高頻地波超視距雷達(dá)(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(shí)現(xiàn)了對(duì)超地平線外�？漳繕�(biāo)的兼容探測(cè),同時(shí)還具備海態(tài)遙感功能。然而雷達(dá)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(biāo)檢測(cè)基底,是影響雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)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(dá)信號(hào)處理的算法將電離層回波當(dāng)作雜波抑制進(jìn)行研究。電離層回波不僅與雷達(dá)參數(shù)有關(guān),還與電離層本身獨(dú)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(duì)其物理機(jī)制的理解,因此加深拓寬對(duì)電離層回波內(nèi)在機(jī)理的科學(xué)認(rèn)識(shí),將有助于電離層回波抑制技術(shù)的突破,切實(shí)提升超視距雷達(dá)系統(tǒng)性能。另外電離層回波源自電離層對(duì)高頻電磁波的散射,自然蘊(yùn)含著電離層狀態(tài)信息。HFSWR的多普勒分辨率較高,而且可長(zhǎng)時(shí)間對(duì)電離層進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),故可探測(cè)到精細(xì)的電離層分布結(jié)構(gòu)和擾動(dòng)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(jī)制過(guò)程,建立電離層回波與等離子不規(guī)則體、行進(jìn)式電離層擾動(dòng)(Traveling ionospheric disturbances,TIDs)之間的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)而估計(jì)電離層特征參數(shù),并對(duì)我國(guó)東海和渤海臺(tái)風(fēng)期間電離層擾動(dòng)響應(yīng)開(kāi)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(jī)理及HFSWR聯(lián)合垂測(cè)儀觀測(cè)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(diǎn)研究了描述離子損失過(guò)程基礎(chǔ)機(jī)理的反應(yīng)擴(kuò)散偏微分方程組,對(duì)不同邊界條件下的電子密度時(shí)空分布變化進(jìn)行仿真。之后對(duì)威海HFSWR實(shí)際收發(fā)天線系統(tǒng)進(jìn)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(cè)儀對(duì)電離層回波開(kāi)展聯(lián)合觀測(cè),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(dòng)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(jī)制的HFSWR電離層廣義距離方程。將電離層作為面目標(biāo)與體目標(biāo),建立了HFSWR電離層回波距離探測(cè)方程,并基于高頻相干散射原理對(duì)電離層RCS散射系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。之后對(duì)不同的電離層狀態(tài)參數(shù)和雷達(dá)工作參數(shù)下的電離層回波功率譜進(jìn)行仿真,并對(duì)不規(guī)則體空間分布進(jìn)行估計(jì)。最后結(jié)合雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)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(jìn)行估計(jì),并與IRI-2016模型進(jìn)行比對(duì)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。基于Walsh提出的電磁散射模型,首先拓展了FMCW/FMPCW信號(hào)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(jī)制兩個(gè)角度分別對(duì)電離層反射系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。其次,對(duì)FMCW/FMPCW斜向散射路徑下電離層回波譜密度進(jìn)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(dá)形式。通過(guò)全面深入的仿真,提煉出對(duì)HFSWR電離層回波強(qiáng)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(cè)儀觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)實(shí)測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)估計(jì)斜向散射傳播路徑F層不規(guī)則體平均電子密度波動(dòng)。4、基于HFSWR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),開(kāi)展臺(tái)風(fēng)與電離層的關(guān)聯(lián)機(jī)理的探索性研究。首先建立FMCW/FMPCW信號(hào)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?yáng)|海強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“鲇魚”和2018年渤海臺(tái)風(fēng)“溫比亞”期間HFSWR站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),全面深入分析電離層回波在距離域、時(shí)域和Doppler域的分布特征,并觀測(cè)到電離層回波時(shí)頻分布中準(zhǔn)周期正弦“S”型的TIDs特征形態(tài),這與地球物理學(xué)對(duì)認(rèn)為臺(tái)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(duì)流層-平流層-中間層-電離層之間可能存在耦合聯(lián)動(dòng)效應(yīng)的物理機(jī)制研究結(jié)論一致。并且還發(fā)現(xiàn)臺(tái)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(tái)風(fēng)臨近距離,反而不易觀測(cè)到電離層結(jié)構(gòu)擾動(dòng)等分布規(guī)律。本文研究成果有望加深對(duì)HFSWR電離層回波機(jī)理的科學(xué)認(rèn)識(shí),量化電離層不規(guī)則體與TIDs對(duì)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(cè)技術(shù)途徑,并拓寬加深對(duì)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(shí)際工程意義和較高的自然科學(xué)研究?jī)r(jià)值。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)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(qiáng)于其他季節(jié)。，距離地表約 90~150km，這部分主要是軟 X 射線。可對(duì)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(kāi)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(duì)高達(dá) 225M 無(wú)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)，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(diǎn)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(shí)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(diǎn)均出現(xiàn)偏移，這可能主要是地網(wǎng)不理想引起的。實(shí)際 HFSWR 系天線均鋪設(shè)了地網(wǎng)，其優(yōu)點(diǎn)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(jìn)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(duì)有、無(wú)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(zhǎng) L 2 18.75m，振子直 20cm，陣元間距為 d 15m，地網(wǎng)為正方形，邊長(zhǎng) 3 4d 172.5m。圖 2-8(分別為無(wú)、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(jiàn)，有地網(wǎng)，均勻陣列方向圖 E 面部分增益會(huì)變大；(c)、(d)分別為有、無(wú)地網(wǎng)情況下陣的 E 面和 H 面方向圖。仿真表明：地網(wǎng)對(duì)陣列在 H 面的方向圖影響較小影響 E 面，會(huì)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(xiàn)】

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本文編號(hào)：2889756