一种波导超视距雷达的制作方法与工艺

本发明涉及一种波导超视距雷达及其超视距判定方法。

背景技术：
迄今为止，还是站得高看得远为指导思想，把对海雷达天线尽可能架到最高处，不论在船上还是海岸边的高山上都能看到这样的布置。因为地球曲率影响，雷达发出的电磁波和人眼睛所能看到光波一样都是直线传播，因此很难看到地球曲率外的任何东西。人们把这种现象叫做最大可视距离。如何能看到地球曲率外的超视距目标是人类一直探索和追求的梦想。本项发明就是利用了海面时常出现蒸发波导现象——即大气和海水相交的边界层形成一种波导管现象。让雷达天线发射的电磁波在波导管中传播，从而就克服了地球曲率影响探测到视距以外的超视距目标。另外，选择导航雷达改进，主要是现今导航雷达普及率高，改进方便，导航雷达对夜间航行和雾天航行能起到关键性作用。本项发明正是为今后导航雷达改进、增加超视距预警功能提供技术支持。

技术实现要素：
本发明针对以上问题的提出，而研制的一种波导超视距雷达，具有：测量至少包括海表水温、海面大气温度、风速和大气湿度的水文气象数据的传感器单元；根据所述传感器单元采集的所述环境参数，通过计算理查森数Ri和Monin-Obukhov尺度长度L’计算所述大气稳定度；在不同大气稳定度的状态下计算海面蒸发波导高度和海面蒸发波导的大气修正折射指数的波导计算模块；根据所述传感器单元采集的所述环境参数，通过计算理查森数Ri和Monin-Obukhov尺度长度L’计算所述大气稳定度；在不同大气稳定度的状态下计算海面蒸发波导高度和海面蒸发波导的大气修正折射指数的波导计算模块；根据所述波导计算模块输出的海面蒸发波导高度和大气修正折射指数，判定当前雷达是否具有超视距性能的超视距评估模模块；工作时，所述的超视距评估模块根据所述波导高度和大气修正折射指数，计算当前海面蒸发波导的陷获频率，当所述陷获频率大于当前雷达的固有频率时，且波导高度高于雷达天线高度，判定当前雷达具有超视距性能。还具有雷达探测距离评估模块：通过比较不同传输距离的雷达回波功率与雷达的最小可检测信号功率：若在海面蒸发波导内部某个距离的雷达回波功率大于雷达的最小可检测信号功率，则当前距离为雷达的可探测距离。还具有雷达测量误差评估模块：接收所述波导计算模块得出的当前海面蒸发波导高度和大气修正折射指数判断当前雷达的初始仰角是否大于零，根据射线理论计算在雷达天线发出的射线在多层波导空间（包括海面蒸发波导和空间波导）中传播的总长度和多层空间的总高度，与目标距雷达的实际距离和目标的视在高度进行比较，得到雷达测量的高度误差和距离误差。所述传感器系统的高度可调：根据所述波导计算模块计算出的海面蒸发波导高度和当前天线高度，升起或降下雷达天线，使所述雷达波在波导中传播。所述传感器系统的频率可变，根据所述超视距评估模模块计算出的当前海面蒸发波导的陷获频率，对自身频率进行的调整，使所述雷达频率大于当前海面蒸发波导的陷获频率。具有目标识别模块：通过雷达发射功率计算出雷达波在海面蒸发波导管中能量分布规律，对于超视距目标而言，根据回波强度除以雷达发射功率在波导管中的该点的能量，就可判断出超视距目标的大小，目标大小可分为大目标、中目标和小目标。所述波导计算模块计算理查森数Ri的计算公式为：当0<Ri<1时，当前大气处于中性或稳定状态，当Ri<0时，判定当前大气处于不稳定状态；Monion-Obukhov长度L’的计算公式为：其中u*为摩擦速度τ是切应力；对于中性和稳定大气条件下（0<Ri<1）的海面蒸发波导高度：其中Np为位折射指数，h0为海面高度，h0=0.00000015，h1为传感器高度；当z*＜0时或＞1时，则：对于不稳定条件下（Ri＜0时）海面蒸发波导高度：φ为通量廓线函数其中B为通量廓线参数，ψ为通量廓线函数；在稳定或中性大气状态下蒸发波导的大气修正折射指数为在不稳定大气状态下，蒸发波导的大气修正折射梯为其中Ms为在h0高度的大气修正折射指数，可直接测量。