一種改進(jìn)的地波雷達(dá)鄰近距離單元格一階海雜波對消方法＊

錢文振，紀(jì)永剛，王祎鳴，許樂達(dá)，戴永壽，于長軍

（1.中國石油大學(xué)（華東），山東 青島266555；2.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島266061；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海264209）

高頻地波雷達(dá)利用垂直極化高頻電磁波沿海面繞射的原理，能夠?qū)Ｃ媾灤暗涂诊w行目標(biāo)進(jìn)行超視距探測［1］。在地波雷達(dá)回波中會(huì)摻雜許多雜波，如海雜波、地雜波、電離層雜波等，對目標(biāo)檢測形成干擾。地波雷達(dá)時(shí)域信號(hào)經(jīng)過脈沖壓縮、波束合成及相干積累等信號(hào)處理后，可得到距離－多普勒波譜數(shù)據(jù)。雖然通過長時(shí)間的相干積累可以獲得所需的多普勒頻率分辨力，但海雜波、地雜波和電離層等雜波干擾依然存在。特別是海洋回波信號(hào)所產(chǎn)生的一階雜波幅度很高，在進(jìn)行目標(biāo)檢測時(shí)就很容易將這些雜波當(dāng)做目標(biāo)被檢測出來，以致于虛警率較高，有時(shí)目標(biāo)還會(huì)被海雜波一階譜、二階譜等給淹沒了，造成檢測盲區(qū)［2］。所以，在利用波譜數(shù)據(jù)開展目標(biāo)檢測前，需要對海雜波、地雜波進(jìn)行處理，來有效抑制海雜波、地雜波，以降低虛警率、提高探測率。

目前，對這種基于波譜數(shù)據(jù)的海雜波、地雜波抑制方面的研究相對較少，西安電子科技大學(xué)尚海燕利用待檢測“距離和”單元的時(shí)頻分布減去鄰近“距離和”單元的平均時(shí)頻分布的方法來削弱強(qiáng)雜波［3］，但此方法是假設(shè)艦船目標(biāo)在相干積累時(shí)間內(nèi)沒有距離模糊。本研究針對實(shí)驗(yàn)獲取的高頻地波雷達(dá)多普勒數(shù)據(jù)特性特點(diǎn)，分析了特定相干積累時(shí)間內(nèi)艦船目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性，特別是定量分析了目標(biāo)距離模糊特性，通過采用去目標(biāo)距離模糊的鄰近單元格波譜數(shù)據(jù)海雜波對消的方法來抑制海雜波，并將本研究海雜波抑制方法應(yīng)用于目標(biāo)檢測來驗(yàn)證其有效性。

1 相干積累時(shí)間對目標(biāo)回波的影響分析

本研究利用某地波雷達(dá)站獲取的并經(jīng)過波束合成及相干積累之后形成的R－D回波譜數(shù)據(jù)。圖1為發(fā)射頻率為4.7MHz時(shí)波束1方向的R－D回波譜數(shù)據(jù)，其相干積累時(shí)間為291.23s（重疊率為79.4%），距離單元格數(shù)為170，每個(gè)距離單元格對應(yīng)1.5km距離分辨。從圖中可以看出存在目標(biāo)、海雜波、地物雜波、電離層雜波、噪聲干擾等。圖中標(biāo)出了不同雜波區(qū)域。

在進(jìn)行多普勒濾波處理時(shí)需要對每個(gè)波束同一距離單元的回波信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行相干積累，在多普勒頻譜上區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和固定雜波，對目標(biāo)進(jìn)行分類和初步識(shí)別；對于積累時(shí)間的選擇則影響到信噪比的改善、目標(biāo)回波譜是否展寬以及目標(biāo)在積累時(shí)間內(nèi)是否運(yùn)動(dòng)出距離單元格。在滿足海浪信號(hào)平穩(wěn)性條件下，相干積累時(shí)間越長，獲得的信號(hào)功率越強(qiáng)，信噪比也越大；然而相干積累時(shí)間較長時(shí)，目標(biāo)由于航行方向和速度的變化，其多普勒頻率往往是時(shí)變的，信號(hào)功率譜有較大的擴(kuò)展而不能得到有效積累。另外，在進(jìn)行海上艦船目標(biāo)探測時(shí)，高頻地波雷達(dá)為保證足夠的多普勒頻率分辨率其相干積累時(shí)間不能太短［4］。針對海上艦船目標(biāo)采用短相干積累時(shí)間更有利于目標(biāo)探測，一般情況下對艦船目標(biāo)的積累時(shí)間為3～5min。

