高频雷达海浪非完全Bragg散射截面研究

With more than fifty years' research and development of High Frequency Ground Wave Radar (HFGWR), the technology of ocean current surveillance which based on the first-order Bragg Scatter has been used for application, but the technology of ocean wave and wind detection can not meet the requirements of practical applications. Quantitative measurement data manifest the fact that the existing HF radar model of scattering theory can not completely explain the practical situation of the activity of HF surface electromagnetic wave with the ocean waves, and that induces the accuracy of wave detection of HFGRW is not high. On the basis of analysis of quantitative HFGRW data of different sea conditions, the non-fully Bragg mechanism exists in the activity of HF surface electromagnetic wave with the ocean waves is proposed by this project. The cross section of non-fully Bragg scatter mechanism of HF radar has been deduced by using the perturbation method , and combining the Maxwell formulas and electromagnetic boundary conditions and hydrodynamic equations. Then complete HF radar cross sections, formed by combining with the existing radar cross sections, reveal the real activity of HF surface electromagnetic wave with the ocean waves. To compare and verify the established theoretical model with the measured data, the established theoretical model can be further amended through comparison and verification, and the foundation can be made to improve the accuracy of HFGWR wind and wave detection.

经过五十多年的研究与发展，建立在一阶Bragg散射理论上的高频地波雷达海洋表面流探测技术已经进入实际应用，但建立在二阶Bragg散射理论上的风浪探测技术却远不能满足实际应用的要求。大量的实测数据表明，现有的高频雷达散射理论模型不能完整描述高频表面电磁波与海浪作用的实际情况，导致高频地波雷达的海浪探测精度不高。本项目在分析大量不同海况条件下高频地波雷达实测数据特征基础上，提出高频表面电磁波与海浪相互作用机理存在着完全Bragg散射机理和非完全Bragg散射机理。本项目通过缩比试验揭示高频表面波与波浪作用的真实机理，采用微扰法等结合Maxwell方程组、电磁边界条件及流体动力学方程，推导完全与非完全Bragg散射机理的高频雷达海浪散射截面方程。利用实测数据与所建立的理论模型进行比对、验证，进一步修正所建立的理论模型，为提高高频地波雷达风浪探测精度奠定理论基础。

大量的实测数据表明，现有的高频雷达散射理论模型不能完整描述高频表面电磁波与海浪作用的实际情况，导致高频地波雷达的海浪探测精度不高。本项目在分析大量不同海况条件下高频地波雷达实测数据特征基础上，提出了高频表面电磁波与海浪相互作用机理存在着完全Bragg 散射机理和非完全Bragg 散射机理。.本项目通过缩比试验的方法，来揭示高频表面波与波浪作用的真实机理。即使用比高频电磁波波长小1~2个数量级的超高频电磁波探测相当尺度的水波。水槽试验证实了本项目最初的设想：即存在非完全Bragg散射机理。但试验更进一步发现，多普勒效应并不是导致波浪回波频率偏移的原因。水槽探测试验结果与理论分析表明，在有限距离分辨率条件下，规则周期性水波的雷达后向散射回波频率偏移产生机理不是波浪相速度（视在速度）产生的多普勒频移，而是周期性波浪的频率及其谐波频率对雷达电磁波的双边不对称调制，调制权重与雷达距离分辨率、水波波数、雷达波数等有关。特别地，水波波数为雷达工作波数的2倍时，水波波动频率恰好在数值上等于由水波相速度产生的多普勒频率，在数学上与传统解释一致。.基于新的散射机理，提出了利用高频地波雷达一阶Bragg峰和二阶非Bragg峰比值反演浪高的新方法，并应用于便携式高频海洋雷达OSMAR-S的风浪反演软件，使OSMAR-S的风浪探测距离由10公里提升到50公里。.本项目基于Maxwell 方程组，采用微扰法推导了完全与非完全Bragg 散射的高频雷达海浪时变散射截面方程。对所建立的理论模型进行数学仿真结果与实测数据完全一致。该成果为建立校准的雷达海杂波模型奠定了良好的理论基础，对于涉海探测雷达的目标检测、海态参数反演具有重要意义。