高频天/地波雷达海面风向、洋流反演试验研究

丁锋 李吉宁 杨龙泉 李雪

(1.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心,青岛 266003;2.中国电波传播研究所,青岛 266107)



高频天/地波雷达海面风向、洋流反演试验研究

丁锋1李吉宁2杨龙泉2李雪2

(1.青岛市气象灾害防御工程技术研究中心,青岛 266003;2.中国电波传播研究所,青岛 266107)

高频天/地波雷达是近年来提出的一种新的雷达探测体制,其海杂波包含丰富的海态信息.为研究该体制雷达在海态探测中的应用,在海面风向、洋流反演方法研究基础上,利用高频天/地波探测试验系统开展海态反演试验研究，依据接收到的海杂波信息,获得海面风向和径向洋流信息,并与海上实测资料进行对比.对比试验结果表明两者具有较好的一致性，高频天/地波雷达用于海洋状态观测具有一定的可行性.

高频天/地波雷达;海杂波;海面风向;海面洋流

DOI 10.13443/j.cjors.2015091001

引 言

常规高频超视距雷达主要包括两种,一是利用电离层反射实现远距离探测的天波超视距雷达[1],其探测距离在3 000 km以上,具有探测距离远、覆盖面积大等优势,但受电离层相位扰动影响,探测精度有限;二是利用垂直极化电磁波沿海面绕射传播的地波超视距雷达[2],其探测距离最远可达400 km,具有探测精度高、实时性强等优点.目前,在地波超视距雷达海洋观测方面国内外开展了大量研究工作,已形成产品;天波超视距雷达海洋气象研究尚处于试验研究阶段．

通常,两者都是单独工作,近年来提出了一种利用天波和地波组合进行探测的新体制雷达——高频天/地波雷达,其利用天波发射站辐射电波信号,经电离层反射到海面,海面散射信号沿海面绕射传播,被前方接收设备接收,实现对海面目标及海洋环境探测[3].它是一种较为新型的海洋探测技术,可实现在天波发射辐射源照射能量范围内(数百万平方千米),多个地波接收点机动灵活设置或组网,提高大面积海洋表层动力环境监测能力.

与常规高频雷达(包括天波超视距雷达和地波超视距雷达)相似,该体制雷达会接收到大量海面散射回波,称之为海杂波.美国学者D.E.Barrick对高频海杂波开展了深入研究,研究表明高频雷达海杂波主要包括一阶海杂波和二阶海杂波,并给出了海杂波散射截面方程[4],在此基础上,指出高频海杂波包含有丰富的海面状态信息,并开展了海态参数反演研究[5].

针对高频天/地波雷达,文献[6-7]对该探测体制的探测能力、可行性、定位方法等进行了研究；文献[8-9]对该体制探测的一阶海杂波特性进行了理论及试验分析.

与地波雷达不同,高频天/地波雷达探测获得的海杂波信息还受到电离层传播效应(多普勒频移、展宽、多模等效应)、双基地、擦地角等要素影响,使得海态反演较地波雷达海态探测更复杂.如何有效消除电离层调制、双基地等要素的影响,是海态反演的关键.

本文尝试对高频天/地波雷达用于海态反演的可行性及面临的主要困难进行分析.利用一阶海杂波试验数据及海上实测资料,开展了海面风向和径向洋流反演研究.

1 海面风向、洋流反演原理

1.1 海面风向反演方法

对于单基地高频雷达而言,一阶海杂波位于 0 Hz对称的两侧(分别为正一阶海杂波和负一阶海杂波),分别对应于背向波束方向和沿着波束方向的两列海浪.由于这两列浪的波长等于高频电波波长的一半,属于短浪,由海洋动力学可知,短浪对风的响应较快,且主效传播方向与风向相同.因此两个一阶峰的强度大小反应了海面风向,即当正的一阶峰大于负的时,表现为风向背向波束方向,当相反时则表现为风向沿波束方向,两个峰值相同时,风向横向于波束,关系如图1所示.

图1 一阶峰相对大小与风向关系示意图

而对于高频天/地波雷达,属于双基地雷达,两个一阶峰相对关系反映的不再是相对于接收波束的夹角,而是相对于双基地角平分线,即当正的Bragg峰大于负的时,表现为风向背向双基地角平分线方向,当相反时则表现为风向沿双基地角平分线方向,两个峰值相同时,风向横向于双基地角平分线方向.

