高频返回散射探测中一种特殊现象成因及特性分析

李吉宁 李 雪 杨东升

（中国电波传播研究所，山东 青岛266107）

引 言

高频（High Frequency，HF）返回散射利用电离层反射和地海面散射实现远距离电离层探测和超视距目标探测［1］.其探测方式包括扫频探测和定频探测两种：扫频探测通过发射扫频（3～30MHz）探测信号，获得频率－时延－能量三维图形，是远距离电离层探测的重要手段之一；定频探测是在固定频率上长时间相干积累探测获得多普勒－时延－能量信息，用于远距离目标探测（即天波超视距雷达）及电离层信道特性研究.

高频返回散射定频探测多普勒谱主要由无线电噪声和地海杂波组成，如图1左图所示，与常规多普勒谱图不同，在日常探测中，会出现一种具有“弯钩”形状的地海回波，如图1右图所示.

图1 实测正常谱图与具有“弯钩”的谱图

这种“弯钩”现象，距离延伸可达100～400km，多普勒频移也达2～3Hz，在天波超视距雷达探测中极易将其判断为舰船目标信号，造成虚警，该现象已成为影响天波超视距雷达低速目标检测的重要因素之一.

目前已有多篇文献对电离层探测中的异常现象进行分析，如文献［2］针对电离层垂直探测中一种“微笑”型回波进行分析，文献［3］利用电离层射线追踪对电离层扰动现象进行分析.文献［4］对返回散射扫频探测中Es层情况进行了研究，但本文提及的高频返回散射定频探测“弯钩”现象未见相关分析.

本文针对上述“弯钩”现象，在建立时变电离层模型基础上，利用电离层射线追踪技术，获得各射线的多普勒信息，实现返回散射定频探测仿真，进而对“弯钩”现象进行分析.

1 电离层射线追踪技术

1.1 电离层模型

电离层是地球高层大气电离的部分，其中包含大量自由电子，显著影响无线电波的传播.目前已建立了多个电离层电子浓度分布模型，常用模型包括线性层、指数层、抛物层、准抛物层等，还包括一些经验模型，如卡普曼层、Bent模型、国际参考电离层、中国参考电离层等［1］.

准抛物模型电子密度分布与实际分布相当接近，其数学表达式比较简单，方便求得解析解，本文电离层模型采用该模型，其表达式为［5］

式中：r为相对于地球球心的径向距离；Nm为最大电子密度，与电离层临界频率（以下简称临频）fo关系为Nm＝f2o／80.6；rb为电离层底高；ym为层的半厚；rm为最大电子密度Nm的高度（简称峰高），rm＝rb＋ym.

1.2 电离层射线追踪

射线追踪是研究高频电波在电离层中传播的重要手段之一，主要包括解析射线追踪和数字射线追踪.解析射线追踪能够提供射线传播路径参数的解析表达式，可精确获取电离层参数细微变化对射线路径的影响，本文采用解析射线追踪.

解析射线追踪通常忽略地磁场和碰撞影响，并且假设电离层球形对称分布，基于准抛物电离层模型获得的射线传播地面距离D、群路径P′、相位路径Pr解析表达式为［6］：

式中：A ＝1－（fo／f）2＋（forb／fym）2，f为工作频率，fo为临 界频率；B ＝－2rm（fcrb／fym）2；C ＝（fcrbrm／fym）2－rr0cos2β0；X ＝Ar2＋Br＋C；Xb＝－cos2β0；βb＝cos－1（（r0／rb）cosβb），β为射线与水平面夹角，β0为r＝r0处的夹角，r0为地球半径.

电离层射线追踪详细实现方式可参考文献［6－8］.

假设电离层为单层，设置参数为：rb＝180km，rm＝240km，fo＝9MHz，f＝15MHz，利用电离层射线追踪程序对高频电波射线路径进行计算，结果如图3所示，图中两条横线表示电离层底高和峰高.

图2 电离层射线追踪路径图

从图2可以看出：在低仰角情况下，射线传播到远区，每条射线具有不同的群路径；当仰角增大时，出现了高仰角传播模式，形成了多条射线具有相同群距离，从而产生聚焦效应（由于多条路径回波落在同一群距离内，能量显著增强）；当仰角进一步增大时，射线将穿透电离层，无回波.

由于高低角传播模式的存在，同一群距离可能包含不同仰角的射线，每条射线具有不同相路径，从而使同一群距离上出现不同多普勒频率（即“弯钩”现象）成为可能.

2 返回散射定频多普勒谱仿真

2.1 时变电离层

准抛物电离层模型提供了电离层电子浓度静态模型，为仿真获得电离层变化多普勒信息，需要建立电离层电子浓度时变模型.

从电子浓度表达式（1）看出，影响电离层电子浓度的参量包括电离层底高rb、峰高rm和临频fo，因此时变电离层模型可通过建立上述三个参量的时变函数实现，本文建立线性时变关系如下：

式中：rb0、rm0、fo0分别为电离层底高、峰高和临界频率初始值；vb、vm、vf分别为电离层底高、峰高和临频变化速度.