所述超视距评估模模块计算所述海面蒸发波导陷获电磁波的最大波长为：（m）始终d为海面蒸发波导高度，即为所述Z*，z代表不同高度，M（z）为不同高度的大气修正折射指数，z0为海面高度；计算所述蒸发波导陷获电磁波的最低频率为：（GHz）式中，c为光速（2.997925.108m/s）。所述雷达探测距离评估模块的工作方法如下：雷达接收的目标回波功率可以写成单程传播损失的形式：Pr＝-8.55+10log10(Ptσf2)+2G-Ls-La-2Lsingle根据雷达接收理论，雷达的最小可检测信号功率为Simin，由雷达接收机性能决定，k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10-23(J/K)；T为电阻温度，以绝对温度（K）计量，对于室温17℃，T＝T0＝290K；Bn为设备的通带，τ为脉冲宽度；F0为接收机的噪声系数，为接收机输出端最小信噪比；当接收到的功率Pr大于Simin时，雷达才能可靠的发现目标，当Pr正好等于Simin时，就得到雷达检测该目标的最大作用距离Rmax，而Pr小于Simin时，目标为雷达电磁盲区内。所述误差检测模块的工作方法如下：应用射线理论，建立雷达测距和测高误差的评估模式—raytrace模式。由Snell法则，α2可通过下式获得，dir为射线方向，当射线向上传播时，dir=1，当射线向下传播时，dir=-1，Ψ1为射线弯曲角，β为地心角，根据Abel,et.al,1982，β1＝Ψ1+α2-α1根据余弦定理，TRGAPP1表示射线在这一层空间的长度，可由下式获得通过迭代算出每一层的TRGAPP1和β1，将所得结果进行累加，可得到射线在空间传播的总长度TRGAPP和总的地心角βtotal；目标距雷达的实际距离为TRG，由下式获得：则目标的距离误差为：TRGERR＝TRGAPP-TRG目标的视在高度为THTAPP，使用4/3等效地球半径，将实际射线变成近似的直线，所得目标视在高度为：即可获得目标的高度误差：THTERR＝THTAPP-hn利用上述公式，可用编制程序模拟射线在空间传播的程序来评估雷达测量的高度和距离误差。由于采用了上述技术方案，本发明提供的对海波导超视距雷达，能有效利用海面时常出现的蒸发波导现象，实现超视距探测由于克服了地球曲率影响使对目标超视距警戒变为有效。本发明的目的是提高目标超视距监测有效性、可靠性，同时实现超视距目标大小的精确判定探测。附图说明为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明的模块示意图图2为本发明波导计算模块的工作流程图图3为本发明超视距评估模块工作流程图图4为本发明雷达测量误差评估模块的工作原理图1图5为本发明雷达测量误差评估模块的工作原理图2图6为本发明实施例1中修正折射指数的示意图图7为本发明实施例1中雷达单程船舶损失的空间分布图图8为本发明实施例1中雷达在不同传播环境下对不同高度目标的最大探测距离示意图图9为本发明实施例1中雷达在波导条件下获得的海岸线示意图图10为本发明实施例1中船舶的航海图图11为本发明雷达在海面蒸发波导中传播的示意图具体实施方式为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：一种波导超视距雷达，主要包括：波导计算模块和超视距评估模块。