雷達(dá)威力預(yù)報(bào)技術(shù)中海表溫度測(cè)量及修正方法

崔萌達(dá)， 察 豪， 田 斌

(海軍工程大學(xué) 海軍信息裝備作戰(zhàn)應(yīng)用研究所， 武漢 430033)

雷達(dá)威力預(yù)報(bào)技術(shù)中海表溫度測(cè)量及修正方法

崔萌達(dá)， 察 豪， 田 斌

(海軍工程大學(xué) 海軍信息裝備作戰(zhàn)應(yīng)用研究所， 武漢 430033)

針對(duì)雷達(dá)探測(cè)威力預(yù)報(bào)中海表溫度測(cè)量問題，提出一種基于紅外傳感器的修正方法. 分析了紅外傳感器產(chǎn)生測(cè)量偏差的原因，通過(guò)對(duì)海面紅外輻射及反射情況進(jìn)行建模，仿真分析了天空溫度對(duì)海表面溫度測(cè)量結(jié)果和雷達(dá)威力預(yù)報(bào)結(jié)果的影響，并提出海表溫度的修正方法. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，將該方法應(yīng)用到雷達(dá)威力預(yù)報(bào)中，預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際雷達(dá)威力相對(duì)誤差小于20%的概率高達(dá)80%，顯著提高了雷達(dá)威力預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)精度.

微波超視距；雷達(dá)威力預(yù)報(bào)；蒸發(fā)波導(dǎo)；紅外測(cè)量；海表溫度

for radar detection range prediction

蒸發(fā)波導(dǎo)是由水汽蒸發(fā)引起的大氣濕度隨高度銳減的大氣現(xiàn)象，它會(huì)造成電磁波的異常傳播，并減小電磁波的海上傳播損耗. 蒸發(fā)波導(dǎo)具有較高的發(fā)生概率，所以廣泛應(yīng)用于超視距雷達(dá)探測(cè)[1]. 然而大氣參數(shù)會(huì)隨時(shí)間和空間不斷變化，超視距雷達(dá)的探測(cè)威力也將發(fā)生變化. 雷達(dá)威力的預(yù)測(cè)可為作戰(zhàn)艦艇提供輔助決策，使其合理把握雷達(dá)開關(guān)機(jī)時(shí)間，提高生存能力. 通過(guò)蒸發(fā)波導(dǎo)計(jì)算雷達(dá)探測(cè)威力，首先需要測(cè)量海上的水文氣象參數(shù)，包括風(fēng)速、濕度、氣壓以及海表溫度，然后通過(guò)波導(dǎo)模型得到海上大氣折射率廓線[2-3]，再通過(guò)電磁波傳播模型計(jì)算雷達(dá)電波傳播損耗，最終預(yù)測(cè)出雷達(dá)的探測(cè)威力[2,4]. 海表溫度的測(cè)量影響著預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確程度，是整個(gè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的難點(diǎn).

海表溫度的測(cè)量與海水溫度測(cè)量不同，是測(cè)量海水與空氣接觸部分的水溫. 因蒸發(fā)作用和熱交換作用的存在，海表溫度與海水溫度存在一定區(qū)別[5]. 與其他接觸式溫度傳感器相比，利用紅外傳感器測(cè)量海水溫度具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[6-7]：一是在紅外波段，海水的透射率很低，紅外傳感器測(cè)量的溫度為海表面以下幾毫米的海水溫度，與理論上的海表溫度十分接近[8]；二是紅外傳感器與海面不發(fā)生接觸，不會(huì)因熱傳導(dǎo)而改變被測(cè)海水的溫度. 但因海表面的紅外輻射率小于1，加上天空背景的干擾，紅外傳感器的測(cè)量溫度與真實(shí)的海溫之間存在偏差，會(huì)使得測(cè)量溫度低于真實(shí)溫度.

本文針對(duì)紅外傳感器溫度測(cè)量的偏差，結(jié)合海面與天空的紅外輻射模型，提出一種基于紅外傳感器的海表溫度修正方法，并將其應(yīng)用到超視距雷達(dá)的威力預(yù)報(bào)中，驗(yàn)證了方法的有效性.

1 紅外溫度測(cè)量及影響因素

1.1 紅外溫度測(cè)量模型

紅外傳感器通過(guò)測(cè)量被測(cè)物體的紅外輻射，能在不接觸物體的條件下，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量. 以熱釋電型紅外溫度傳感器為例，傳感器利用溫差電效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量因溫差引起的電壓值U0，得到被測(cè)物的輻射溫度Tm，即傳感器的測(cè)量結(jié)果.U0和Tm的關(guān)系可表示為[9]

式中:Ta表示傳感器自身的溫度，單位為華氏溫度；C為與傳感器自身結(jié)構(gòu)相關(guān)的參數(shù).