2.2 高频返回散射定频多普勒谱

电离层引起的多普勒频移fd可以通过时变电离层引起的相路径变化计算获得，即

高频返回散射回波除受电离层运动产生多普勒频移外，还受到海面散射运动特性影响，对于回波较强的一阶海杂波，其多普勒频移由下式给出［9］：

式中，f为返回散射探测工作频率，单位为MHz.

假设电离层电子浓度存在变化，依据公式（8）计算电离层射线多普勒频移，同时叠加一阶海杂波多普勒频移，结果如图3所示.从图3可以看出明显的“弯钩”现象.通过对不同多普勒点的射线进行分析，结果表明，“弯钩”现象主要由电离层高低角传播以及电离层电子浓度变化引起，低仰角射线多普勒频率较小，高仰角射线多普勒频率较大，从而产生“弯钩”形状.

图3 仿真获得的具有“弯钩”形状的多普勒谱图

3 不同电离层参数“弯钩”特性

3.1 电离层不同参数变化影响分析

前文分别建立了电离层底高rb、峰高rm和临频fo三个参量的时变函数，为分析不同参量变化形成“弯钩”的不同，设置其中一个参数值随时间变化，其他两个参量不变，结果如图4所示（为显示方便，仅以负一阶海杂波为例进行分析，下同）.从图4可以看出：三个参数变化均会产生“弯钩”现象，但三者形成的“弯钩”多普勒频移具有明显不同：底高变化速度vb为正值时，即底高向上运动时，“弯钩”方向朝向负多普勒方向，但非“弯钩”部分则朝向正多普勒方向偏移；峰高变化速度vm为负值时，即峰高向下运动时，“弯钩”方向朝向负多普勒方向，非“弯钩”部分也朝向负多普勒方向偏移；当临频变化速度vf为正时，即最大电子浓度增加时，“弯钩”方向朝向负多普勒方向，但非“弯钩”部分无多普勒偏移.

3.2 电离层参数变化速度影响

为分析电离层参数变化速度对“弯钩”影响，对不同峰高速度vm进行分析（其他参数不变），图5分别给出了不同峰高变化速度下返回散射定频谱图仿真图.从图5可以看出：电离层峰高正速度时，“弯钩”朝正多普勒方向偏移；负速度时，“弯钩”朝负多普勒方向偏移；电离层峰高速度越大，“弯钩”部分及非“弯钩”部分多普勒频率偏移越大，但“弯钩”距离延伸基本差异不大.

通过对电离层底高变化速度vb和临频变化速度vf的分析表明，其变化特性基本与峰高变化相同.

图4 三个参量变化形成的“弯钩”多普勒谱图

图5 不同电离层速度返回散射多普勒谱图

3.3 电离层参数初始值影响分析

电离层底高、峰高和临界频率是描述电离层状态的重要参数，分别更改时变函数中三个参量的初始值rb0、rm0，fo0，其他参量不变，对返回散射定频谱图进行仿真，图6～8给出了峰高变化速度为－1 m／s，底高和临界频率变化速度为零，不同电离层参数初始值变化的仿真结果.

从仿真结果可以看出，电离层参数初始值变化对“弯钩”现象影响明显：

图6 电离层不同底高多普勒谱图

图7 电离层不同峰高多普勒谱图

图8 电离层不同临界频率多普勒谱图

1）电离层参数初始值变化主要影响“弯钩”出现的距离位置；

2）电离层底高和峰高初始值变化对“弯钩”多普勒偏移影响不大，而电离层临频初始值对多普勒频移具有明显影响.

3.4 与实测“弯钩”对比

为分析图1实测“弯钩”现象对应的电离层电子浓度变化情况，调整电离层电子浓度模型中相关参数，获得电离层定频多普勒仿真图，并与实测“弯钩”现象进行比较，使两者较为吻合，结果如图9所示，获得的电离层电子浓度参数为：rb0＝160km，rm0＝240km，fo0＝7MHz，vb＝1m／s，vm＝－1m／s，vf＝0.01Hz／s.

仿真结果表明，实测获得的“弯钩”现象不是电离层电子浓度表达式中某单一参数变化造成，而是多个参数综合变化结果，表现为电子浓度的复杂变化.

上述对比方法为电离层电子浓度变化反演提供了一种参考思路.

图9 仿真多普勒谱线（白色线）与实测图对比

4 结 论

本文在建立时变电离层模型基础上，利用射线追踪技术，对高频返回散射定频探测回波谱中一种具有“弯钩”形状的地海回波进行仿真，在此基础上对该现象的成因及变化特性进行了分析.结果表明该现象主要由电离层高低角传播及电离层电子浓度变化引起，电离层参数变化对“弯钩”存在显著影响.

［1］周文瑜，焦培南.超视距雷达技术［M］.北京：电子工业出版社，2008.

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