船载高频地波雷达海面电磁散射及风向提取研究

摘要

高频地波雷达(HFSWR)已经在早期预警和海态遥感领域得到了广泛的应用，它所发射的3~30MHz垂直极化电磁波可以沿海洋表面传播。由于海洋是良导体，高频电磁波具有较小的传播损耗特性。相比于传统的监测手段，如浮标、风速计、微波雷达，高频地波雷达可以对目标和海面进行不间断的、全天侯的、实时的超视距监测。
　　根据雷达所处平台的位置，高频地波雷达可分为岸基高频地波雷达和船载高频地波雷达两种。由于岸基雷达大多沿海岸线分布，所以岸基高频地波雷达的有效作用范围大多被限定在近海海域。船载高频地波雷达除具有岸基高频地波雷达的优点外，还具有灵活机动性，可进一步地扩大雷达的适用范围。
　　了解海面回波多普勒谱的特性将有助于高频地波雷达在目标检测与海态遥感领域的理论和应用研究。但是现有的文献中关于一阶、二阶海面电磁散射特性的研究大多是针对岸基高频地波雷达的，船载高频地波雷达海面散射特性的研究较少，本文对此进行了深入研究。此外，基于一阶海面回波谱的空–时分布特性及展宽机理，本文还研究了船载高频地波雷达进行海面风向提取的可行性。
　　首先研究了岸基双基地高频地波雷达和船载高频地波雷达的一阶海面回波多普勒谱空–时分布特性。为了研究一阶海面回波谱的展宽特性，我们建立了双基地高频地波雷达一阶海面回波多普勒谱的空–时分布特性及展宽模型。仿真实验及外场实测数据进一步验证了本文所提出的双基地雷达一阶海面回波多普勒谱的空–时分布模型。此外，结合实际接收阵列的波束宽度，我们研究了匀速直线运动情况下的船载高频地波雷达一阶海面回波多普勒谱的空–时分布特性及展宽模型。该部分的理论分析为后续章节中所推导的船载高频地波雷达一阶、二阶海面散射截面积方程提供了理论基础与验证手段。
　　从高频电磁波海面散射的角度，通过对时域场强方程进行自相关处理及傅里叶变换过程，我们推导了匀速直线运动情况下的船载高频地波雷达一阶海面散射截面积方程。该方程反映了船载高频地波雷达一阶海面回波谱的空–时分布特性，进一步地验证了Xie等人所提出的一阶海面回波谱的展宽机理。同时，该方程可以理解为由于平台匀速直线运动的影响，导致Barrick或Walsh等人的岸基推导结果发生了频谱展宽现象。
　　基于“流体力学”及“角反射”两种散射机理，建立了匀速直线运动情况下的船载高频地波雷达二阶海面散射截面积方程。通过仿真实验研究了雷达系统参数及海洋表面状态参数对二阶海面回波多普勒谱的影响。本文所推导的一阶、二阶海面散射截面积方程均可退化为已有的Barrick或Walsh等人所提出的岸基单站结果。
　　在真实的海洋环境中，由于船载平台与海洋环境的相互作用，如海浪、海风、洋流等，雷达海面回波谱的特性更为复杂。为了分析与研究海面回波谱的特性，本文推导了平台漂浮运动及匀速运动共存情况下的船载高频地波雷达一阶、二阶海面散射截面积方程，这里同时考虑了平台的匀速直线运动与漂浮运动的影响。
　　基于船载高频地波雷达一阶海面散射截面积方程，我们分析了船载高频地波雷达进行海面风向提取的可行性，并提出了一种无模糊的海面风向反演方法。不同于基于大型接收阵列的岸基高频地波雷达海面风向提取方法，本文基于船载高频地波雷达一阶海面回波谱的空–时分布特性和展宽模型，利用单个接收天线即可实现对不同方位海域的海面风向进行提取。相比于岸基高频地波雷达方法，该方法可以提供更高的横向分辨率，具有方便简单、系统造价低等特点。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 高频地波雷达发展概述

1.3 高频地波雷达海面回波多普勒谱及海面风向提取研究综述

1.4 本文主要内容

第2章 高频地波雷达一阶海面回波多普勒谱分布特性

2.1 引言

2.2 高频地波雷达一阶海面回波多普勒谱产生机理

2.3 岸基双基地高频地波雷达一阶海面回波谱分布特性

2.4 船载高频地波雷达一阶海面回波谱分布特性

2.5 本章小结

第3章 船载高频地波雷达一阶海面散射截面积方程

3.1 引言

3.2 岸基高频地波雷达一阶海面散射截面积方程

3.3 船载高频地波雷达一阶海面散射截面积方程

3.4 船载高频地波雷达一阶海面回波谱仿真及分析

3.5 本章小结

第4章 船载高频地波雷达二阶海面散射截面积方程

4.1 引言

4.2 岸基高频地波雷达二阶海面散射截面积方程

4.3 船载高频地波雷达二阶海面散射截面积方程

4.4 船载高频地波雷达二阶海面回波谱仿真及分析

4.5 本章小结

第5章 漂浮运动对海面回波谱的影响

5.1 引言

5.2 漂浮状态下船载高频地波雷达一阶海面散射截面积方程

5.3 漂浮状态下船载高频地波雷达二阶海面散射截面积方程

5.4 漂浮状态下船载高频地波雷达海面回波谱仿真与分析

5.5 本章小结

第6章 船载高频地波雷达海面风向提取

6.1 引言

6.2 岸基高频地波雷达海面风向提取

6.3 船载高频地波雷达海面风向提取

6.4 船载高频地波雷达海面风向提取仿真及分析

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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