雷達-海雜波概述

1、Evaluation Warning: The document was created with Spire.Doc for .NET.第13章 海 雜 波Lewis B.Wetzel13.1 引言就一部正在在工作的的雷達而而言，海海表面對對發(fā)射信信號的后后向散射射常常嚴嚴重地限限制了其其對艦船船、飛機機、導彈彈、導航航浮標以以及其他他和海表表面同在在一個雷雷達分辨辨單元的的目標的的檢測能能力。這這些干擾擾信號一一般被稱稱為海雜雜波或海海表面回回波。由由于海表表面對雷雷達來說說是一個個動態(tài)的的、不斷斷變化的的平面，因因而對海海雜波的的認識不不僅要尋尋求一個個合適的的模型來來描述海海表面的的散

2、射特特性，而而且還要要深入了了解海洋洋的復雜雜運動。幸幸運的是是，在遙遙感領域域內(nèi)，雷雷達和海海洋學間間的聯(lián)系系日益密密切，并并已積累累了大量量關于海海表面散散射，以以及這些些散射是是如何與與海洋變變化相關關的有用用資料。在各種雷達達參數(shù)和和環(huán)境因因素的條條件下，直直接測量量它們對對雷達回回波的影影響，然然后按照照經(jīng)驗來來描述海海雜波的的特征似似乎是一一個簡單單的問題題。與雷雷達或其其工作配配置相關關的參數(shù)數(shù)，如頻頻率、極極化方式式、分辨辨單元尺尺寸和入入射余角角（擦地地角）均均可由試試驗者指指定，但但是環(huán)境境因素則則全然不不同。這這有兩個個原因：首先，不不清楚哪哪些環(huán)境境因素重重要。例例如，

3、風風速無疑疑會影響響海雜波波電平，但但是艦船船風速計計讀數(shù)和和海雜波波間的關關系并不不完全相相符。海海表面的的攪動狀狀態(tài)（海海表面狀狀態(tài)）對對海表面面散射特特性看起起來似乎乎有很大大的影響響，但這這僅是主主觀的量量度，它它與當?shù)氐厥⑿械牡奶鞖忾g間的關系系通常是是不確定定的。其其次，人人們還發(fā)發(fā)現(xiàn)，所所測得的的風速與與其形成成的海浪浪（造成成雜波的的海浪）有有關，而而空氣和和海表面面的溫度度能影響響這種關關系?？煽墒牵谠谶^去海海雜波測測量的歷歷史中，這這些影響響的重要要性并沒沒有得到到人們的的重視，因因而很少少記錄下下空氣和和海表面面的溫度度。即使使人們已已經(jīng)意識識到某個個環(huán)境參參數(shù)的重重要性

4、，但但是要在在實際的的海洋條條件下精精確測量量這個因因素通常常也是非非常困難難的。并并且要建建立任意意一種具具有實際際意義的的海雜波波統(tǒng)計模模型，還還須從不不冰封的的海洋環(huán)環(huán)境中收收集足夠夠多的各各種參數(shù)數(shù)條件下下的測量量結果，這這也受到到實際可可能性和和經(jīng)費的的限制。因因此，大大家不必必對海雜雜波某些些特征定定義的不不完全感感到驚訝訝。在20世紀紀60年年代末之之前，絕絕大多數(shù)數(shù)的海雜雜波數(shù)據(jù)據(jù)都是從從獨立的的實驗中中一小段段一小段段收集起起來的，它它們的真真實性通通常不強強或不全全面（可可查閱以以往的著著作，如如Lonng11，SSkollnikk2或Naathaansoon33）。然然而

5、，盡盡管許多多早期的的海雜波波數(shù)據(jù)的的科學價價值有限限，但是是它們的的確揭示示了海雜雜波的某某些一般般規(guī)律，如如在小和和中等的的入射余余角間，海海雜波信信號的強強度隨入入射余角角的增大大而增大大，隨風風速（或或海表面面狀態(tài)）的的增強而而增強，并并且在垂垂直極化化和逆風風-順風風方向時時雜波信信號強度度通常較較大。必須指出的的是，在在A顯上上觀測海海雜波時時，在很很大程度度上取決決于分辨辨單元的的尺寸或或“雷達腳腳?。╮radaar ffoottpriint）（雷雷達天線線波束照照射到海海表面的的覆蓋區(qū)區(qū)的大小小）”。對于于大的分分辨單元元，海雜雜波在距距離上呈呈現(xiàn)為分分布式的的，其特特征可用用