(1)

1.2 海溫測(cè)量影響因素分析

為研究紅外傳感器在艦船條件下海表溫度的測(cè)量精度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了高度和傾角對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響. 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)高度的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果基本沒有影響，但傾角的增大會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差的增大. 這一測(cè)量誤差，實(shí)際為海表面紅外輻射的物理過(guò)程造成的測(cè)量溫度和真實(shí)溫度之間的偏差.

紅外傳感器的測(cè)量結(jié)果實(shí)際為等效黑體的溫度，但海面的輻射率小于黑體的輻射率，即小于1，并且輻射率會(huì)隨輻射角度的增大而降低，因此測(cè)量的海表溫度將小于實(shí)際海表溫度. 同時(shí)，輻射角度增大時(shí)海面的反射率會(huì)增大，天空背景的干擾也將增大.

因此紅外傳感器測(cè)量溫度，并非真實(shí)海表溫度. 通過(guò)測(cè)量的溫度獲取真實(shí)的海表溫度，需要對(duì)海面的輻射率和反射率進(jìn)行建模，測(cè)量并補(bǔ)償天空溫度.

2 海表面溫度測(cè)量模型

海面的輻射率變化及反射的天空溫度會(huì)造成海表面的測(cè)量溫度存在偏差，在此將對(duì)海表面的紅外輻射和反射的天空輻射進(jìn)行建模，分析測(cè)量偏差的分布概率.

2.1 海表面的紅外輻射模型

針對(duì)海表面的輻射率問題，常用的模型是平靜海面模型，該模型考慮了輻射方向變化對(duì)海面紅外輻射率的影響，可表示為[6,10]

ε(θ)=0.98[1-(1-cosθ)5]，

式中θ表示海面的輻射方向與Z軸的夾角.

該模型忽略了海面波浪的起伏對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響. 為獲得更準(zhǔn)確的海面輻射模型，需要考慮海浪影響.CharlesCox及WalterMunk給出了海浪坡度的分布概率，其概率密度函數(shù)為[6,10]

(2)

sx=-tanθncosφn，

sy=-tanθncosφn，

cosχ=cosθncosθe+cos(φe-φn)sinθnsinθe.

(3)

通過(guò)變量代換，式(2)可寫為

(4)

(5)

式中Mb(Tsea,λ)表示表溫度為Tsea時(shí)，海面的輻射出射度，海溫取華氏溫度.

2.2 天空反射模型

由基爾霍夫定律可知，海水的輻射率ελ和反射率ρλ相加為1，存在

ελ(χ)=1-ρλ(χ)，

式中χ意義與式(3)相同. 因此可以得到海水反射的輻射亮度為

Lf(λ,θe,φe)=

(6)

式中un與φn意義與式(4)相同.

根據(jù)海表面的紅外輻射模型和天空反射模型，可以得到紅外傳感器的溫度測(cè)量模型，傳感器受到的輻射照度可表示為

(7)

2.3 溫度測(cè)量模型的驗(yàn)證

2.3.1 海表面溫度測(cè)量模型的驗(yàn)證

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)A斜條件下傳感器的測(cè)量結(jié)果，并與溫度測(cè)量模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較.

實(shí)驗(yàn)時(shí)天氣為多云，測(cè)量到的天空溫度為12.2 ℃，圖1給出了不同傾斜條件下的海表溫度的測(cè)量結(jié)果. 從結(jié)果可以看出，模型仿真結(jié)果同測(cè)量結(jié)果基本一致. 造成誤差的主要原因包括以下幾個(gè)方面：1)水表溫度不均勻且存在流動(dòng)，水溫存在一定的變化；2)測(cè)量過(guò)程中需要人工操作，測(cè)量結(jié)果可能會(huì)受人體紅外輻射的影響；3)傳感器傾角存在測(cè)量誤差.

圖1 溫度測(cè)量模型驗(yàn)證

2.3.2 海表溫測(cè)量偏差統(tǒng)計(jì)

海面輻射率隨輻射方向增大而降低，使得傳感器測(cè)量到的海面輻射亮度降低，同時(shí)反射率的增大使得天空溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響增大. 為驗(yàn)證在不同風(fēng)速、艦船橫縱搖條件下，天空紅外輻射的影響，仿真了測(cè)量偏差的概率分布函數(shù). 在一定范圍內(nèi)隨機(jī)選取風(fēng)速、縱橫搖角度、天空溫度及海表溫，風(fēng)速選擇范圍為0～10 m/s，縱橫搖角度選擇范圍為對(duì)應(yīng)浪級(jí)下的傾角范圍，天空溫度選擇范圍為-40～20 ℃，海表溫選擇范圍為15～30 ℃. 仿真結(jié)果見圖2.

