中国近海蒸发波导反演中最佳雷达参数分析

利用雷达海杂波反演大气波导折射率(Refractivity From Clutter,RFC)的技术可以实现海洋低空对流层近实时、区域性、非均匀折射率的探测反演,但其反演性能受雷达参数和折射率区域时空统计特性以及地(海)面的影响,为了使RFC技术在中国海域蒸发波导反演中体现出较好的性能,使用粒子群优化算法和自适应目标函数,利用美国圣地亚哥空海作战系统中心高级折射效应预报系统提供的中国海域蒸发波导高度区域统计数据,依据考虑区域统计特性的均方根误差评判模型,研究了中国不同海域、不同月份,不同雷达频率天线高度组合情况下的蒸发波导RFC反演性能,分析得出适用于中国近海蒸发波导RFC反演的最佳雷达频率和天线架设高度范围,所得结果对我国周边海域监测以及海上无线电系统的设计与应用具有参考价值.     

粗糙海面蒸发波导传播和近掠入射散射分析

讨论在蒸发波导条件下粗糙海面对电波传播特性的影响。推导粗糙海面的表面反射系数,通过实验检验某粗糙海面电波传播预测模型在我国海域的适用性,并给出实验结果和分析。给出了不同条件下波导高度和传播损耗、最大探测距离间的关系。数据分析表明:冬季的粗糙海面情况下模型计算的传播损耗值与实测值比较接近,而秋季时两者相差较大,说明在海况较好时该模型适用于我国近海海域,而当风浪较大时,将导致表面粗糙度增大,影响模型的精度,使其低估传播损耗。     

海上对流层微波超视距传播与海洋大气环境特性相关性研究

海上对流层微波超视距传播与海洋大气环境特性的相关性研究对电波传播的短期预测以及无线电通信系统的设计和应用有着十分重要的意义。该文根据在我国黄渤海海域进行的14.1 GHz海上对流层微波超视距传播试验的传输损耗数据以及在发射端塔基平台上同步进行的气象梯度仪试验的气象数据,分别分析了风向、风速以及气海温差对传输损耗和蒸发波导高度相关性的影响,研究了沿海海域气象数据在微波超视距传播链路中的可用性,并结合散射抛物方程方法和高级折射效应预报系统(AREPS)对分析结果进行了验证。该文的研究结果对海上对流层微波超视距传播的传播特性以及短期预测的研究有一定的指导意义。     

蒸发波导中电磁波异常传播特征研究及其应用

蒸发波导是海洋大气环境中一种典型的异常大气折射结构。它能够部分地陷获电磁波的传播,从而改变电磁波的传播特征。这种特性在雷达、通信、电子对抗等设备的使用方面具有广泛的应用。该文主要利用电磁波传播的抛物型数值方程和裂步傅里叶算法,通过仿真方法研究了蒸发波导环境下电磁波所具有的异常传播特征,并利用2003年8月大连海域的雷达异常探测试验作为应用实例,说明了蒸发波导对电磁波异常传播以及对雷达异常性能的影响。     

蒸发波导环境测量与雷达探测性能分析

舰载微波超视距雷达主要通过大气波导传播效应实现对目标的超视距探测。利用测量的水文气象参数,根据蒸发波导模型预测蒸发波导高度,讨论了中性、稳定以及不稳定条件下的3种蒸发波导剖面。给出了便于蒸发波导环境下使用的修正雷达方程,基于抛物方程模型形成微波超视距雷达的探测性能分析方法。在我国南海海域开展了舰载蒸发波导环境测量及微波雷达探测的对比试验,在超视距预测的性能上理论预测结果与实际探测结果较为一致。分析结果对雷达探测及电子战应用具有重要意义。     

蒸发波导超视距信道建模及容量估计

为衡量海上蒸发波导环境下的超视距通信系统性能,提出了一种超视距信道建模方法及容量估计方案. 基于蒸发波导折射率模型和抛物方程（parabolic equation, PE）模型研究电波沿海面蒸发波导信道传播的大尺度衰落特性,结合统计性模型研究其小尺度衰落特性,形成基于电磁仿真和统计规律的混合蒸发波导信道模型,并由此推导出系统信道容量的估算方案. 对实际海面传播环境进行电磁建模,计算了蒸发波导环境中的路径损耗分布和多天线系统的信道容量,量化了使用多输入多输出（multiple-input multiple-output, MIMO）技术带来的超视距传播性能提升. 仿真结果表明,在蒸发波导环境中采用MIMO技术能够有效地提升信道容量,实现较好的超视距传播效果. 本文结果对海上超视距通信系统的应用及性能评估具有重要意义.     