6、平均表表面截面面積（它它在一個個均值上上下輕微微起伏）來來描述。隨隨著分辨辨單元尺尺寸的減減小，海海雜波表表現(xiàn)為孤孤立（或或離散）的的類似于于目標的的時變回回波。在在高分辨辨情況下下，通常常認為分分布式海海雜波是是由密集集的離散散回波序序列組成成的。當當離散回回波在噪噪聲背景景中能清清晰顯現(xiàn)現(xiàn)時（正正如它們們在兩種種極化條條件下都都是可見見的，并并且在小小的入射射余角時時水平極極化回波波最清晰晰），它它們被稱稱為海浪浪尖峰（SSea spiikess）信號號。在這這種雷達達體制中中，海浪浪尖峰是是常見的的海雜波波。人們試圖從從理論上上解釋所所觀測到到的海雜雜波特性性，這些些努力可可追溯到到二戰(zhàn)

7、期期間雷達達工作者者所從事事的研究究，可參參閱由KKerrr編輯的的著名的的麻省理理工學院院（MIIT）輻輻射實驗驗室手冊冊4。但令令人遺憾憾的是，在在這期間間所發(fā)展展起來的的散射模模型，以以及在這這之后110年間間學者發(fā)發(fā)表的絕絕大多數(shù)數(shù)模型，都都不能令令人信服服地解釋釋海表面面后向散散射的特特性?？煽墒?，CCrommbiee在19956年年觀測到到，海表表面對高高頻波長長（幾十十米）的的散射似似乎是入入射波與與高度為為入射波波長一半半的海浪浪相互諧諧振的結結果，也也就是BBraggg模型型5。由于于受到各各種低浪浪高近似似法理論論含義和和理想條條件下的的浪池測測量（WWavee taank

8、 meaasurremeentss）的支支援，因因此許多多研究者者688在220世紀紀60年年代中期期便把BBraggg模型型引入到到微波雷雷達中。由由于該模模型開始始涉及海海波頻譜譜（Seea wwavee sppecttrumm），因因而引發(fā)發(fā)了一場場探索海海雜波源源的革命命，并由由此強化化了海雜雜波機理理和海洋洋學的聯(lián)聯(lián)系，產(chǎn)產(chǎn)生了無無線電海海洋學。應應用微波波散射BBraggg模型型所遇到到的基本本概念問問題，以以及最近近關于預預測的有有效性和和其他散散射假說說可能性性的問題題，使人人們重新新開始討討論海洋洋散射的的物理起起源及如如何建立立最佳的的模型9144。由由于這個個原因，人人們

9、對海海表面物物理模型型的思索索仍停留留在使它它最接近近于海雜雜波的實實驗特性性。后續(xù)續(xù)內(nèi)容將將單獨討討論海雜雜波建模模的問題題。13.2 海表表面的描描述對海表面的的近距離離觀測揭揭示了它它各種各各樣的特特征，如如浪谷、浪浪楔、波波浪、泡泡沫、旋旋渦、浪浪花，以以及海浪浪下落時時形成的的大大小小小的水水花。所所有這些些面貌特特征都對對電磁波波產(chǎn)生散散射，形形成海雜雜波。對對海表面面的基本本海洋學學描述應應主要是是海波頻頻譜盡管很很少提及及這些特特性，因因其不僅僅包含了了大量的的海表面面信息，而而且還是是應用BBraggg模型型的關鍵鍵。為了了理解海海雜波和和Braagg模模型對現(xiàn)現(xiàn)有海雜雜波模

10、型型的重要要性，還還需要了了解海表表面。鑒鑒于此，后后文所述述的內(nèi)容容將包括括一些用用于描述述海表面面的頻譜譜特性。根據(jù)占主導導地位的的海表面面恢復力力是表面面張力還還是重力力，表面面波基本本上可分分為兩種種，即表表面張力力波和重重力波。這這兩種波波的過渡渡出現(xiàn)在在2cmm波長附附近。因因此，較較小的表表面張力力波可顯顯示海表表面細微微的結構構，而重重力波則則顯示的的是更大大的和大大多數(shù)可可見的海海表面結結構。風風是海浪浪的最初初源頭，但但這并不不意味著著“本地”風是其其下面海海浪形成成的最好好標志。為為了使海海表面處處于穩(wěn)定定狀態(tài)，風風必須在在足夠大大的區(qū)域域（風浪浪作用區(qū)區(qū)）內(nèi)且且吹上足足

11、夠長的的時間（持持續(xù)時間間）。那那部分由由風直接接引起的的波浪稱稱為風浪浪。但是是由于遠遠方波浪浪或是遠遠方風暴暴的傳播播，即使使在沒有有“本地”風的情情況下，也也可能存存在明顯顯的“本地”海浪運運動。這這種類型型的海浪浪運動稱稱為涌波波（Swwelll）。由由于海表表面的傳傳播特性性類似于于低通濾濾波器，因因此涌波波分量通通常類似似于大峰峰值低頻頻的正弦弦波。海波頻譜海波頻譜有有幾種形形式，是是對海表表面最基基本的海海洋學描描述。如如果在一一個固定定點監(jiān)視視海表面面高度的的時間規(guī)規(guī)律，并并通過處處理得到到時間序序列，便便可得到到海表面面高度的的頻譜SS(f)。其中中，S(f)d f是其在在頻

