一种基于p-j模型的超视距雷达最大探测距离预报方法

一种基于p-j模型的超视距雷达最大探测距离预报方法

蒸发波是通常用于海面的一种常见现象。在这种情况下，战舰或岸基探测雷达通常会探测海洋或低地目标的超视距。随着海上蒸发波的概率高、持续时间长、覆盖范围广，因此，利用海上蒸发波现象积极探测海上雷达的超视距现象已成为现代雷达技术发展的一个新方向。基于上述原理，岸基或旧雷达系统在海上监视和勘探中发挥着越来越重要的作用。岸基波采集线不仅受目标特性和自身雷达参数的影响，而且受工作区环境的影响。蒸发波环境是决定雷达最大探测距离的主要因素之一。由于时间和空间的周期性变化，即使确定了已知特性的目标，探测雷达的效率也会发生变化。结果表明，岸基波采集线是评价雷达最大距离的基本方法，建立了相应的系统，可以为雷达合理使用提供辅助决策依据，充分发挥探测效率。在本主题中，提出了一种基于岸基微波探测距离雷达的最大探测距离预测方法，并对系统进行了实施和实验验证。1微波超视距雷达最大探测距离预报系统电磁波在蒸发波导内传播,传播路径产生弯曲,传播损耗小于其在自由空间传播时的传播损耗,雷达对目标的最大探测距离取决于电磁波在蒸发波导内传播时的传播损耗.因此,要预测雷达对目标的最大探测距离,须监测海上蒸发波导发生情况,计算电磁波在蒸发波导内的传播损耗,最后利用雷达距离方程得出雷达对目标的最大探测距离.构建微波超视距雷达最大探测距离预报系统,如图1所示.1.1p-j模型简介应用最广泛的蒸发波导预报模型是PaulusJeske模型(简称P-J模型).P-J模型的输入主要有海面6m高处的大气温度、相对湿度、风速以及海水表面温度.在上述气象参数已知的情况下,P-J模型中蒸发波导高度d可利用下述公式计算得到.临界位评估式中:L′为Monin-Obukhov长度;ΔNp=Np(z1)-Np(z0),Np=(A/θ(z))(p0+Cep(z)/θ(z))为海面高度z处的位折射率,θ为位温,ep为位水气压,p0为参考大气压,取100kPa;B=ln(z1/z0)+β(z1-z0)/L′;z1为参考高度,一般取为6m;z0为海面粗糙高度,取0.15mm;b为临界位折射率指数,b=-0.125m-1;A,C和β为比例常数,A=0.776K/Pa,C=48.10K/Pa,β=5.2.z1/l为稳定度修正函数式中:α=4.5为比例常数;D=ln(z1/z0)-Ψ(z1/L′),Ψ(z1/L′)为稳定度修正函数,可以通过Lumley和Panofsky给出的KEYPS廓线进行逐段线性拟合得到.得到蒸发波导高度d后,计算大气折射率在高度上的垂直分布,即大气折射率剖面式中:z为高度;Φ(·)为普适函数,根据大气层结情况取值.1.2能量分布模型对电磁波而言,由于大气湍流的存在,对流层是一种复杂传播介质.而当海面大气出现蒸发波导时,影响电磁波传播的主要因素———大气折射率不但在高度上变化,而且水平分布也是不均匀的.此时,计算电磁波在对流层中传播时场的分布情况主要采用抛物方程(parabolicequation,PE)模型.PE模型是亥姆霍兹波动方程的抛物型近似,平坦地面电磁波传播的抛物方程模型为式中:x为距离;k为自由空间波数;n(x,z)为大气折射率指数;u(x,z)为电磁场分量的幅度或损耗函数.PE的分步傅里叶解为式中F(·)表示傅里叶变换,p为角谱域变量,x为空间域水平距离变量.解抛物方程时,将天线处的场强作为初始场强,根据上下边界条件,利用上式进行迭代计算得到全计算区域的场值分布,具体解法可参考文献.得到空间各点场的分布后,空间各点的电磁波传播因子1.3微波超视距雷达距离的计算蒸发波导条件下,电磁波传播损耗是距离和高度的函数,海面舰船目标也不能视为理想点目标,须要考虑其雷达截面积(RCS)在高度上的不均匀分布,因此计算微波超视距雷达对海上舰船目标的最大探测距离时,采用下列修正形式的雷达距离方程式中:Pr为接收机接收功率;Pt为发射机发射功率;G为雷达天线增益;σ为目标的雷达截面积;λ为工作波长;R为目标与雷达距离;Ls为系统损耗;La为大气吸收损耗;p(z)为目标RCS在垂直高度上的分布密度函数.定义单程传播损耗单程损耗门限当L(R)=LT时,R达到最大值Rmax,即得到雷达对海面目标的最大探测距离.2大气水文环境监测系统根据系统要实现的功能,预报系统由海面气象水文数据采集器、无线数据传输系统和预报主机三部分构成,如图2所示.海面水文环境数据采集器架设于岸海交界处,用于实时采集海面6m高处的大气温度、相对湿度、风速、风向和海水表面温度,并将采集得到的数据通过无线数据传输系统传送给预报主机.气象水文环境数据采集主要由红外传感器和MetPakⅡ型自动气象站组成.