高频地波雷达电离层回波机理及应用研究

发布时间：2020-11-19 05:16

　　 高频地波超视距雷达(HFSWR)利用3-30MHz频段垂直极化电磁波可沿海面绕射传播的物理特性,实现了对超地平线外海空目标的兼容探测,同时还具备海态遥感功能。然而雷达回波中的电离层回波往往占据大量距离-多普勒单元,并且常抬高目标检测基底,是影响雷达系统目标探测性能和海态遥感精度的关键因素,因此已有众多基于雷达信号处理的算法将电离层回波当作杂波抑制进行研究。电离层回波不仅与雷达参数有关,还与电离层本身独有的分布特性有关。很大程度上,电离层回波抑制技术取决于对其物理机制的理解,因此加深拓宽对电离层回波内在机理的科学认识,将有助于电离层回波抑制技术的突破,切实提升超视距雷达系统性能。另外电离层回波源自电离层对高频电磁波的散射,自然蕴含着电离层状态信息。HFSWR的多普勒分辨率较高,而且可长时间对电离层进行连续观测,故可探测到精细的电离层分布结构和扰动状态。本文拟以电离层回波作为有用信源,深入探索电离层回波产生的物理机制过程,建立电离层回波与等离子不规则体、行进式电离层扰动(Traveling ionospheric disturbances,TIDs)之间的数学模型,进而估计电离层特征参数,并对我国东海和渤海台风期间电离层扰动响应开展探索性研究。全文主要内容如下:1、研究分析电离层中最基础的化学反应机理及HFSWR联合垂测仪观测电离层回波特性。首先概述了电离层分层结构、大气成分和离子化学反应等电离层基本物理特性,尤其重点研究了描述离子损失过程基础机理的反应扩散偏微分方程组,对不同边界条件下的电子密度时空分布变化进行仿真。之后对威海HFSWR实际收发天线系统进行软件仿真,表明电离层回波传播路径与天线系统之间存在关联。最后基于HFSWR与垂测仪对电离层回波开展联合观测,深入分析HFSWR电离层回波可能存在天波后向散射传播路径、分裂为O、X特征波及随电子密度波动等分布特性,为后续电离层回波研究奠定基础。2、建立基于不规则体物理机制的HFSWR电离层广义距离方程。将电离层作为面目标与体目标,建立了HFSWR电离层回波距离探测方程,并基于高频相干散射原理对电离层RCS散射系数进行估计。之后对不同的电离层状态参数和雷达工作参数下的电离层回波功率谱进行仿真,并对不规则体空间分布进行估计。最后结合雷达实测数据对垂直反射路径E层不规则体电子密度、等离子体频率及漂移速度进行估计,并与IRI-2016模型进行比对分析。3、完善FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)/FMPCW(Frequency Modulated Pulsed Continuous Wave)体制下、后向散射传播路径电离层小尺度不规则体与HFSWR之间的数学模型。基于Walsh提出的电磁散射模型,首先拓展了FMCW/FMPCW信号体制下垂直向HFSWR电离层不规则体模型,并从数学的概率分布及电离层物理机制两个角度分别对电离层反射系数进行估计。其次,对FMCW/FMPCW斜向散射路径下电离层回波谱密度进行分析建模,并推导出中纬度斜向散射电离层不规则体相位谱密度的一般表达形式。通过全面深入的仿真,提炼出对HFSWR电离层回波强度和Doppler频移展宽起决定性作用的关键参数。最后,结合垂测仪观测数据,通过实测雷达数据估计斜向散射传播路径F层不规则体平均电子密度波动。4、基于HFSWR实测数据,开展台风与电离层的关联机理的探索性研究。首先建立FMCW/FMPCW信号体制下大尺度电离层行扰(Traveling ionospheric disturbances,TIDs)与HFSWR的理论模型。接着基于2016年东海强台风“鲇鱼”和2018年渤海台风“温比亚”期间HFSWR站实测数据,全面深入分析电离层回波在距离域、时域和Doppler域的分布特征,并观测到电离层回波时频分布中准周期正弦“S”型的TIDs特征形态,这与地球物理学对认为台风激发的重力波上传至电离层引起TIDs,以及大气结构中对流层-平流层-中间层-电离层之间可能存在耦合联动效应的物理机制研究结论一致。并且还发现台风期间HFSWR电离层回波的Doppler特性非常显著,在Doppler单元呈现“条形”均匀展宽分布形态;在台风临近距离,反而不易观测到电离层结构扰动等分布规律。本文研究成果有望加深对HFSWR电离层回波机理的科学认识,量化电离层不规则体与TIDs对HFSWR的影响,为电离层杂波抑制技术及最优工作频率选取提供新的关键理论支撑,提供新的电离层探测技术途径,并拓宽加深对地球物理现象内在关联科学规律的理解,具有重要实际工程意义和较高的自然科学研究价值。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN958
【部分图文】：