12、率ff和f+d f之間的的能量量量度（如如波高的的平方）。在在開闊的的海洋中中，人們們已經(jīng)對對波長小小至1mm左右的的重力波波的波譜譜進行過過測量。而而要完成成對表面面張力波波的露天天測量卻卻非常困困難115。對于重力波波，頻率率f和波數(shù)數(shù)K的離散散關系式式為 （133.1）式中，g為為重力加加速度；K2/，為波長長。盡管管每個重重力波都都遵循該該關系式式，但是是海表面面上某點點的波浪浪可來自自任意方方向。因因而，重重力波的的特性可可用二維維傳播矢矢量來表表示，它它的正交交分量是是Kx和Ky，式（113.11）中KK的幅度度為K=(Kx2+Ky2)1/22。與S(f)相關的的海浪波波數(shù)頻譜譜（

13、Thhe wwaveenummberr sppecttrumm）是KK矢量兩兩個分量量的函數(shù)數(shù)，并常常表示為為W(Kx,Ky)，人們們稱之為為方向波波譜（DDireectiionaal wwavee sppecttrumm）。方方向波譜譜表示的的是與風風、海流流、折射射和獨立立的余波波分量相相關的不不對稱性性。對于于一個給給定的非非對稱源源（如風風），頻頻譜的不不同分量量將顯示示不同的的方向特特性。例例如，在在穩(wěn)定的的海表面面，較大大的海浪浪將趨向向于風的的方向，較較小的海海浪則顯顯得無方方向性。方方向波譜譜更難于于測量，它它通常是是通過各各種實驗驗手段來來獲得，如如用于測測量多點點矩陣表表面

14、高度度的浪標標陣列（AArraay oof wwavee sttafffs）、多多軸加速速計浮標標和立體體攝影術術，甚至至可通過過處理雷雷達后向向散射信信號來獲獲得。因因在某一一點上測測到的頻頻譜可能能不包含含海浪方方向的信信息，所所以波數(shù)數(shù)頻譜WW(K)通常用用頻譜SS(f)來定義義。它們們的關系系式為 （133.2）式中，f和和K的關系系由式（113.11）給出出。為了了說明風風的方向向，W(K)有時乘乘上一個個K的經(jīng)驗驗函數(shù)和和一個與與逆風方方向有關關的方向向因子vv。海洋學學者者并不總總是完全全贊同采采用頻譜譜來定義義，因不不穩(wěn)定的的海洋狀狀態(tài)、不不足的采采樣時間間及可信信度差等等因素

15、都都損害了了導出經(jīng)經(jīng)驗頻譜譜的數(shù)據(jù)據(jù)。在確確保數(shù)據(jù)據(jù)來自穩(wěn)穩(wěn)定的海海表面及及風速在在相同的的參考高高度測量量的條件件下，通通過認真真選擇實實驗數(shù)據(jù)據(jù)，Piiersson和和Mosskowwitzz建立了了一個經(jīng)經(jīng)驗頻譜譜166。該該經(jīng)驗頻頻譜被證證明是通通用的和和有效的的，形式式為 （113.33）式中，g為為重力加加速度；fm=g/2U ；fm相當于于以風速速U流動的的海浪的的頻率；A和B為經(jīng)驗驗常數(shù)。圖圖13.1是幾幾種不同同風速的的頻譜曲曲線。風風速增大大的作用用僅僅可可將低頻頻截止點點沿著高高頻f-5漸近近線移至至更低的的頻率（必必須指出出的是，絕絕大多數(shù)數(shù)海洋學學學者采采用的頻頻譜都

16、是是在非常常低的頻頻率下測測量得出出的，所所以當測測量頻率率高于22Hz時時，對其其結果不不能過于于認真。不不過，在在運用BBraggg模型型預測雷雷達海雜雜波時，在在20HHz或更更高的頻頻率范圍圍內(nèi)，人人們通常常也采用用這些頻頻譜形式式）。若利用式（113.22）將頻頻譜轉換換為無方方向的波波數(shù)頻譜譜，則可可得到一一個形式式相似的的譜，但但頻譜的的漸近線線為K4。PPhilllipps117通通過用銳銳截止線線代替圖圖13.1中的的平滑峰峰值，在在空間域域中導出出了這種種漸近線線特性和和一種應應用廣泛泛的簡化化形式。這這一簡化化形式通通常稱為為Phiilliips頻頻譜，在在波數(shù)空空間中可