红外传感器用来测量海水表面温度,MetPakⅡ型自动气象站则测量大气温度、相对湿度、风速、风向以及气压等大气参数.各气象测量仪器的测量范围和精度如表1所示.预报主机为一台高性能微型计算机,是整个预报系统的核心,主要功能是数据处理和预报结果显示,还具有数据采集设备控制、设备工作状态监测等附加功能.预报主机在接收到大气水文环境数据后,首先进行数据有效性判断,剔除不合格数据;合格数据用来进行蒸发波导预报,得到海面大气折射率剖面分布.已知的雷达工作参数和监测得到的大气折射率剖面作为抛物方程模型的输入,输出是空间各点电磁波传播的单程传播损耗.在得到传播损耗空间分布后,利用雷达距离方程计算得到当前大气环境条件下雷达对海面和低空目标的最大探测距离,并在显示屏上显示.预报主机中数据处理系统对数据有效性的判断基于以下两条准则.a.采集的大气水文数据其数值应在合理范围之内,否则认为数据无效.数据的合理范围根据常识规定,例如海水表面温度不低于-5℃(海面结冰情况下不进行蒸发波导的预报),大气温度不高于50℃,一天之内海水表面温度的变化不应太大等.b.环境数据应该为海面的大气参数,而非陆地上空的大气参数,这主要通过风向来判断:当风从视距内无海岛遮挡的海面吹向陆地时,认为采集的数据能代表海面低空大气参数,否则认为是陆地上空大气参数,数据无效.采用无线数据传输技术,数据处理系统和数据采集系统可以在地理上分开放置,这增加了系统的灵活性.3临床结果与雷达实际探测的比较为了验证预报系统的预报能力,分别于2011年9~11月在江苏北部黄海海域、2012年5~6月在海南岛南部南海海域进行了相应的观测实验.实验系统由一套预报系统和一部岸基X波段微波雷达构成.实验雷达的工作波段为X波段,天线方向图为辛克型,水平极化,垂直波瓣宽度和水平波瓣宽度均为1°,天线仰角为0°,发射功率为12kW,天线增益40dB.实验期间,雷达架设在岸边,面朝大海,架设点周围地势开阔,无明显遮挡.预报系统中的海面气象水文环境数据采集器架设在海边,与雷达的直线距离小于1km,架设高度为离海面6m.预报主机位于雷达显示控制台处,以GPS时间作为雷达和预报系统时间同步的基准.实验期间观测的目标为海上船舶,由于为非合作目标,因此其准确的雷达截面积(RCS)不可知,计算时均认为其RCS为1×104m2.进行观测时,雷达天线工作于环扫状态,以天线环扫10圈为一个计数单位,在10圈扫描中若有5圈有目标回波,则认为此时雷达对目标的检测概率为50%,此时雷达对目标的探测距离达到最远.黄海实验期间雷达天线的架设高度为8m,雷达距离海面的直线距离小于15m,得到有效数据为24组,如表2所示.在24组有效预报数据中,预报结果与雷达实际探测数据偏差小于20km的有11组,小于30km的有16组,小于40km的有22组.南海实验期间雷达天线的架设高度为18m,雷达距离海面的直线距离小于500m,得到的有效观测数据为37组,如表3所示.预报结果与雷达实际探测数据偏差小于20km的有12组,小于30km的有18组,小于40km的有20组.由表2和表3中的数据可见:雷达最大探测距离的理论预报值与实际观测值存在偏差,主要有以下几个原因.a.观测目标雷达截面积不能准确预估.观测目标为海上商船,为非合作目标,其RCS的准确大小和在垂直高度上的分布情况均未知.而且目标的RCS还与其姿态角相关,存在较大的起伏.据统计,假设目标的平均RCS为σ,则由于其姿态角度的变化,同一目标其RCS的最小值为σ-8dB、最大值可达σ+13dB.这些因素造成目标RCS预估的困难,理论计算时,预估得到的目标RCS与实际RCS之间的偏差会给雷达最大探测距离预报带来较大偏差,尤其在蒸发波导较强的条件下,是影响预报精度的一个主要因素.这也是南海预报结果的准确度低于黄海实验的原因.黄海实验期间,观测海域是上海至青岛的海上航线,观测目标为海上大型集装箱货船的概率更高,目标RCS的预估更合理、更接近实际.南海实验期间,观测海域没有固定的海上航线,海上非合作目标包括渔船、游艇、军舰以及大型货船等,目标类型多样,目标RCS预估的准确度下降,造成预报偏差增大.b.大气折射率剖面水平均匀分布的假设不合理.理论计算时,在开阔大洋条件下,假设折射率剖面在水平上均匀分布,可以成立;但在岸海交界处,受陆地气候与海洋气候交汇的影响,对流层大气的变化剧烈,因此蒸发波导折射率剖面水平分布不均匀性严重,此时大气折射率剖面在水平上均匀分布的假设会带来计算误差.c.抛物方程模型计算的误差.电磁波传播的抛物方程模型中,海浪对电磁波传播的影响是通过Miller-Brown模型将下边界作为粗糙平面来描述的,没有考虑海面遮蔽效应对电磁波传播的影响.通过与海上实测数据的比较也表明,抛物方程计算得到的电磁波传播损耗与实际测量值存在偏差.电磁波传播