应用最广泛的蒸发波导预测模型，Jeske采用位折射率代替大气折射率，用位温代替普通温度，用位水汽压代替通常的水汽压，由整体经验理查森数确定大气稳定性和Monin-Obukhov相似长度，基于位折射率的守恒性质且为相似变量的假定，采用位折射率梯度的相似表达式和位折射率临界梯度为-0.125的波导条件初步计算出蒸发波导高度，经Paulus修正后确定最终的蒸发波导高度，蒸发波导剖面则根据大气层结的稳定性条件和蒸发波导高度获得。

也可利用无线电探空仪等气象探测设备获取实际海上环境的大气折射率结构和参数。在获知海上实际大气环境参数后，进一步利用与实施例1相同的本发明公开的其他步骤预测雷达所处海域当时气象条件下的回波特性。

Claims (5)

1.一种微波超视距雷达回波图计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)确定微波超视距雷达相关参数、目标及环境参数

雷达相关参数包括工作频率、极化、发射功率、天线海拔高度、天线增益、垂直面和水平面的波束宽度、脉冲宽度、系统灵敏度；环境参数包括大气温度、湿度、压力、风速风向、海面温度或者大气折射率剖面；目标参数包括RCS大小、数目、起伏类型和距离、方位；

(2)蒸发波导特征参数预测和表面波导特征参数测量

在给定或实测海上大气温度、湿度、压力、风速风向和海面温度的情况下，利用蒸发波导预测模型，例如P-J模型或NPS模型，预测波导高度和强度并进一步给出蒸发波导大气折射率剖面；或者利用无线电探空仪、气象梯度塔方法直接测量出蒸发波导大气折射率剖面，利用无线电探空仪方法直接测量或采用微波雷达、微波辐射计、激光雷达、全球导航定位系统GNSS信号反演方法遥感测量水平均匀或不均匀情况下的蒸发波导或表面波导特征参数；

(3)大气波导或大气折射传播海面掠射角计算

根据雷达高度、天线波束和大气折射率剖面参数，利用射线跟踪算法计算雷达波束经大气折射或大气波导传播后在不同海面位置处的海面掠射角，即擦地角，在海面某一位置，即分辨单元，多条不同长度路径到达情况下，该位置对应多个射线的多个路径长度和多个掠射角，其中多个射线的多个路径长度对应回波图上的距离参数；

(4)大气波导或大气折射传播因子计算

根据雷达系统参数、海上大气和水文环境参数，评估大气波导传播截止频率和临界角，采用电波传播数值算法，例如求解抛物波方程的分步傅立叶变换方法，获得不同方位、不同距离和不同高度的三维传播损耗或传播因子；

(5)海杂波和目标回波功率图计算

选取能体现海面散射系数与雷达参数、海面环境关系的海杂波模型，例如GIT模型，根据雷达工作参数和环境参数，包括频率、极化、脉冲宽度、天线波束宽度和相对海面风向的方位、风速或波高、掠射角，计算海面散射系数和海杂波RCS；

若海面某位置处的多条路径长度或距离差小于由脉冲宽度确定的距离分辨单元，则多个路径海杂波回波功率非相干相加，同样，若不同位置处的多条路径长度也小于距离分辨单元，则多个路径海杂波回波功率也非相干相加，即位于同一距离门的海杂波功率相叠加，表示该距离对应的海面散射回波或杂波总功率；按照任务要求选取目标RCS及目标方位、距离和高度，匹配相同方位、相同距离和相同高度处的传播因子以及相同距离、相同方位的海面回波，根据雷达方程计算距离-方位二维回波图，当回波功率持续小于雷达接收机噪声电平或到达设定的距离后停止计算；

(6)动态雷达回波图模拟

根据以上雷达回波平均功率图，结合海杂波幅度统计分布模型例如瑞利Rayleigh模型和目标RCS统计分布模型例如Swerling模型分别随机产生特定距离和方位处的海杂波回波功率和目标回波功率，形成对应的距离-方位雷达二维回波图。

2.根据权利要求1所述的微波超视距雷达回波图计算方法，其特征在于：在步骤(2)中，蒸发波导大气修正折射率剖面的表达式为：

$M\left(z\right)=M\left(0\right)+0.125(z-h_{t}ln\frac{z+z_0}{z_0}),z\≤h_1=h_t$

式中，M(0)、M(z)分别是海面和高度z处的大气修正折射率，h₁＝h_t＝z_EDH为蒸发波导高度，粗糙度长度z₀＝1.5×10^-4。

3.根据权利要求1所述的微波超视距雷达回波图计算方法，其特征在于：在步骤(4)中，计算考虑环境影响的基本传播损耗，提取传播因子F：

$L_b\left(dB\right)=20\lg \left(\frac{4\mathrm{\π}r}{\mathrm{\λ}}\right)-F\left(dB\right).$

4.根据权利要求1所述的微波超视距雷达回波图计算方法，其特征在于：在步骤(5)中，利用杂波模型得到海面散射系数，由雷达参数得到对应分辨单元的RCS。

5.根据权利要求1所述的微波超视距雷达回波图计算方法，其特征在于：在步骤(6)中，根据目标参数、海杂波和雷达方程，得到距离-方位雷达回波功率：

$P_r=\frac{P_t{G}^2{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{\σF}}^4}{{\left(4\mathrm{\π}\right)}^3{R}^4{L}_s}$

式中，P_t为发射功率，G为雷达天线增益，λ为波长，σ为目标或海面雷达散射截面RCS，R为雷达到目标的距离，L_s为系统损耗。