传感器单元能够测量并提供至少包括温度、大气温度、风速和大气湿度等多种水文气象数据。波导计算模块能够根据所述提供的所述多种水温气象数据，通过计算理查森数Ri和Monin-Obukhov尺度长度L’计算所述大气稳定度并且能够在计算得出的不同大气稳定度的状态下计算波导高度和蒸发波导的大气修正折射指数。超视距评估模模块用于接收并根据所述波导计算模块输出的波导高度和大气修正折射指数，判定当前雷达是否具有超视距性能。工作状态下，所述的传感器单元首先获取当前的水文气象数据，将数据传送至所述的波导计算单元，波导计算单元根据水文气象数据计算出当前环境中的大气波导高度和大气修正折射指数并传送至所述的超视距评估模块；由超视距评估模块根据所述波导高度和大气修正折射指数，计算当前波导的陷获频率，当所述陷获频率大于当前雷达的固有频率时，且波导高度高于雷达天线高度，判定当前雷达具有超视距性能，控制雷达进行超视距搜索，获得相应的超视距搜索数据。进一步的，所述波导计算单元计算波导高度和大气修正折射指数主要采用以下的方法：所述波导计算模块计算理查森数Ri的计算公式为：当0<Ri<1时，当前大气处于中性或稳定状态，当Ri<0时，判定当前大气处于不稳定状态；Monion-Obukhov长度L’的计算公式为：其中u*为摩擦速度τ是切应力；对于中性和稳定大气条件下（0<Ri<1）的蒸发波导高度：其中当z*＜0时或＞1时，则：对于不稳定条件下（Ri＜0时）蒸发波导高度：其中在稳定或中性大气状态下蒸发波导的大气修正折射梯度为在不稳定大气状态下，蒸发波导的大气修正折射梯为在海洋蒸发波导研究中，常常使用伪折射率Np的概念，即式中：θ为位温，与大气温度关系为θ＝T(P0/P)0.286(K)；ep位水汽压，与水汽压的关系为ep＝e·P0/P近地层中，P≈P0，θ≈T，ep=e，则公式变为超视距评估模模块计算所述蒸发波导陷获电磁波的最大波长主要采用的方法为：（m）计算所述蒸发波导陷获电磁波的最低频率为：（GHz）式中，c为光速（2.997925.108m/s）。在得到fmin后，与雷达系统自身的频率进行比较，若当前雷达的频率大于fmin则判定当前雷达具有超视距性能，雷达开始进行超视距搜索；若雷达的频率小于fmin，则表示当前雷达不具有超视距性能，无法进行超视距搜索。在考虑雷达是否在当前波导环境具有超视距系能，还需要考虑当前波导高度和雷达天线高度的关系，只有当前波导具有高度且高于雷达天线高度时，雷达才能够根据陷获频率对雷达超视距进行判断。在判定当前雷达具有超视距性能后，还需要对超视距的雷达性能进行评估，作为一个较佳的实施方式，本发明还具有雷达探测距离评估模块：通过比较不同传输距离的雷达回波功率与雷达的最小可检测信号功率：若某个距离的雷达回波功率大于雷达的最小可检测信号功率，则当前距离为雷达的可探测距离。进一步的，该雷达探测距离评估模块采用如下方法对探测距离进行评估。雷达接收的目标回波功率可以写成单程传播损失的形式：Pr＝-8.55+10log10(Ptσf2)+2G-Ls-La-2Lsingle根据雷达接收理论，雷达的最小可检测信号功率为Simin，由雷达接收机性能决定，k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10-23(J/K)；T为电阻温度，以绝对温度（K）计量，对于室温17℃，T＝T0＝290K；Bn为设备的通带，τ为脉冲宽度；F0为接收机的噪声系数，为接收机输出端最小信噪比，也称为检测因子D0，它由发现概率Pd和虚警概率Pfa决定，雷达探测因子由以下公式决定，对于非相参的脉冲积累方式有：x0＝(gfa+gd)2t＝0.9(2Pd-1)而对于相参的脉冲积累方式则有：Lf为目标波动损耗，对于无波动目标（斯威尔林模型0）有：Lf＝1，对于波动目标（如斯威尔林模型1、chi平方律等类型）有：Lf＝-(ln(Pd)(1+gd/gfa)-1。