圖2 測(cè)量偏差概率分布

從結(jié)果看，若不對(duì)海水的輻射率和天空溫度的干擾進(jìn)行修正，測(cè)量溫度與真實(shí)海溫間偏差<1.5 ℃的概率<90 %，偏差<1 ℃的概<60%，而偏差<0.3 ℃<6%.

3 海表溫度修正算法研究

3.1 海表溫度修正算法

若忽略式(7)中的波長(zhǎng)，依據(jù)史蒂芬-玻爾茲曼定律，可以得到傳感器測(cè)量溫度Tm和真實(shí)海溫Tsea的關(guān)系為

(8)

(9)

(10)

因此，天空溫度修正算法可表述為以下過(guò)程：

1)以艦艏向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系，獲取艦船縱搖角度α1及橫搖角度α2(右手坐標(biāo)系).

2)測(cè)量海上一定高度上的風(fēng)速，并計(jì)算12.5m高度上的風(fēng)速.

3)獲取天空溫度Tsky并計(jì)算輻射亮度. 獲取天空溫度Tsky的方法包括經(jīng)驗(yàn)法和測(cè)量法，兩種方法將通過(guò)仿真對(duì)比進(jìn)行選擇.

傳感器測(cè)量?jī)A角為45 °時(shí)，θs=45 °，安裝于左舷的傳感器φs=180 °，右舷的傳感器φs=0 °.

7)通過(guò)式(8)計(jì)算海水的溫度.

3.2 天空溫度補(bǔ)償方法

對(duì)海表溫度進(jìn)行修正，需要補(bǔ)償天空的紅外輻射溫度. 天空溫度的獲取方法包括經(jīng)驗(yàn)法和測(cè)量法. 測(cè)量法是對(duì)天空溫度進(jìn)行測(cè)量，需要加裝一路對(duì)天的傳感器，與經(jīng)驗(yàn)法相比實(shí)現(xiàn)過(guò)程更為復(fù)雜，但補(bǔ)償精度高；經(jīng)驗(yàn)法是根據(jù)以往的氣象條件，選擇一個(gè)合適天空溫度實(shí)現(xiàn)修正，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但補(bǔ)償精度差. 在此，對(duì)經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行仿真，若此方法的補(bǔ)償精度可使雷達(dá)威力預(yù)報(bào)結(jié)果達(dá)到20 %相對(duì)誤差的指標(biāo)要求，則可放棄測(cè)量法. 仿真時(shí)使用NPS模型計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)折射率廓線[11]，PE模型計(jì)算電磁波傳播損耗[12-13].

設(shè)用于補(bǔ)償?shù)奶炜諟囟确謩e為20 ℃、-10 ℃、0 ℃和10 ℃，傳感器的測(cè)量結(jié)果使用2.3中的仿真結(jié)果. 圖3給出了4種天空溫度補(bǔ)償后仍存在誤差的概率分布. 從圖3可以看出，選用-10 ℃作為補(bǔ)償溫度誤差概率相對(duì)較小，小于0.6 ℃的概率為90%，小于0.3 ℃的概率為50 %.

圖3 經(jīng)驗(yàn)法補(bǔ)償誤差的概率分布

若海溫誤差為0.1 ℃到0.6 ℃，圖4給出了不同溫度誤差造成的雷達(dá)威力預(yù)報(bào)誤差的概率分布函數(shù). 氣溫、海表溫、風(fēng)速及濕度在一定范圍內(nèi)隨機(jī)選取，其中海溫選擇范圍為15～30 ℃，氣海溫差選擇范圍為-2～2 ℃，風(fēng)速選擇范圍為0～10 m/s，濕度選擇范圍為45%～95%. 從圖4可以看出，當(dāng)海溫誤差為0.1 ℃到0.6 ℃時(shí)，預(yù)報(bào)相對(duì)誤差小于20 %的概率分別約為96 %、92 %、89 %、86 %、83 %和79 %. 因此可以得到，使用經(jīng)驗(yàn)法得到的修正溫度，會(huì)導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果相對(duì)誤差小于20 %概率分別約為71 %. 可以看出，采用經(jīng)驗(yàn)法會(huì)使預(yù)報(bào)誤差較大，無(wú)法滿足雷達(dá)威力預(yù)報(bào)的要求. 也有研究指出[14]，在穩(wěn)定層結(jié)條件下溫度測(cè)量誤差應(yīng)小于0.2 ℃，不穩(wěn)定層結(jié)測(cè)量誤差應(yīng)小于0.5 ℃. 因此在補(bǔ)償天空溫度時(shí)應(yīng)采用測(cè)量法.

