浅谈海洋天气中的杂波现象

浅谈海洋天气中的杂波现象

0大气导数、能量杂波脉冲压缩体系通常用于现代雷达，该系统对海拔高度的无序波起到了一定的作用。脉压体制的雷达再配以其他反杂波措施,进一步削弱了海杂波的干扰。然而,对于架设高度较低的岸基雷达,人们常常发现一个奇怪的现象:多云及阴雨天时,雷达显示器上的画面干净清晰;在晴天尤其雨过天晴时,显示器上却满屏杂波。而对于这种杂波,采用各种反杂波手段均得不到较好的效果。经过大量的试验表明,这种晴天时大量杂波干扰的现象是由于大气波导现象造成的。由于大气波导的作用,雷达发射的电磁波经过多次反射,碰到雷达视距以外的地物等再经多次反射而接收。由于经过多次反射的地杂波频谱很宽,目前为止还没有找到一种办法来彻底消除其影响,但通过对这种现象的研究,采取一些措施可以在一定程度上降低其影响。1大气滤波m在正常大气折射条件下,雷达受地球曲率的影响,限制了其探测距离。这种限制称作雷达视距,如图1所示。如果雷达天线的高度为hr,目标的高度为ht,则雷达视距为Rh≈4.12(hr(m)−−−−−√+ht(m)−−−−−√)(km)Rh≈4.12(hr(m)+ht(m))(km)(1)然而,当出现异常天气时,电磁波的传播不完全是直线,因此出现了超视距现象。很多文献对大气波导进行了阐述,总的结论是海洋上空存在大气波导的气象条件。大气波导主要包括悬空波导(也称为抬升波导)、表面波导(也称为接地波导)及蒸发波导。大气波导的结构和特征如图2所示。图中,M为修正折射率(M=N+h/R×106,N为折射率,R为地球半径);h为离地高度;Wδ为陷获层厚度;WD为波导厚度;hd为波导高度;△M为波导强度。(1)d不为零原理悬空波导是下边界悬空的大气波导,如图2(a)所示,hd不为零。它一般发生在3000m高度以下的对流层低层大气中,通常是由一个悬空陷获层叠加到一个悬空基础层之上而构成。悬空波导的下边界高度一般距地面数十米或数百米。(2)表面导电磺素合成的表面弹性下边界接地(即hd为零)的波导称为表面波导。这种波导的特点是陷获层上部的大气修正折射率比贴近地面的的大气修正折射率小,如图2(b)所示。(3)共传导性机制蒸发波导是特殊的表面波导,是海面蒸发水分形成的,使海面的上空出现对流层。这种对流层对电磁波有折射作用,电磁波在对流层与海面之间的传播特性类似于波导。正是这种原因使电磁波限制在一定厚度的大气薄层内传播,即沿海面传播。蒸发波导高度随地理纬度、季节、一天内时间等而变化,通常在低纬度海区的夏季白天的蒸发波导的高度较高。影响蒸发波导高度变化的因素有大气温度、气海温差和水平风速,其中大气温度是最主要的。2发射和接收天线的噪声由于蒸发波导出现的概率较大,而且发生蒸发波导的高度在40m以下的海面上,所以蒸发波导对舰载雷达及架设高度较低的岸基雷达会产生影响。自由空间条件下雷达作用距离为Rmax=[PtGtGrσλ2F2tF2r(4π)3(S/N)minkTSBnL]1/4Rmax=[ΡtGtGrσλ2Ft2Fr2(4π)3(S/Ν)minkΤSBnL]1/4(2)式中,Pt是发射信号的功率,Gt和Gr分别是发射天线的功率增益和接收天线的功率增益,Ft为从发射天线到目标的方向图因子,Fr为从目标到接收天线的方向图因子,σ为雷达目标截面积,λ为波长,(S/N)min为满足一定虚警概率和检测概率条件下所需要的最小信号噪声功率比,k为波尔茨曼常数,Bn为接收机检波前滤波器的噪声带宽,L为系统损耗。如果雷达发射和接收共用一个天线,则Gt=Gr=Gi;当目标位于发射和接收天线波瓣图的最大值方向时,Ft=Fr=1,则式(1)可以简化为Rmax=[PtG2σλ2(4π)3(S/N)minkTSBnL]1/4Rmax=[ΡtG2σλ2(4π)3(S/Ν)minkΤSBnL]1/4(3)然而,雷达受大气波导的影响下,其作用距离已不能用经典的雷达方程来表示了。目标在波导层以下和波导层以上情况大不相同。(1)探测海底目标的距离目标在波导层以下时,由于波导效应,其电磁波功率的衰减大大缓慢,则其作用距离为Rmax=[PtG2σλ2(4π)3(S/N)minkTSBnL]aRmax=[ΡtG2σλ2(4π)3(S/Ν)minkΤSBnL]a(4)此时a的值大于1/4,甚至大于1/2,因此大大提高了探测海面目标的距离,同时海杂波的干扰也大大加重。(2)衰减因子la的引入对于高度超出波导层的目标,由于发射和接收波束都需穿透对流层,会受到不同程度的衰减,因此引入了衰减因子La。式(2)变为Rmax=[PtG2σλ2(4π)3(S/N)minkTSBnLLa]1/4Rmax=[ΡtG2σλ2(4π)3(S/Ν)minkΤSBnLLa]1/4(5)衰减因子La的引入大大降低了对空目标的探测距离,也增加了对空的盲区。因此,大气波导对雷达的影响是:在波导顶形成电磁盲区,大大降低了对空目标的探测距离,加重了海及地物杂波的干扰,增加了测高、测角、测距及测速的误差,对波导内海面目标的探测不受视距限制。3大气微波现象俄罗斯及欧美等国已利用大气波导现象成功研制出超视距雷达,国内近几年开始进行大气波导对雷达影响的研究,并研制出超视距雷达。与常规雷达不同,这种超视距雷达需要进行距离修正。出现大气波导现象时,电磁波的传播会出现多种轨迹,轨迹如图3所示。除标准折射外,在波导层内及标准折射以下为超折射,在标准折射以上是次折射和负折射。正是超折射效应使雷达电磁波“陷落”,形成环绕地面(海面)的大气波导现象,从而使雷达能够探测到视距以外的目标和杂波。大气波导现象对舰载雷达的影响主要从两个方面考虑。对于低空和海面目标,由于波导现象,电磁波在大气波导内传播不但不受地球曲率的影响而出现超视距现象;对于中高空目标,由于电磁波穿透大气波导层导致能量大量衰减,从而使对空威力大大降低,但海及地物杂波却大大增加。可以利用大气波导现象使舰载雷达达到超视距探测的效果。关于微波超视距雷达距离解算的问题,国内外有很多学者进行了研究。然而,出现大气波导现象时,电磁波的传播是多路径的,而且不同地区不同季节等情况是不同的,因此不可能有一个统一不变的解算公式。经过大量的实验表明,对于海面目标来说,如果不进行距离修正,误差并不大,最大误差在5%以内。为进一步提高微波超视距雷达的测距精度,需要将雷达技术与气象学相结合。经过长期实验得出距离修正的算法,理想的距离修正算法与雷达