17、可寫為 （113.44）式中，截止止波數(shù)對對應于式式（133.3）中中的峰值值頻率ffm。與此此簡單形形式相反反的是越越來越復復雜的頻頻譜形式式，它們們大多是是在更細細微的經(jīng)經(jīng)驗研究究188及更更加復雜雜的理論論考慮基基礎上推推導出來來的11920。在利用海表表面頻譜譜討論海海表面散散射特性性時，必必須牢記記的是，頻頻譜是一一種高度度平均的的描述形形式。它它描述有有海浪存存在時，海海表面能能量在海海表面波波數(shù)或頻頻率間的的分布。由由于丟失失了相位位信息，因因此頻譜譜不包含含海表面面自身的的形態(tài)信信息，如如產(chǎn)生散散射場的的復雜表表面特性性。這一一點在后后面對海海雜波理理論的介介紹中還還將提及及。

18、圖13.11 PPierrsonn-Mosskowwitzz模型海海波頻譜譜代表平平衡狀態(tài)態(tài)的海表表面。常用的海表表面描述述符圖13.11曲線的的形狀表表明海波波浪有一一個相對對高度QQ。通過過獲得在在頻譜峰峰值中定定義的周周期(1/f)和波長長(2/K)的數(shù)據(jù)據(jù)，人們們可以形形成對海海表面主主波特性性的大致致認識。這這些數(shù)據(jù)據(jù)屬于一一個滿足足式（113.11）離散散關系的的波浪，并并且這個個波浪的的相位速速度C=2f/K等于風風速U。利用用式（113.11），周周期T和波長長定義為為T=0.664U =0.664U2 （133.5）式中，U的的單位為m/ss。例如如，對于于15kkn（77.

19、5mm/s）的的風速，穩(wěn)穩(wěn)定海表表面上最最大海浪浪的波長長約為1120fft（336m），周周期為55s。海海表面浪浪高的統(tǒng)統(tǒng)計分布布很接近近高斯分分布，對對浪高譜譜在全頻頻域（或或波數(shù)空空間）上上積分可可得到它它的均方方誤差。對對于類似似于如圖圖13.1所示示的頻譜譜，浪高高的均方方根值近近似為 （113.66）均方根值浪浪高是海海表面所所有波浪浪共同作作用的結結果，但但是人們們最關心心的是較較大波浪浪的波峰峰至波谷谷間的高高度。當當航路中中有船只只或被海海表面遮遮擋的船船只位于于小雷達達入射余余角處時時，就屬屬于這種種情況。用用有效浪浪高或浪浪群中11/3最最高浪的的浪高，給給出上述述高度

20、的的測量方方法。該該高度用用H1/33表示，并并且它約約是式（113.66）給出出的均方方根值浪浪高的33倍。對對于155kn的的風速，它它約為33ft，但但對于440knn的暴風風而言，有有效浪高高升高到到20fft以上上，這可可是一個個相當可可怕的海海表面。在觀測海表表面時，觀觀測者可可用海表表面狀態(tài)態(tài)的主觀觀術語來來描述所所看到的的海表面面，如“平靜”，“劇烈”及“可怕”。如果果將這些些描述按按照海表表面狀態(tài)態(tài)惡劣的的程度列列出，并并標上數(shù)數(shù)字，則則就定義義了海表表面狀態(tài)態(tài)。風速速也有一一個類似似的數(shù)字字等級，即即蒲福風風速等級級（Beeauffortt wiind scaale）。它它

21、的數(shù)字字級別比比對應的的海表面面狀態(tài)數(shù)數(shù)字等級級大致高高一個等等級。這這種表示示方法在在有關海海雜波的的參考書書中很少少使用。于是就存在在兩種常常用于指指示海表表面活動動性強弱弱的數(shù)字字，即主主觀描述述的海表表面狀態(tài)態(tài)和實測測的風速速。只有有當風在在足夠大大的風浪浪區(qū)上且且持續(xù)足足夠長的的時間才才能激起起一個充充分變化化的海表表面，浪浪高和海海表面也也才能明明確地聯(lián)聯(lián)系在一一起。表表13.1給出出了與海海雜波海海表面描描述符相相關聯(lián)的的海表面面狀態(tài)、風風速及與與之相關關的有效效浪高。其其中，風風速的單單位是節(jié)節(jié)（knn），有有效浪高高的單位位是英尺尺（ftt），持持續(xù)時間間/風浪浪區(qū)的單單位為小小時/海海里。全全世界海海洋風速速的平均均值是115 kkn，它它對應于于海表面面狀態(tài)33，注意意到這一一點是有有益的。表13.11 海表表面描述述符海表面狀態(tài)態(tài)風速（kn）浪高H1/3（ft）持續(xù)時間/風浪區(qū)區(qū)（h/n mille）1（輕風）