南海、东海蒸发波导出现规律的对比分析

利用2002年1～3月的铁塔平台气象水文数据以及New蒸发波导模型分析研究了南海及东海海域蒸发波导的出现规律,并利用实测数据对模型结果进行了检验.结果表明:南海海域蒸发波导的出现概率、高度、强度分别为100%、13.4m和30.3M,而东海海域分别为90%、9.1m和16.6M;除以14时为代表的中午时刻,南海海域一天当中蒸发波导基本上都出现在不稳定及近中性层结条件下,而东海海域蒸发波导在稳定、不稳定和近中性层结条件下的出现概率差别不大;相对蒸发波导高度而言,New模型诊断蒸发波导出现概率和强度的效果更好;不稳定及近中性弱不稳定层结条件下,New模型诊断的蒸发波导高度偏低,稳定层结条件下模型结果偏高,近中性弱稳定条件下模型结果与实测最吻合.     

蒸发波导环境对雷达探测性能的影响

蒸发波导环境中电磁波传输特性与自由空间不同,给雷达的探测性能带来了很大影响.建立了基于蒸发波导环境的传输损耗和射线轨迹模型,分析了其对雷达探测性能、测角精度和测距精度等方面的影响,为雷达探测性能的评估和修正提供了参考.     

区域蒸发波导及微波路径损耗预报与验证

蒸发波导对近海面电磁波传播有重要影响,区域蒸发波导及微波路径损耗预报对评估海上雷达、通信、侦察等电磁系统的性能至关重要. 本文基于美国国家环境预报中心的GFS预报产品和NAVSLaM蒸发波导预测模型,对我国南海海域进行了大面积蒸发波导预报,利用欧洲中期天气预报中心发布的ERA5再分析数据进行了对比,并结合电磁波传播抛物方程模型开展了微波在蒸发波导信道中的路径损耗预报;然后利用在南海北部的路径损耗测试链路,对预报结果的准确性及时效性进行了验证. 再分析数据对比及海上试验验证结果表明,基于GFS数据开展的蒸发波导层中路径损耗预报,除个别异常点外,预报的路径损耗与实测值趋势相同,在前24 h结果与实测值较为吻合,误差在5~10 dB,可以用于大面积蒸发波导层中路径损耗的预报. 另外,试验发现,降雨会导致预报结果与实测数据有很大的误差,在进行电磁波传播计算时,应充分考虑雨衰、海面粗糙等海洋环境.     

蒸发波导特性及渤海波导环境研究

蒸发波导是海洋上出现频率最高的波导,能引起电磁波的异常折射,研究蒸发波导的特性对于分析海上电磁波的传播规律具有很重要的意义。研究了气象要素对蒸发波导特征量的影响以及对电磁波传播的折射效应,分析了在渤海地区的测试过程中对蒸发波导环境实时监测的可行性。     

粗糙海面建模及其在蒸发波导传播中的应用研究

海上蒸发波导微波超视距电波传播对舰载雷达的运行具有重要的影响. 本文基于粗糙海面电波散射特征和海面高度分布概率密度函数,提出了一种考虑海面遮蔽影响的海上电波传播计算方法,并与两种不包含遮蔽影响的粗糙海面建模的计算结果进行了模拟和试验对比. 计算结果为:1）随着计算频率和风速的增大,不同粗糙海面处理方法的计算结果差异增大,对应位置的路径损耗差异可达10 dB;2）基于试验数据的对比初步显示采用考虑遮蔽影响改进的抛物方程模型预测的路径损耗精度相对较高,粗糙海面对电波的遮蔽效应是蒸发波导传播损耗计算中的一个重要因素;3）试验结果为不稳定大气时采用NPS蒸发波导模型、稳定大气时采用PJ蒸发波导模型预测大气折射率剖面,所预测的路径损耗要优于采用单一蒸发波导模型的结果. 本文所得结果对海上电波传播计算和大气波导的反演等具有参考价值.     