圖4 預(yù)報(bào)距離誤差的概率分布

4 海上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文方法在實(shí)際雷達(dá)威力預(yù)報(bào)中的效果和作用，項(xiàng)目組于2015年8月在江蘇北部黃海海域行了為期20 d的海上實(shí)驗(yàn). 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由一套水文氣象采集器和一臺(tái)工作于X波段的雷達(dá)組成，氣象水文采集器用于采集風(fēng)速、濕度、壓強(qiáng)、氣溫和海溫等氣象參數(shù)，X波段雷達(dá)用于探測(cè)海上目標(biāo)，獲取雷達(dá)可探測(cè)到最遠(yuǎn)目標(biāo)的距離參數(shù)，艦船的傾斜角度通過(guò)傾角傳感器測(cè)得，并將測(cè)得的角度和氣象數(shù)據(jù)輸送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算雷達(dá)的探測(cè)效能. 實(shí)驗(yàn)中，共測(cè)得有效數(shù)據(jù)198組，得到雷達(dá)威力預(yù)報(bào)的相對(duì)誤差分布曲線如圖5所示.

圖5 海上實(shí)驗(yàn)中預(yù)報(bào)威力相對(duì)誤差的概率分布函數(shù)

Fig.5 Probability distribution of relative error of predicted detection range

從圖5可以看出，利用修正的海溫實(shí)現(xiàn)雷達(dá)威力預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)結(jié)果的誤差有顯著的降低. 使用未修正的海溫，預(yù)報(bào)結(jié)果相對(duì)誤差小于20%的概率約為60%，而使用修正后的海溫，預(yù)報(bào)結(jié)果相對(duì)誤差小于20%的概率大于80%.

預(yù)報(bào)結(jié)果與測(cè)試結(jié)果仍存在一定的偏差，其原因可能包括以下幾個(gè)方面：

1)波導(dǎo)預(yù)報(bào)模式為單點(diǎn)預(yù)報(bào)，即假設(shè)大氣折射率剖面水平均勻分布，僅利用雷達(dá)周圍的天氣參數(shù)對(duì)整片海域的波導(dǎo)條件進(jìn)行預(yù)報(bào). 而在實(shí)際探測(cè)過(guò)程中，大氣折射率水平分布均勻的條件不一定成立，尤其是陸地附近，折射率在水平方向上存在較明顯的變化[15].

2)海上目標(biāo)的RCS不能準(zhǔn)確估計(jì). 由于被測(cè)目標(biāo)為非合作目標(biāo)，目標(biāo)RCS的大小和方向性只能通過(guò)人為設(shè)置，這在某種程度上造成了測(cè)量誤差.

3)艦艇運(yùn)動(dòng)過(guò)程仍會(huì)對(duì)采集到的氣象水文數(shù)據(jù)有一定影響，測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差. 預(yù)報(bào)模型中，仍存在一些敏感點(diǎn)，使得微小的氣象誤差會(huì)造成較大的預(yù)報(bào)誤差.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)雷達(dá)威力預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的海表面溫度的修正方法展開研究. 首先研究了紅外傳感器的測(cè)量過(guò)程，指出了傳感器傾角和天空背景對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響. 在此基礎(chǔ)上對(duì)海面紅外輻射和天空反射進(jìn)行建模，給出測(cè)量偏差修正公式以及天空溫度補(bǔ)償方法. 最后，將提出的海表溫度測(cè)量及修正方法應(yīng)用到雷達(dá)威力預(yù)報(bào)中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用本文方法預(yù)報(bào)的雷達(dá)探測(cè)距離相對(duì)誤差小于20 %的概率高于80 %，具有較高的預(yù)報(bào)精度.

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(編輯 王小唯， 苗秀芝)

Measurement and modification method of sea surface temperature

CUI Mengda, CHA Hao, TIAN Bin

(Institute of Electromagnetic Environment, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Aiming at the problem of sea surface temperature (SST) measurement in radar power prediction (RPP), a modification method of sea surface temperature is proposed based on infrared sensor. The measured deviation of infrared sensor for SST is analyzed. The infrared models of sea surface radiation and reflection are modeled. The affections of sky radiation to result of SST and RPP are analyzed by simulation. A modification method for RPP is deduced. Through experiment, the result shows that the relative error of prediction result is limited in 20% with 80% probability by this method, which greatly enhances the prediction accuracy.

microwave over the horizon; radar detection range; evaporation duct; infrared measurement; sea surface temperature

10.11918/j.issn.0367-6234.201611018

2016-11-12

國(guó)家自然科學(xué)基金(414005009)；國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(K201510)；湖北省自然科學(xué)基金(2015CFB692)

崔萌達(dá)(1990—)，男，博士研究生； 察 豪(1966—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

察 豪，hydchj@sina.com

TN95

A

0367-6234(2017)05-0116-06