为进一步量化夹角θ与两个峰比值R的关系,文献[10]给出了对数模型:

R=20lg(0.5674+0.5cos (2θ))+23.426.

(1)

从式中可以看出,从雷达回波中只能得到风向与雷达的夹角,而至于这个夹角是在雷达的左侧还是右侧还无法判断,称之为风向“左右模糊”问题.

针对该问题,文献[11]利用相邻波束风向相似性,消除风向模糊,该方法为地波海态监测雷达成熟算法,文本采用同样方法进行处理.

1.2 径向洋流反演方法

(2)

图2 有洋流时的多普勒一阶峰偏移示意图

对于高频天/地波雷达而言,一阶海杂波多普勒理论值为[6]:

(3)

式中: β为双基地夹角; Δfi为电离层引起的多普勒偏移.从式中可以看出,高频天/地波雷达一阶海杂波不仅与系统工作频率f0有关,还与双基地夹角β和电离层多普勒频移Δfi有关,由于探测不同距离,所对应的双基地角β在变化,因此对于某一固定接收波束上,一阶海杂波多普勒不再固定,而是随距离在变化.

与海面风向反演中的波束指向相同,这里的径向速度也不再是指接收波束指向,而是相对双基地夹角平分线的指向.

1.3 电离层影响及应对措施

高频天/地波雷达电波路径经一次电离层传播,电离层特性会对海杂波产生显著影响,主要包括两种,一是电离层运动引起的海杂波展宽、频移(电离层非线性运动引起海杂波展宽,线性运动引起频移,两种运动共同作用);二是电离层的分层特性引起的多模传播.

在电离层比较平稳时,一般在较短的时间内(10 s以内),电离层可以被近似认为做匀速运动,经其传播的电波相位路径呈线性变化,仅产生频偏;但当作较长时间的相关积累时(30 s以上),电离层不再能近似为匀速运动,经其传播的电波相位路径呈现非线性.信号的相关积累时间越长,其海洋回波的展宽越严重.通常而言,海杂波展宽、频移对于提取一阶海杂波幅度影响不大,因此对风向提取影响可以忽略.

电离层运动中的线性分量,引起多普勒偏移与洋流引起的多普勒偏移混叠在一起,很难分离,严重影响洋流提取.因此如何避开和消除电离层运动引起的失真成为提取径向洋流的关键.

电离层多模传播主要影响是电离层E层传播和F层传播混叠,造成相互影响,相互干扰.

为降低电离层对海态反演影响,采取的措施主要包括:

1) 利用临近的陆地或岛屿回波作为零多普勒基准,分离电离层运动和洋流运动;

2) 利用电离层实时诊断系统,协助雷达选择最佳工作频率,降低多模传播影响;

3) 利用E层或Es层出现的稳定电离层来探测;

4) 利用电离层传播直达波信号作为零多普勒进行校准.

本文试验数据主要采用E层或稳定Es层传播数据进行反演,同时利用直达波进行电离层多普勒偏移校正,并通过选择单模传播频率,降低电离层多模传播影响.

2 试验分析

2.1 试验概况

高频天/地波雷达发射系统位于河南省新乡,地波接收系统位于山东省青岛.两地相距约600 km,发射站-接收站点连线东偏北79.57°.青岛配备电离层斜向探测设备,用于获取电离层信息.海上测量船定点测量海上风速、风向、洋流、浪高等信息,其中A点、B点、C点各测量一天.图3为高频天/地波试验系统示意图.

试验系统发射功率为50 kW,接收站为8通道阵列接收,两站利用GPS同步.信号采用线性调频连续波,工作带宽为40 kHz.

2.2 一阶海杂波提取方法

由于电离层及洋流运动导致一阶海杂波会偏离其理论计算位置,因此,为提取获取一阶海杂波信息,采用以下步骤:

1) 首先根据探测回波信号强度确定直达波多普勒位置,对海杂波位置进行校准;

2) 依据雷达工作频率和双基地夹角,利用公式(3)确定一阶海杂波多普勒理论位置;

3) 在一阶海杂波理论多普勒频率内侧0.2倍,外侧0.4倍范围内搜索最大值作为两个一阶海杂波值,记录其幅度和多普勒值.