蒸发波导环境掠射角对雷达海杂波的影响

利用雷达海杂波反演对流层波导是当前国内外研究热点,这是一个典型的电磁逆问题.为了尽可能降低反演的不确定性, 文章基于对流层波导大气修正折射率水平非均匀性, 通过分析蒸发波导环境掠射角对雷达海杂波的影响, 提出了蒸发波导条件下的海杂波功率模型, 并进行了实验验证, 有效提高了对流层波导反演效果.     

区域海面蒸发波导预报与监测试验对比分析

基于中尺度数值天气预报模式（The Fifth-Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model,MM5）建立了大气波导预报平台,使用GFS数据对包含我国黄海、东海以及南海海域的区域蒸发波导分布进行预报.将2015年12月份海上航行过程中监测的不同时刻、不同海域处的蒸发波导高度同预报结果进行对比分析,结果表明二者具有较好的一致变化趋势.考虑到实时测量时间分辨率高以及数值预报预报区域广的特点,在实际舰船雷达效应评估中可充分利用两种数据,实现海上微波传播效应的预测和预报.     

超视距低空电波传播模式研究分析

文中提出了一种电波传播模式分析方法. 通过对PJ (Paulus-Jeske)波导进行参数估计,实现蒸发波导的完备性建模;采用抛物方程法分析气象环境中的二维电波传播路径损耗分布,利用最大值池化降低数据量,并采用自适应聚类分析实现电波传播模式分析,进而建立海杂波衰减规律与电波传播模式之间的映射,统计条件概率. 结果表明,蒸发波导环境下海杂波衰减与电波传播模式之间具有相关性,分析结果能够展示蒸发波导中的电波传播模式,并且能够为海杂波反演大气波导提供先验条件概率分析.     

94-GHz propagation in the evaporation duct

One-way, low-altitude radio propagation measurements at 94 GHz and simultaneous surface meteorological measurements were made on a 40.6 km, over-horizon, over-water path along the southern California coast to assess the effects of the evaporation duct on signal propagation. More than 2000 h of RF and meteorological data were recorded in eight measurement periods from July 1986 to July 1987. On this path, the transmission loss in a standard atmosphere is nearly 280 dB; the median transmission loss measured is approximately 220 dB. This significant decrease in loss is due to the evaporation duct. A propagation model is used to predict transmission loss from observed surface meteorology; predictions derived from 10-min averages of wind speed, air temperatures, sea temperature, and humidity compare favorably to the measured values. On average, the modeling underestimates observations by only 10 dB. The propagation model is used to predict transmission loss from an independent climatology of evaporation duct heights. A comparison of the modeled distribution to the observed distribution is favorable. The accuracy of the propagation model provides a strong justification for using it to assess the propagation characteristics of millimeter-wave communication and radar systems operating in many, if not all, ocean regions     

基于稀疏采样传播数据和决策树算法的蒸发波导反演

蒸发波导的超视距传播特性是影响海上无线电系统性能的重要因素,准确预测蒸发波导是进行系统 评估的基础。文中提出一种基于稀疏采样传播数据和决策树轻量梯度提升机(Light Gradient Boosting Machine, LightGBM)算法的蒸发波导反演方法。首先,采用抛物方程方法仿真得到稀疏采样传播数据并构建训练集和测试 集;其次,使用决策树LightGBM 算法搭建反演模型,通过不断调参改进模型的精度以达到较高的反演准确度;最后, 调用训练好的LightGBM 模型进行蒸发波导反演,并对反演结果的概率分布进行了分析。结果表明,基于稀疏采样 传播数据的蒸发波导反演方法能够有效且快速地实现蒸发波导反演,为海上蒸发波导预测提供了一种新途径。     

波导环境下雷达后向散射系数研究

海上大气波导会显著改变雷达电磁波的传播性能,反应到雷达图像上表现为强烈的海杂渡回波信息。为了探究大气波导的影响因素,采用改进的GIT模型仿真方法模拟出波导背景下不同风速对雷达后向散射系数的影响,并且利用谱估计技术计算出掠射角随距离的变化。通过仿真结果分析,风因子对雷达后向散射系数影响显著,仿真结果对进一步利用海杂波反演大气渡导及提高舰载雷达探测性能具有重要指导意义。