高频雷达海洋表面电磁散射及海态遥感研究

摘要

随着海洋在国家战略中占据着越来越重要的地位，在经济建设与国防建设的发展中，对于近岸海洋动力学环境的研究需求越来越紧迫。由于实时有效地对近岸海洋动力学环境进行监测，可以为近岸海洋的生态环境提供科学的依据，并能避免由于不良的海洋动力学环境而带来的对海岸经济的重大损失，因此迫切地需要对近岸海洋遥感技术进行更加深入有效的研究。高频地波雷达是超视距雷达的一种，由于其成本相对低廉且使用方便，是近几十年发展起来的一种用于海洋环境监测的新型装备，可对海洋环境进行实时、全天候和超视距的大面积监测，其发展前途及研究价值均相当可观。世界上多个国家和地区都在高频地波雷达上进行了一些研究。高频地波雷达的海态参数提取对于实际生产应用有着重大意义，而电磁散射问题作为高频地波雷达的理论基础，是高频地波雷达能够长期发展的坚实基础。随着科学技术的发展，理论模型与实测数据的不一致对更加深入地理解与应用海洋遥感技术存在一定的限制，因此需要建立与实测数据相吻合的理论模型，对现有的理论模型进行一些补充与完善。本论文正是基于这样的课题背景，就海洋粗糙表面电磁散射回波模型进行了理论研究工作，并对海洋动力学参数的提取以及过程中的算法处理作了一些研究。本文的主要工作如下: 1、分析了海洋表面电磁散射原理，通过对海洋表面电磁散射模型进行建模，利用微扰法对经典的一阶散射截面方程进行了推导。 2、详细地对高阶布拉格散射的规律及原理进行了观察及分析，并根据海洋表面电磁散射原理，对于高阶布拉格散射模型进行了建模，然后利用微扰法推导了电磁散射截面方程。根据入射场及散射场模型，结合Maxwell方程组，以及边界条件对高阶布拉格散射截面方程进行了推导。对原有的散射模型进行了补充，并对不同的雷达工作频率下的海洋多普勒回波谱进行了仿真和模拟。 3、在单极子/交叉环的方向图公式和直线二元阵的方向图公式的基础上，推导了单极子/交叉环二元阵的方向图公式，并对单极子/交叉环二元阵的实测雷达回波数据进行了波束形成处理，并将雷达的原始回波与单个单极子/交叉环的波束形成结果，以及与对单极子/交叉环二元阵的雷达回波进行波束形成后得到的结果进行了分析比较。 4、利用高频地波雷达OSMAR-S在布拉万台风期间的观测数据，对于特殊天气情况下即台风天气中的高频地波雷达回波谱进行了分析，对台风到达前，台风到达中以及台风离开后海洋的回波距离多普勒谱呈现出不一致性这一问题进行了详细的观察与分析。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1选题的背景与意义

1．1．1研究意义

1．1．2国内外的研究历史及现状

1．2高频地波雷达的发展历史与现状

1．3本文的主要研究内容及结构安排

第二章一阶散射截面方程

2．1海面的描述及基本概念

2．1．1海浪基本概念

2．1．2常用海浪谱模型

2．1．3方向函数

2．2一阶散射模型建立

2．2．1粗糙散射截面

2．2．2微扰法

2．2．3散射模型建立

2．3一阶散射截面推导

2．3．1微扰法求解电场磁场

2．3．2求解一阶散射截面

2．4本章小结

第三章高阶布拉格散射截面方程

3．1高阶布拉格散射概念

3．1．1 Bragg Scatter

3．1．2高阶布拉格散射

3．2二阶布拉格散射截面方程推导

3．2．1模型建立

3．2．2微扰法求解电场磁场

3．3三阶布拉格散射截面方程推导

3．3．1散射模型建立

3．3．2散射截面方程求解

3．4高阶布拉格散射截面方程推导

3．4．1高阶散射截面公式

3．4．2 N阶散射截面公式

3．5仿真结果

3．6本章小结

第四章二元单极子／交叉环天线阵波束形成

4．1波束形成基本概念

4．1．1均匀线阵

4．1．2波束宽度

4．2二元单极子／交叉环天线阵DBF公式推导

4．2．1二元单极子／交叉环天线阵

4．2．2二元单极子／交叉环天线阵DBF

4．3仿真结果

4．3．1单极子／交叉环天线方向图

4．3．2二元单极子／交叉环天线阵方向图

4．4实测结果

4．4．1方向图结果

4．4．2雷达回波DBF结果

4．5本章小结

第五章台风期间雷达回波分析及风向反演

5．1台风基本概念

5．2布拉万台风

5．2．1布拉万台风时间及路径

5．2．2布拉万台风参数计算

5．3高频地波雷达回波分析

5．3．1台风到达前

5．3．2台风到达中

5．3．3台风全过程

5．4风向反演

5．5本章小结

6．1全文总结

6．2工作展望

附录

参考文献

攻读博士期间获得的科研成果

致谢