假定艦船的最大速度為30kn，距離單元格為1.5km，那么此艦船可以在97.2s后跨越此距離單元。積累時(shí)間大于97.2s時(shí)，進(jìn)行相干積累處理后，艦船會(huì)在這兩個(gè)甚至更多的距離單元格內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)。針對獲取的波譜數(shù)據(jù)來看，其積累時(shí)間為291.23s，在這段時(shí)間內(nèi)艦船目標(biāo)（速度30kn）可以航行4.5km，跨越了3個(gè)距離單元格，會(huì)產(chǎn)生距離模糊。這樣在一個(gè)積累時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)會(huì)在幾個(gè)距離單元格內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)目標(biāo)。實(shí)測數(shù)據(jù)處理如圖2所示，標(biāo)示的目標(biāo)在多普勒向頻率保持一致，距離向遠(yuǎn)離雷達(dá)。圖3為在頻率0.145 9，0.149 4，0.163 1Hz位置處的譜線，距離向范圍為37.5～52km，其中可以看出45km 和46.5 km處的回波幅度相差不大，48km處的回波幅度有所下降，分析其原因可能是目標(biāo)在積累時(shí)間內(nèi)剛駛?cè)朐摼嚯x單元格，49.5km以后該目標(biāo)幅度下降且目標(biāo)信息逐漸消失。由此可以看出該艦船目標(biāo)在積累時(shí)間內(nèi)跨越了3個(gè)距離單元格，且在頻譜范圍上有所展寬。圖4分別是45，46.5，48km處的波譜圖，該目標(biāo)多普勒頻率均為0.149 4Hz，幅度分別為80.4，80.52，69.6dB。在45km和46.5km 處的回波幅度相差不大，在48km處幅度下降11dB左右。通過對距離向和多普勒向的分析，可得出在相干積累時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)跨越了多個(gè)距離單元格，即在R－D波譜圖中目標(biāo)可以同時(shí)在多個(gè)距離單元格出現(xiàn)。

圖4 3處距離的多普勒回波譜圖Fig.4 The Doppler echo spectra at 3distance

2 去距離模糊的一階海雜波對消原理

相鄰距離單元格海雜波空時(shí)特性有相似性［5］，且在圖1中可以看出不同距離單元上海雜波一階峰空時(shí)特性差異較小。若同一波束方位內(nèi)、相鄰距離單元海雜波多普勒頻率差異小于1～2個(gè)多普勒分辨單元（多普勒分辨率取決于計(jì)算空時(shí)譜所采用的調(diào)頻周期數(shù)），可采用相鄰距離單元回波數(shù)據(jù)抑制海雜波［3］。在一個(gè)發(fā)射綜合波束內(nèi)，鄰近距離單元海雜波的幅頻特征具有一定的相關(guān)性，因此西安電子科技大學(xué)尚海燕選擇利用高頻地波雷達(dá)海洋回波時(shí)頻圖減去平均海雜波時(shí)頻分布圖來抑制海雜波［3］。這樣可以削弱強(qiáng)海雜波，使海雜波區(qū)以外的目標(biāo)得以凸顯。由于相干積累時(shí)間較長，艦船目標(biāo)在相干積累時(shí)間內(nèi)可能跨越幾個(gè)距離單元格，在選取距離單元時(shí)要避開自身的模糊單元。不同距離單元格內(nèi)多普勒回波數(shù)據(jù)進(jìn)行對消，兩對消距離單元格之間相隔3個(gè)距離單元。假設(shè)船的速度為30kn，這樣在291.23s的積累時(shí)間內(nèi)，艦船能航行4.5 km，所以艦船不可能到達(dá)選取的用來對消的單元格內(nèi)（至少相隔4.5km），從而不會(huì)對消掉目標(biāo)。假如兩對消單元格內(nèi)都有目標(biāo)，目標(biāo)徑向速度、船體大小不同也不會(huì)對消掉。對相鄰距離單元回波平均數(shù)據(jù)進(jìn)行對消處理，得到一階海雜波抑制掉的幅頻圖。對消處理可以將大部分一階海雜波、地雜波抑制掉，其對電離層雜波抑制也起到一定得作用。

