高頻地波超視距雷達(HFSWR)利用3-30MHz頻段垂直極化電磁波可沿海面繞射傳播的物理特性,實現(xiàn)了對超地平線外�？漳繕说募嫒萏綔y,同時還具備海態(tài)遙感功能。然而雷達回波中的電離層回波往往占據(jù)大量距離-多普勒單元,并且常抬高目標檢測基底,是影響雷達系統(tǒng)目標探測性能和海態(tài)遙感精度的關(guān)鍵因素,因此已有眾多基于雷達信號處理的算法將電離層回波當作雜波抑制進行研究。電離層回波不僅與雷達參數(shù)有關(guān),還與電離層本身獨有的分布特性有關(guān)。很大程度上,電離層回波抑制技術(shù)取決于對其物理機制的理解,因此加深拓寬對電離層回波內(nèi)在機理的科學(xué)認識,將有助于電離層回波抑制技術(shù)的突破,切實提升超視距雷達系統(tǒng)性能。另外電離層回波源自電離層對高頻電磁波的散射,自然蘊含著電離層狀態(tài)信息。HFSWR的多普勒分辨率較高,而且可長時間對電離層進行連續(xù)觀測,故可探測到精細的電離層分布結(jié)構(gòu)和擾動狀態(tài)。本文擬以電離層回波作為有用信源,深入探索電離層回波產(chǎn)生的物理機制過程,建立電離層回波與等離子不規(guī)則體、行進式電離層擾動(Traveling ionospheric disturbances,TIDs)之間的數(shù)學(xué)模型,進而估計電離層特征參數(shù),并對我國東海和渤海臺風(fēng)期間電離層擾動響應(yīng)開展探索性研究。全文主要內(nèi)容如下:1、研究分析電離層中最基礎(chǔ)的化學(xué)反應(yīng)機理及HFSWR聯(lián)合垂測儀觀測電離層回波特性。首先概述了電離層分層結(jié)構(gòu)、大氣成分和離子化學(xué)反應(yīng)等電離層基本物理特性,尤其重點研究了描述離子損失過程基礎(chǔ)機理的反應(yīng)擴散偏微分方程組,對不同邊界條件下的電子密度時空分布變化進行仿真。之后對威海HFSWR實際收發(fā)天線系統(tǒng)進行軟件仿真,表明電離層回波傳播路徑與天線系統(tǒng)之間存在關(guān)聯(lián)。最后基于HFSWR與垂測儀對電離層回波開展聯(lián)合觀測,深入分析HFSWR電離層回波可能存在天波后向散射傳播路徑、分裂為O、X特征波及隨電子密度波動等分布特性,為后續(xù)電離層回波研究奠定基礎(chǔ)。2、建立基于不規(guī)則體物理機制的HFSWR電離層廣義距離方程。將電離層作為面目標與體目標,建立了HFSWR電離層回波距離探測方程,并基于高頻相干散射原理對電離層RCS散射系數(shù)進行估計。之后對不同的電離層狀態(tài)參數(shù)和雷達工作參數(shù)下的電離層回波功率譜進行仿真,并對不規(guī)則體空間分布進行估計。最后結(jié)合雷達實測數(shù)據(jù)對垂直反射路徑E層不規(guī)則體電子密度、等離子體頻率及漂移速度進行估計,并與IRI-2016模型進行比對分析。3、完善FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave)/FMPCW(Frequency Modulated Pulsed Continuous Wave)體制下、后向散射傳播路徑電離層小尺度不規(guī)則體與HFSWR之間的數(shù)學(xué)模型�；赪alsh提出的電磁散射模型,首先拓展了FMCW/FMPCW信號體制下垂直向HFSWR電離層不規(guī)則體模型,并從數(shù)學(xué)的概率分布及電離層物理機制兩個角度分別對電離層反射系數(shù)進行估計。其次,對FMCW/FMPCW斜向散射路徑下電離層回波譜密度進行分析建模,并推導(dǎo)出中緯度斜向散射電離層不規(guī)則體相位譜密度的一般表達形式。通過全面深入的仿真,提煉出對HFSWR電離層回波強度和Doppler頻移展寬起決定性作用的關(guān)鍵參數(shù)。最后,結(jié)合垂測儀觀測數(shù)據(jù),通過實測雷達數(shù)據(jù)估計斜向散射傳播路徑F層不規(guī)則體平均電子密度波動。4、基于HFSWR實測數(shù)據(jù),開展臺風(fēng)與電離層的關(guān)聯(lián)機理的探索性研究。首先建立FMCW/FMPCW信號體制下大尺度電離層行擾(Traveling ionospheric disturbances,TIDs)與HFSWR的理論模型。接著基于2016年東海強臺風(fēng)“鲇魚”和2018年渤海臺風(fēng)“溫比亞”期間HFSWR站實測數(shù)據(jù),全面深入分析電離層回波在距離域、時域和Doppler域的分布特征,并觀測到電離層回波時頻分布中準周期正弦“S”型的TIDs特征形態(tài),這與地球物理學(xué)對認為臺風(fēng)激發(fā)的重力波上傳至電離層引起TIDs,以及大氣結(jié)構(gòu)中對流層-平流層-中間層-電離層之間可能存在耦合聯(lián)動效應(yīng)的物理機制研究結(jié)論一致。并且還發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)期間HFSWR電離層回波的Doppler特性非常顯著,在Doppler單元呈現(xiàn)“條形”均勻展寬分布形態(tài);在臺風(fēng)臨近距離,反而不易觀測到電離層結(jié)構(gòu)擾動等分布規(guī)律。本文研究成果有望加深對HFSWR電離層回波機理的科學(xué)認識,量化電離層不規(guī)則體與TIDs對HFSWR的影響,為電離層雜波抑制技術(shù)及最優(yōu)工作頻率選取提供新的關(guān)鍵理論支撐,提供新的電離層探測技術(shù)途徑,并拓寬加深對地球物理現(xiàn)象內(nèi)在關(guān)聯(lián)科學(xué)規(guī)律的理解,具有重要實際工程意義和較高的自然科學(xué)研究價值。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN958
【部分圖文】：

