《海杂波模型的实验研究》学术报告

作者及发表信息
本研究由美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory）的N. W. Guinard和J. C. Daley合作完成，发表于1970年4月的《Proceedings of the IEEE》第58卷第4期。

学术背景
研究领域为电磁波与粗糙表面的相互作用，聚焦于海面雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS）的建模与验证。海杂波（sea clutter）是雷达海洋监测中的主要噪声源，其特性受海面粗糙度、风速、极化方式等因素影响。此前，Rice、Bass等人提出了“微粗糙表面”（slightly rough surface）理论，但未充分考虑大尺度涌浪（swell）对散射的调制作用。本研究旨在提出一种“复合表面”（composite surface）模型，将微粗糙表面（由短重力波和毛细波组成）叠加于大尺度涌浪结构上，以更准确地预测RCS随频率、极化方式和入射角的变化规律，并验证其在高海况下的适用性。

研究流程
1. 模型构建
- 基于Phillips的平衡范围波谱理论（equilibrium range spectrum），推导海面高度变化的能量密度谱，结合布拉格散射条件（Bragg scattering condition），建立RCS的理论表达式。
- 引入“复合表面”概念：大尺度涌浪倾斜散射面，微粗糙表面（毛细波/短重力波）主导布拉格散射。模型预测RCS在风速超过5 m/s时趋近饱和值（saturation value）。

1. 实验设计

   • 设备：使用四频雷达系统（4FR），覆盖UHF至X波段（428 MHz–8910 MHz），支持水平（H）和垂直（V）极化切换，具备相干脉冲检测能力。
     
   • 校准：通过内外部校准（铝球参考目标）确保RCS测量精度±2 dB。
     
   • 数据采集：
     
     • 1965年波多黎各实验：低海况（风速≤10 m/s，浪高≤2.7 m），测量UHF至X波段多极化RCS。
       
     • 1969年北大西洋实验：高海况（风速24 m/s，浪高8 m），验证模型在极端条件下的适用性。
       

2. 数据分析

   • 对比理论预测与实测数据，分析RCS随风速、频率、极化和入射角的变化趋势。
     
   • 特别关注浅掠射角（shallow grazing angles）下涌浪倾斜效应的影响。
     

主要结果
1. 饱和效应验证：高风速（>5 m/s）下RCS趋近理论饱和值，与Phillips谱预测一致（图2–图7）。例如，X波段垂直极化RCS在风速24 m/s时达-10 dB至-20 dB（图7）。
2. 频率依赖性：RCS随频率升高而增大，但水平极化下UHF与X波段差异达15 dB（图6），与Kinsman谱的λ⁻¹依赖趋势更吻合。
3. 极化差异：垂直极化RCS普遍高于水平极化，尤其在浅掠射角下（图5 vs. 图9）。
4. 涌浪倾斜效应：浅掠射角时，涌浪倾斜显著改变表观入射方向，需在模型中修正（图3注释）。

结论与价值
1. 科学价值：
- 提出首个结合微粗糙表面与大尺度涌浪的复合模型，统一解释了RCS的多参数依赖性。
- 验证Phillips平衡谱的物理合理性，为海面波谱研究提供新依据。
2. 应用价值：
- 为雷达系统设计提供“最坏情况”下的海杂波上限（如X波段-10 dB），优化海洋监测雷达性能。
- 强调浅掠射角下涌浪倾斜不可忽略，修正传统“零RCS”假设的误差。

研究亮点
1. 方法创新：首次将复合表面理论与多频段雷达实测结合，填补高海况数据空白。
2. 技术突破：4FR系统的多频/极化同步测量能力为后续研究树立标杆。
3. 理论修正：发现Kinsman谱在波长依赖性上更符合实测，为后续波谱选择提供新方向。

其他要点
- 实验揭示了非线性波相互作用（如飞沫、阴影效应）在高海况下的潜在影响，需进一步建模。
- 数据校准流程（如铝球跟踪）为同类研究提供了可复现的范例。

（注：专业术语如Bragg scattering首次出现时标注英文，后文沿用中文译名。）