方法流程：首先，選擇某一波束第N個(gè)距離單元回波數(shù)據(jù)作為待檢測距離單元數(shù)據(jù)；其次，在該波束下，選擇待檢測距離單元鄰近單元格的平均回波數(shù)據(jù)作為參考對消回波數(shù)據(jù)；最后，采用待檢測距離單元回波數(shù)據(jù)減去鄰近距離單元的平均回波數(shù)據(jù)的方法來抑制海雜波。具體公式為

式中，F(xiàn)N0為第N距離單元格原始回波譜數(shù)據(jù)；FN＋4，F(xiàn)N＋5，F(xiàn)N－4，F(xiàn)N－5分別為第N＋4，N＋5，N－4，N－5距離單元格回波譜數(shù)據(jù)；FN為第N距離單元格海雜波對消后結(jié)果。

由于進(jìn)行對消處理后，目標(biāo)單元格幅度有所下降，為不削弱目標(biāo)RCS值，需要對其進(jìn)行幅度補(bǔ)償。將對消前該單元格幅度平均值及對消后幅度平均值做差，求出所需要的幅度補(bǔ)償值，將對消后幅頻圖進(jìn)行幅度補(bǔ)償，把幅度還原到原始水平。

3 實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果與比對

3.1 去距離模糊的一階海雜波對消處理

下面對第28距離單元格的實(shí)測回波數(shù)據(jù)進(jìn)行海雜波抑制處理，并選取與其相隔3～5個(gè)距離單元的平均數(shù)據(jù)作為參考對消單元數(shù)據(jù)。將28距離單元格數(shù)據(jù)減去其對應(yīng)的參考對消單元數(shù)據(jù)后再進(jìn)行幅度補(bǔ)償即可得到海雜波抑制后回波數(shù)據(jù)。圖5為選取波束1方向的做對消處理的第28距離單元格（42km處）幅頻圖，圖中實(shí)線為第42km處的幅頻圖，虛線為鄰近平均距離單元格的幅頻圖。從圖中可以看出，相鄰單元格之間的海雜波有相關(guān)性［6］。做對消處理可以使海雜波有較大抑制，而目標(biāo)的多普勒頻率與海雜波多普勒頻率不同，對消時(shí)不會(huì)對消掉。利用待檢測距離單元格的原始數(shù)據(jù)除以鄰近距離單元格的平均數(shù)據(jù)再對其取對數(shù)，即兩單元格原始數(shù)據(jù)取對數(shù)后相減。將第28距離單元格數(shù)據(jù)減去鄰近平均距離單元格數(shù)據(jù)，采用波束1、距離42km處，對消結(jié)果如下圖所示：