而宇宙射線只起到小部分作用。因此 D 層呈現(xiàn)晝晚，夏季強于其他季節(jié)。，距離地表約 90~150km，這部分主要是軟 X 射線�？蓪�10MHz以下電磁波產(chǎn)生反射作用，濃度大致為由電離作用和復(fù)合作用決定。夜晚 E 層濃度開始降存在的緣故。類似于 D 層，E 層電子密度也呈現(xiàn)偶發(fā) E 層（Sporadic E-layer），具有尺度小、厚度薄至可對高達 225M 無線電波產(chǎn)生反射。Es 層可持的原因目前還在研究中，可能與該層中間薄金屬原發(fā) Es 層的高峰期，持續(xù)時間也比冬季久。以上 150~500km，這是所有層中電子密度最高的，逃逸。該層主要由電離的氧原子+O 構(gòu)成，其電往往白天分裂為 F1、F2層，F(xiàn)1層的電子密度僅次于 F2層晝夜都存在，因此可實現(xiàn)天波超視距傳播以

H plane E plane H plane E planed) 9MHz e) 15MHz圖 2-6 對數(shù)周期發(fā)射天線方向圖仿真Fig.2-6 Pattern of log periodic dipole transmitting antenna圖 2-7 為工作頻率為 9MHz 時，接收天線陣列方向圖數(shù)值仿真。仿真參數(shù)為：天線高度為 6.5m，天線單元間距分別為1 2d 14.5m, d 8m，銅地網(wǎng)面積為2100 m ，網(wǎng)格直徑 10cm。仿真結(jié)果表明：接收天線陣列在水平方向主瓣指向 0°，即面向大海方向，主瓣的零點寬度約為 30°，半波束寬度約為 10°；在俯仰方向，輻射最大值約為 70°，半功率波束寬度約為 25°。在天頂方向(0°)有-8dBi 的輻射增益。

b) H 面 c) E 面b) H plane c) E plane圖 2-7 9MHz 時垂直極化接收天線陣列方向圖仿真Fig.2-7 Pattern of vertically polarized antenna receiving arrays at 9MHz理論上，收發(fā)天線在天頂方向的增益均為 0。但圖 2-6 和圖 2-7 的仿真卻表明天線零點均出現(xiàn)偏移，這可能主要是地網(wǎng)不理想引起的。實際 HFSWR 系天線均鋪設(shè)了地網(wǎng)，其優(yōu)點是除起到鏡像作用使天線高度減小一半外，還電壓駐波比，降低阻抗損耗，進而提高天線工作效率。但也導(dǎo)致天線與地耦合，從而使天線方向圖指向偏移甚至畸變。圖 2-8 是對有、無地網(wǎng)情況下，半波偶極子天線組成的 8 元均勻線陣的仿真]，天線工作頻率為 8MHz，偶極子天線振子全長 L 2 18.75m，振子直 20cm，陣元間距為 d 15m，地網(wǎng)為正方形，邊長 3 4d 172.5m。圖 2-8(分別為無、有地網(wǎng)情況下均勻線陣 3 維方向圖仿真結(jié)果，從圖可見，有地網(wǎng)，均勻陣列方向圖 E 面部分增益會變大；(c)、(d)分別為有、無地網(wǎng)情況下陣的 E 面和 H 面方向圖。仿真表明：地網(wǎng)對陣列在 H 面的方向圖影響較小影響 E 面，會導(dǎo)致 E 面出現(xiàn)旁瓣，輻射仰角增大，方向圖上翹。
【參考文獻】

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本文編號：2889756