Np为脉冲积累数，由雷达的基本参数决定，对于机械扫描的雷达：其中，ΘH是天线水平波束宽度，度；fp是脉冲重复频率，Hz；φh是天线水平方向扫描速度，rpm；θ0是目标仰角，度（对于低空目标近似为0度）；而对于电扫描的雷达，脉冲积累数则由程序设定。雷达最小可检测信号写成dB形式为：Simin＝kT0BnF0D0＝-143.98+10log10Bn+F0+10log10(D0)Bn的单位：MHz。假设雷达检测受系统噪声的影响，则当接收到的功率Pr大于Simin时，雷达才能可靠的发现目标，当Pr正好等于Simin时，就得到雷达检测该目标的最大作用距离Rma，而Pr小于Simin时，目标为雷达电磁盲区内。更进一步的，考虑到大气波导分布的不均匀性，在传统的雷达扫描区域中可能会出现多个分布不均，形状不均的盲区。故作为一个较佳的实施方式，本发明还设有雷达扫描区域判定模块，在雷达的雷达扫描区域中划分网格，应用上述判断雷达超视距探测距离的方法计算每个网格节点的雷达回波功率；遍历全部的网格节点，将全部网格节点的回波功率与雷达的最小可检测信号功率进行比较：若某个所述的网格节点返回的回波功率小于所述雷达的最小可检测信号功率，则当前网格节点为雷达探测盲点；遍历所有网格节点，即可最终得到当前雷达的检测区域和检测盲区。更进一步的，本发明还设有针对多层大气波导情况下，对雷达超视距的检测结果进行判定的雷达测量误差评估模块。接收所述波导计算模块得出的当前波导高度和大气修正折射指数判断当前雷达的初始仰角是否大于零，根据射线理论计算在雷达天线发出的射线在多层空间中传播的总长度和多层空间的总高度，与目标距雷达的实际距离和目标的视在高度进行比较，得到雷达测量的高度误差和距离误差。采用的具体方法如下：应用射线理论，建立雷达测距和测高误差的评估模式—raytrace模式。由Snell法则，α2可通过下式获得，dir为射线方向，当射线向上传播时，dir=1，当射线向下传播时，dir=-1，Ψ1为射线弯曲角，β为地心角，根据Abel,et.al,1982，β1＝Ψ1+α2-α1根据余弦定理，TRGAPP1表示射线在这一层空间的长度，可由下式获得通过迭代算出每一层的TRGAPP1和β1，将所得结果进行累加，可得到射线在空间传播的总长度TRGAPP和总的地心角βtotal，如图示。目标距雷达的实际距离为TRG，可由下式获得：则目标的距离误差为：TRGERR＝TRGAPP-TRG目标的视在高度为THTAPP，使用4/3等效地球半径，将实际射线变成近似的直线，所得目标视在高度为：即可获得目标的高度误差：THTERR＝THTAPP-hn利用上述公式，可用编制程序模拟射线在空间传播的程序来评估雷达测量的高度和距离误差。进一步的，所述的雷达天线的高度可升降，可以根据当前大气波导的高度，在一定的范围内实时调节雷达天线的高度，以保证当前的雷达具有超视距性能。相应的，本发明的雷达为频率可变雷达，可改变自身的波段（频率），以适应不同大气波导环境的陷获频率，尽可能的保证雷达具有超视距探测性能。实施例1使用小功率的导航雷达（“古野”RF-7100D），其基本性能参数见下表：杭州湾外海（30o35’N，122o37’E）附近，正北航行。14:00开始通过测量大气温度（19.8℃）、湿度（43%）、海表水温（18℃）和海面风速（10.4m/s）等要素，监测到船舶所在海域存在可利用的蒸发波导，波导高度为30.18m，其修正折射指数廓线结构如图6所示。