而宇宙射线只起到小部分作用。因此 D 层呈现昼晚，夏季强于其他季节。，距离地表约 90~150km，这部分主要是软 X 射线。可对10MHz以下电磁波产生反射作用，浓度大致为由电离作用和复合作用决定。夜晚 E 层浓度开始降存在的缘故。类似于 D 层，E 层电子密度也呈现偶发 E 层（Sporadic E-layer），具有尺度小、厚度薄至可对高达 225M 无线电波产生反射。Es 层可持的原因目前还在研究中，可能与该层中间薄金属原发 Es 层的高峰期，持续时间也比冬季久。以上 150~500km，这是所有层中电子密度最高的，逃逸。该层主要由电离的氧原子+O 构成，其电往往白天分裂为 F1、F2层，F1层的电子密度仅次于 F2层昼夜都存在，因此可实现天波超视距传播以

H plane E plane H plane E planed) 9MHz e) 15MHz图 2-6 对数周期发射天线方向图仿真Fig.2-6 Pattern of log periodic dipole transmitting antenna图 2-7 为工作频率为 9MHz 时，接收天线阵列方向图数值仿真。仿真参数为：天线高度为 6.5m，天线单元间距分别为1 2d 14.5m, d 8m，铜地网面积为2100 m ，网格直径 10cm。仿真结果表明：接收天线阵列在水平方向主瓣指向 0°，即面向大海方向，主瓣的零点宽度约为 30°，半波束宽度约为 10°；在俯仰方向，辐射最大值约为 70°，半功率波束宽度约为 25°。在天顶方向(0°)有-8dBi 的辐射增益。

b) H 面 c) E 面b) H plane c) E plane图 2-7 9MHz 时垂直极化接收天线阵列方向图仿真Fig.2-7 Pattern of vertically polarized antenna receiving arrays at 9MHz理论上，收发天线在天顶方向的增益均为 0。但图 2-6 和图 2-7 的仿真却表明天线零点均出现偏移，这可能主要是地网不理想引起的。实际 HFSWR 系天线均铺设了地网，其优点是除起到镜像作用使天线高度减小一半外，还电压驻波比，降低阻抗损耗，进而提高天线工作效率。但也导致天线与地耦合，从而使天线方向图指向偏移甚至畸变。图 2-8 是对有、无地网情况下，半波偶极子天线组成的 8 元均匀线阵的仿真]，天线工作频率为 8MHz，偶极子天线振子全长 L 2 18.75m，振子直 20cm，阵元间距为 d 15m，地网为正方形，边长 3 4d 172.5m。图 2-8(分别为无、有地网情况下均匀线阵 3 维方向图仿真结果，从图可见，有地网，均匀阵列方向图 E 面部分增益会变大；(c)、(d)分别为有、无地网情况下阵的 E 面和 H 面方向图。仿真表明：地网对阵列在 H 面的方向图影响较小影响 E 面，会导致 E 面出现旁瓣，辐射仰角增大，方向图上翘。
【参考文献】

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本文编号：2889756