高频超视距雷达天地波混合组网模式下海流反演

The HF hybrid sky-surface wave radar has the advantage of sky wave propagation and ground wave detection, such as wide detection range and flexible application. However, due to the complexity of the propagation channel, the inversion method of current and other ocean dynamics parameters becomes complex. A sky-surface radar hybrid networking system has been completed recently, including the hybrid sky-surface wave radar and the surface wave radar network. This project focuses on the theory, models and algorithms for current inversion under this system. Based on analysis of first-order sea echo spectrum characteristics for HF sky-surface propagation mode, the influence of bistatic location and ionosphere movement to the current detection is analyzed. Duo to the complexity of the sky wave routing, in the common coverage area of the surface wave radar and the sky wave radar, the currents distribution detected by the surface wave radar network is used as auxiliary source to obtain characteristics of the sky wave channel. The echo information of the surface wave radar is used to adjust the effects of ionosphere in the sky-surface hybrid propagation mode and then the current detection precision in range of the sky wave routing will be improved. The current inversion method will be obtained and optimized based on experiment data and error analysis. This work can provide a reference for developing the detection theory and methods of the ocean dynamics parameters in the new propagation mode.

天地波一体化探测兼具天波传播和地波探测的优点，在探测距离和应用灵活性方面有其独特优势，但其传播信道的复杂性给海流等海洋动力学参数的探测带来新的问题。项目组已于近期建成了一个“天地波一体化+地波组网”模式的混合体制超视距雷达实验网。本申请的目的是研究该探测构型下大面积海流反演的理论、模型和方法，从天地波一体化路径下海洋回波的特点入手，分析天-地双基地布局、电离层变化等因素对海流探测的影响。鉴于天波传播信道的复杂性，拟利用天波和地波共同覆盖区中地波雷达组网探测所获得的高精度海流分布作为确定天波信道特征的辅助源，即利用地波组网探测信息来校正电离层对天地波路径下海洋回波的影响，进而提高整个天波覆盖海域（地波雷达探测范围之外）的海流探测精度。在此基础上，结合现场试验数据，进行误差分析和算法优化，为发展超视距雷达混合组网体制下海洋动力学参数的探测理论和方法体系提供支持。

天地波混合组网体制海态雷达系统，是通过混合组网技术将天地波一体化探测与地波组网探测有机结合起来，试图从探测距离、探测结果准确性以及应用的灵活性等方面来提升高频超视距雷达的探测性能，但该体制下其高频电波传播信道比较复杂，由时变的电离层反射传播信道和海面绕射传播信道共同组成，其回波谱特性要比单一模式下要复杂很多，在进行海流探测的过程中，除了涵盖了天波和地波雷达各自具有的难题外，还要面对由两者交叉而引入的新问题。本项目围绕天地波混合组网模式下海流反演方法的研究，首先基于Barrick海面一阶散射理论推导了天地波模式下一阶回波产生机理和该模式下海流反演理论，开展了三次天地波混合组网现场试验，并结合试验结果完成了双基地布局和电离层变化对回波谱影响的分析，为天地波模式下海态参数反演提供了重要理论基础。在此基础上，通过基于直达波的相位梯度法和利用地波雷达探测结果作为辅助源来校正天地波电离层污染相结合的方法来完成电离层相位污染的校正。此外，针对天地波模式下反射点高度难以确定、多普勒污染严重等问题，结合地波雷达海流反演方法，利用基于傅里叶级数展开求取一阶Bragg频率和构造空间椭圆用以解决天地波雷达散射元定位等一系列方法来完成高频天地波雷达海洋表面流反演，并将反演结果与地波雷达结果进行了对比分析，试验数据分析结果表明了该方法的有效性。该项目实施过程中严格按照研究计划进行，完成了全部研究目标，在项目成果方面申请各类专利6项，获批3项；在各报刊、杂志发表论文10篇。本项目针对高频天地波雷达在海洋动力学探测和反演方面进行了探索和研究，该项目成果可为发展超视距雷达混合组网体制下海洋动力学参数的探测理论和方法体系提供支持。