從圖6可以看出，因?qū)ο蠓扔兴陆?，為使目?biāo)RCS值恢復(fù)原始水平，需要對其進(jìn)行幅度補(bǔ)償。將對消前該單元格幅度平均值及對消后幅度平均值做差，求出所需要的幅度補(bǔ)償值，將對消后幅頻圖進(jìn)行幅度補(bǔ)償，把幅度還原到原始水平。進(jìn)行38.1dB幅度補(bǔ)償后的幅頻圖結(jié)果如圖7所示。圖7中實(shí)線為對消前第42km處的幅頻圖，虛線為幅度補(bǔ)償后的幅頻圖。根據(jù)海雜波的特性分析，海雜波正負(fù)一階Bragg峰分別在頻率0.221 5Hz和－0.218 1Hz處，地雜波大體在零頻附近。從圖7可以看出，正負(fù)一階峰Bragg得到了較大的抑制，并且地雜波也得到了較大的抑制。而在零頻與正負(fù)一階Bragg峰之間頻率為0.180 3Hz，－0.152 8Hz處的目標(biāo)沒有被抑制掉，且經(jīng)幅度補(bǔ)償后幅度仍在60dB左右。從圖中可以推斷出，此單元格內(nèi)可能有兩個(gè)目標(biāo)，一個(gè)目標(biāo)正朝向雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)目標(biāo)在遠(yuǎn)離雷達(dá)站。圖8為對消后局部放大R－D波譜圖，圖9和圖10分別為忽略距離模糊對消結(jié)果及局部放大R－D波譜圖，從圖9、圖10中可以看出改進(jìn)前方法將目標(biāo)一起對消掉了。通過綜合對比可以得出去距離模糊的鄰近距離單元格海雜波對消法的有效性。

3.2 整體抑制效果比對分析

圖11為波束2、第一時(shí)相數(shù)據(jù)在所有距離單元格上的原始二維圖及對消后二維圖。

圖11 二維多普勒回波圖及對消圖Fig.11 2DDoppler echo spectrum and cancellation spectrum

從圖11中可以看出海雜波對消的整體效果，海雜波一階峰、二階峰以及地雜波得到了較大抑制，而目標(biāo)卻較明顯的顯現(xiàn)出來。利用海雜波的相關(guān)性進(jìn)行不同距離單元格海雜波對消效果較好。

下面利用常規(guī)CFAR檢測算法［7］進(jìn)行驗(yàn)證，采用波束2，第一時(shí)相數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本研究主要針對海雜波、地雜波抑制方法進(jìn)行研究，目標(biāo)檢測算法在這不做詳細(xì)描述，直接引用其做驗(yàn)證處理。選取雷達(dá)波束2方向，所有距離單元格，對海雜波抑制后的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測處理。圖12為原始二維圖和對消前目標(biāo)檢測結(jié)果的合成圖，圖13為原始二維圖和對消后目標(biāo)檢測結(jié)果的合成圖，圖中標(biāo)出的小圓圈為目標(biāo)檢測結(jié)果，也就是目標(biāo)。可以看出，進(jìn)行鄰近距離單元格雜波對消處理后，海雜波、地雜波得到了有效抑制，然而目標(biāo)卻都還保留著。從圖中可以明顯的看出，在波束2方向，0～250km范圍內(nèi)的目標(biāo)分布情況。當(dāng)然也不排除有特殊情況，兩對消格內(nèi)都有目標(biāo)且速度和大小相同時(shí)，此時(shí)會(huì)對消掉目標(biāo)。這種情況可以通過在距離單元格選取上的改進(jìn)而避免，或者用航跡關(guān)聯(lián)來判斷是否存在目標(biāo)。

4 結(jié)語

本研究針對強(qiáng)海雜波背景特點(diǎn)，開展了基于波譜數(shù)據(jù)的海雜波特性分析。考慮到地波雷達(dá)相干積累時(shí)間相對較長而造成目標(biāo)距離單元模糊，提出了改進(jìn)的鄰近距離單元格雜波對消的方法對地波雷達(dá)實(shí)測波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并用常規(guī)目標(biāo)檢測算法進(jìn)行了驗(yàn)證。從目標(biāo)檢測結(jié)果可以看出，檢測前對海雜波進(jìn)行對消預(yù)處理效果比較好，而且是很有必要的。這種預(yù)處理有效的避免了海雜波對目標(biāo)檢測的影響，降低了虛警率。

需要指出的是，在進(jìn)行對消處理時(shí)，淹沒在海雜波一階譜中的目標(biāo)會(huì)被對消掉，從而出現(xiàn)漏警的問題。因此在以后的工作中需要繼續(xù)對海雜波一階譜進(jìn)行特性分析，結(jié)合不同海雜波對消方法進(jìn)行分析，并通過時(shí)頻分析來確定淹沒在海雜波一階譜中的目標(biāo)。

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