雷达海杂波概述

雷达海杂波概述

Lewis B.Wetzel

13.1 引言

就一部正在任务的雷达而言，海外表对发射信号的后向散射经常严重地限制了其对舰船、飞机、导弹、导航浮标以及其他和海外表同在一个雷达分辨单元的目的的检测才干。这些搅扰信号普通被称为海杂波或海外表回波。由于海外表对雷达来说是一个静态的、不时变化的平面，因此对海杂波的看法不只要寻求一个适宜的模型来描画海外表的散射特性，而且还要深化了解陆地的复杂运动。幸运的是，在遥感范围内，雷达和陆地学间的联络日益亲密，并已积聚了少量关于海外表散射，以及这些散射是如何与陆地变化相关的有用资料。

在各种雷达参数和环境要素的条件下，直接测量它们对雷达回波的影响，然后依照阅历来描画海杂波的特征似乎是一个复杂的效果。与雷达或其任务配置相关的参数，如频率、极化方式、分辨单元尺寸和入射余角〔擦地角〕均可由实验者指定，但是环境要素那么全然不同。这有两个缘由：首先，不清楚哪些环境要素重要。例如，风速无疑会影响海杂波电平，但是舰船风速计读数和海杂波间的关系并不完全相符。海外表的搅动形状〔海外表形状〕对海外表散射特性看起来似乎有很大的影响，但这仅是客观的量度，它与外地盛行的天气间的关系通常是不确定的。其次，人们还发现，所测得的风速与其构成的海浪〔形成杂波的海浪〕有关，而空气和海外表的温度能影响这种关系。可是，在过去海杂波测量的历史中，这些影响的重要性并没有失掉人们的注重，因此很少记载下空气和海外表的温度。即使人们曾经看法到某个环境参数的重要性，但是要在实践的陆地条件下准确测量这个要素通常也是十分困难的。并且要树立恣意一种具有实践意义的海杂波统计模型，还须从不冰封的陆地环境中搜集足够多的各种参数条件下的测量结果，这也遭到实践能够性和经费的限制。因此，大家不用对海杂波某些特征定义的不完全感到惊讶。

在20世纪60年代末之前，绝大少数的海杂波数据都是从独立的实验中一小段一小段搜集起来的，它们的真实性通常不强或不片面〔可查阅以往的著作，如Long[1]，Skolnik[2]或Nathanson[3]〕。但是，虽然许多早期的海杂波数据的迷信价值有限，但是它们确实提醒了海杂波的某些普通规律，如在小和中等的入射余角间，海杂波信号的强度随入射余角的增大而增大，随风速〔或海外表形状〕的增强而增强，并且在垂直极化和顺风-顺风方向时杂波信号强度通常较大。

必需指出的是，在A显上观测海杂波时，在很大水平上取决于分辨单元的尺寸或〝雷达足迹〔radar footprint〕〔雷达天线波束照射到海外表的掩盖区的大小〕〞。关于大的分辨单元，海杂波在距离上出现为散布式的，其特征可用平均外表截面积〔它在一个均值上下细微坎坷〕来描画。随着分辨单元尺寸的减小，海杂波表现为孤立〔或团圆〕的相似于目的的时变回波。在高分辨状况下，通常以为散布式海杂波是由密集的团圆回波序列组成的。当团圆回波在噪

声背景中能明晰显现时〔正如它们在两种极化条件下都是可见的，并且在小的入射余角时水平极化回波最明晰〕，它们被称为海浪尖峰〔Sea spikes〕信号。在这种雷达体制中，海浪尖峰是罕见的海杂波。

人们试图从实际上解释所观测到的海杂波特性，这些努力可追溯到二战时期雷达任务者所从事的研讨，可参阅由Kerr编辑的著名的麻省理工学院〔MIT〕辐射实验室手册[4]。但令人遗憾的是，在这时期所开展起来的散射模型，以及在这之后10年间学者宣布的绝大少数模型，都不能令人信服地解释海外表后向散射的特性。可是，Crombie在1956年观测到，海外表对高频波长〔几十米〕的散射似乎是入射波与高度为入射波长一半的海浪相互谐振的结果，也就是Bragg模型[5]。由于遭到各种低浪高近似法实际含义和理想条件下的浪池测量〔Wave tank measurements〕的援助，因此许多研讨者[6]~[8]在20世纪60年代中期便把Bragg模型引入到微波雷达中。由于该模型末尾触及海波频谱〔Sea wave spectrum〕，因此引发了一场探求海杂波源的革命，并由此强化了海杂波机理和陆地学的联络，发生了无线电陆地学。运用微波散射Bragg模型所遇到的基本概念效果，以及最近关于预测的有效性和其他散射假说能够性的效果，使人们重新末尾讨论陆地散射的物理来源及如何树立最正确的模型[9]~[14]。由于这个缘由，人们对海外表物理模型的思索仍停留在使它最接近于海杂波的实验特性。后续内容将独自讨论海杂波建模的效果。

13.2 海外表的描画

对海外表的近距离观测提醒了它各种各样的特征，如浪谷、浪楔、波浪、泡沫、旋涡、浪花，以及海浪下落时构成的大大小小的水花。一切这些相貌特征都对电磁波发生散射，构成海杂波。对海外表的基本陆地学描画应主要是海波频谱——虽然很少提及这些特性，因其不只包括了少量的海外表信息，而且还是运用Bragg模型的关键。为了了解海杂波和Bragg 模型对现有海杂波模型的重要性，还需求了解海外表。鉴于此，后文所述的内容将包括一些用于描画海外表的频谱特性。

依据占主导位置的海外表恢复力是外表张力还是重力，外表波基本上可分为两种，即外表张力波和重力波。这两种波的过渡出如今2cm波长左近。因此，较小的外表张力波可显示海外表纤细的结构，而重力波那么显示的是更大的和大少数可见的海外表结构。风是海浪的最后源头，但这并不意味着〝本地〞风是其下面海浪构成的最好标志。为了使海外表处于动摇形状，风必需在足够大的区域〔风浪作用区〕内且吹上足够长的时间〔继续时间〕。那局部由风直接惹起的波浪称为风浪。但是由于远方波浪或是远方风暴的传达，即使在没有〝本地〞风的状况下，也能够存在清楚的〝本地〞海浪运动。这种类型的海浪运动称为涌波〔Swell〕。由于海外表的传达特性相似于低通滤波器，因此涌波重量通常相似于大峰值低频的正弦波。

海波频谱

海波频谱有几种方式，是对海外表最基本的陆地学描画。假设在一个固定点监视海外表高度的时间规律，并经过处置失掉时间序列，便可失掉海外表高度的频谱S(f)。其中，S(f)d f 是其在频率f和f+d f之间的能量量度〔如波高的平方〕。在开阔的陆地中，人们曾经对波长小至1m左右的重力波的波谱停止过测量。而要完成对外表张力波的露天测量却十分困难[15]。