图4给出了自动判别出的海杂波结果,红色圆圈表示实际提取值.

利用判断出的一阶海杂波两个幅度相减获得两个一阶峰比值R,同时取两个一阶峰多普勒和的一半与直达波多普勒频移进行比较获得多普勒频移值.

2.3 海面风向反演

利用提取获得的海面一阶海杂波峰比值R,利用1.1节海面风向反演方法,以及计算获得的双基地角平分线指向和坐标变换系数,可反演获得海面风向图,某时刻风向反演结果如图5所示.

为分析反演风向数据误差,将其与实测数据进行对比,结果如图6所示,详细误差如表1所示.

图3 高频天/地波探测试验示意图

图4 一阶海杂波参数提取图

图5 反演获得的海面风向反演图

图6 海面风向提取对比图

海态参数平均绝对误差均方根误差数据样本风向/(°)24.6828.71110径向流/(cm/s)14.6917.42174

试验结果表明海面风向反演与实测数据基本吻合.

2.4 海面径向洋流反演

利用提取的一阶海杂波多普勒偏移,以及获得的双基地角平分线指向和坐标变换系数,利用1.2节给出的径向洋流计算方法获得海面径向洋流,某时刻的结果如图7所示.

将反演获得的海面径向洋流与实测洋流(转化为对应的径向洋流)进行对比,结果如图8所示.

图7 反演获得的海面径向洋流图

图8 海面径向洋流对比图

从图中可以看出,反演获得海面径向洋流变化趋势上与实测数据基本一致(具体误差分析如表1所示),但存在较大的起伏,这主要是由于电离层随机变化引起.

3 结 论

本文利用高频天/地波体制雷达试验数据开展了海面风向、洋流反演研究,试验反演获得风向均方根误差为28.7°,径向洋流均方根误差为17.4 cm/s,试验结果表明利用高频天/地波雷达进行海面风向、洋流反演具有一定的可行性.

由于受电离层影响和试验系统规模制约,目前,获取的海态参数有限,提取误差也较大,有待进一步完善试验系统,提高海态参数反演精度.

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The experimental research on remote the wind direct and radial current in HF hybrid sky-surface wave radar

DING Feng1LI Jining2YANG Longquan2LI Xue2

(1.QingdaoEngineeringTechnologyResearchCenterofMeteorologicalDisasterPrevention,Qingdao266003,China; 2.ChinaResearchInstituteofRadiowavePropagation,Qingdao266107,China)

A new kind of radar system is proposed namely as high frequency sky-surface radar(HFSSR) in recent years, and the sea clutter obtained by HFSSR contains information of the sea state. For the application research of the radar in the sea state detection, sea surface wind direction and radial current information are got using HFSSR based on the existing wind direction and ocean currents inversion methods. The results are compared with the data measured by the shipboard, and have good consistency. The experimental results show that sea state obtained by HFSSR has certain feasibility.

HF hybrid sky-surface wave radar; sea clutter; windy direction; ocean current

10.13443/j.cjors. 2015091001

2015-09-10

国家自然科学基金(61302006, 61032011, 61331012)

TN01

A

1005-0388(2016)04-0755-05

丁锋 (1970-),男,安徽人,高级工程师,气象学博士,主要从事海洋气象、短期气候预测和应用气象技术等研究.

李吉宁 (1982-),男,山东人,硕士,中国电波传播研究所工程师,主要研究方向为电离层电波传播、高频雷达、信号处理等.

杨龙泉 (1980-),男,山东人,毕业于中国电波传播研究所,高级工程师,主要从事电波传播、新体制雷达研究.

李雪 (1981-),男,黑龙江人,高级工程师,博士,主要研究方向为电离层回波信号处理、雷达信号处理等.

丁锋, 李吉宁, 杨龙泉, 等.高频天/地波雷达海面风向、洋流反演试验研究[J]. 电波科学学报,2016,31(4):755-759.

DING F, LI J N, YANG L Q，et al. The experimental research on remote the wind direct and radial current in HF hybrid sky-surface wave radar [J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):755-759. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015091001

联系人： 李吉宁 E-mail: ljnsf@126.com