数据处理过程利用PEM-SSFA综合数值模式，对实测蒸发波导环境下雷达电磁波进行数值计算，得到的单程传播损失的空间分布，如图7所示。这里将单点实测的蒸发波导环境作为雷达探测区域的单一环境是一种近似处理，这种近似在开阔海域或者说大气水平均匀性良好的海域是合理的。可以看出：蒸发波导高度大于雷达天线高度，出现“陷获”传播特征，波导层内传播损失小于标准大气环境下，雷达容易出现低空超视距探测。雷达主要探测海面的船舶目标，假定目标为大型船舶，RCS为20000m2，目标无起伏或慢起伏。雷达虚警概率为10-6，探测概率要求为0.9，利用传播损耗计算公式得到传播损失门限阈值Tsingle为139.1dB。利用这一门限值对图7的传播损失空间分布进行阈化处理，得到雷达对大型船舶目标的探测概率空间分布，实际上，单门限值阈值处理的结果只有“能”和“不能”探测到目标两种结果。对于指定目标高度的单门限阈化处理，可以直接对该指定高度上单程传播损失随距离分布中进行雷达最大探测距离的评估。从图7中分别提取17.5m和25m高度上的计算结果得到单程传播损失随距离的变化，如图8中圆标志和框标志实线所示。为了与标准大气环境下进行对比，数值计算标准大气环境下的传播损失的空间分布，同样提取17.5m和25m两个高度上传播损失随距离的变化，如图8中三角标志和正号标志虚线所示。满足探测概率和虚警概率所要求的门限为139.1dB，如图8中的无标志线。图8中可以分析雷达在不同传播环境下对不同高度目标的最大探测距离（门限直线与传播损失距离变化曲线最远相交的距离）。由于雷达主要探测海面的船舶目标，通常以船舶有效高度以下所有高度上的最大探测距离中最大一个作为雷达性能评估的结果，从图8的数值计算结果可以看出，雷达在试验蒸发波导环境下，在17.5m高度上具有最大探测距离。下表说明了雷达对17.5m高度目标在不同传播环境下的探测能力对比。表中雷达视距Rhor是利用视距方程算得到，是雷达视距探测的理想最大作用距离，为35.2km；标准大气环境下满足虚警率10-6、探测概率0.9条件下雷达的最大距离，为25.4km；而实测的蒸发波导环境下，评估雷达能够探测80.1km处的大型船舶目标，远远超出理想视距和标准大气环境下的探测距离。试验过程中，导航雷达观测到了大量视距外的目标回波，表中还列举了雷达观测到的典型海上船舶目标（上海港外的大型船只）。事实上，雷达还观测到了大量100km外的海面岛屿、建筑及地形回波，典型的如观测到127.8km外的东方明珠电视塔、124.1km外的金山回波等，探测实物照片如图9所示，船舶所处的位置如图10所示。此处即为本发明一个意想不到的技术效果，即能够准确的获得海岸线的轮廓，可以在海面蒸发波导存在的情况下，精确的探测海岸线的轮廓，方便船只及时规避。从雷达最大探测距离评估结果与雷达实际探测效果的比较来看，两者吻合较好，这也说明蒸发波导环境下雷达具有低空超视距探测能力，同时也说明基于PEM-SSFA的综合数值模式及雷达性能评估方法的准确性。然而，在试验数据的处理过程中，使用了目标假设以及单一蒸发波导环境近似处理，这些假设与近似都与实际并不完全相符，如船舶目标反射截面积的假设，考虑超视距探测情况下，电磁波被限制在波导层内，此时电磁波照射只能照射到波导层高度以下船体上，这些特征必然引起超视距探测时船舶目标RCS的一些变化。另外，海上的蒸发波导环境具有一定的时空分布特征，这些必然为雷达性能评估带来一定的误差。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。