海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?/h1>
2014-10-17 17:59:28任紅霞姬光榮吳庚坤
現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年19期
任紅霞 姬光榮 吳庚坤
摘 要： 為改善海洋環(huán)境雷達(dá)的檢測(cè)性能，基于海雜波后向散射特性，對(duì)GIT，TSC，NRL三種典型海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以均方差檢驗(yàn)法作為擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析了三種模型的擬合特點(diǎn)，給出了三種模型的適用性，結(jié)果表明，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，TSC模型次之， GIT模型擬合效果最差，其適用性隨海況、擦地角、極化方式的變化而呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 海雜波； 后向散射； 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?均方差檢驗(yàn)法
中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）19?0069?03
Empirical model research on backscatter coefficient of sea clutter
REN Hong?xia， JI Guang?rong， WU Geng?kun
（College of Information Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）
Abstract： In order to improve the detection performance of radar working in the marine environment， GIT， TSC， NRL three empirical models of typical backscatter coefficient were simulated based on the backscattering properties of the sea clutter. The results were compared with the measured data. MSD is adopted as the evaluation criteria of fitting goodness to analyze the fitting characteristics of the three models. The applicability of the three models is given. The analysis results show that the improved NRL model fits with the measured data best， the TSC model is better， and the GIT model is worst， whose applicability presents different characteristics with the change of sea state， grazing angle， polarization mode.
Keywords： sea clutter； backscattering； empirical model； MSD method
0 引 言
雷達(dá)照射海面，海面對(duì)雷達(dá)信號(hào)的后向散射回波即為海雜波。由于雷達(dá)以輻射電磁能和檢測(cè)回波信號(hào)的方式進(jìn)行工作，海雜波的存在勢(shì)必會(huì)影響海面目標(biāo)的檢測(cè)與追蹤，降低雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能[1?2]。因此，海雜波是影響海洋環(huán)境雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的主要因素。
海雜波的強(qiáng)弱受多方面因素影響，主要包括自然因素和雷達(dá)參數(shù)，如浪高、風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)的持續(xù)時(shí)間、入射余角、雷達(dá)頻率、天線模式、發(fā)射功率、極化方式等[1]。對(duì)海雜波特性進(jìn)行深入了解，基于海雜波特性建立仿真模型，通過設(shè)置雷達(dá)參數(shù)和環(huán)境因素來模擬仿真海雜波，從而指導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，抑制雜波，提取海面回波有用信號(hào)，最大限度地降低海雜波對(duì)雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)的干擾。
1 海雜波后向散射系數(shù)模型
海雜波后向散射特性是海雜波的重要特性之一。海雜波的強(qiáng)弱用單位面積的雷達(dá)橫截面積[σ0]來表示，[σ0]表征單位面積的雷達(dá)照射區(qū)域?qū)﹄姶挪ê笙蛏⑸淠芰Φ钠骄鶑?qiáng)度，又稱為后向散射系數(shù)[4]。典型的海雜波后向散射系數(shù)模型包括GIT模型[5]、TSC模型[6]、NRL模型[7]等。
GIT模型是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和不同海面散射機(jī)理數(shù)學(xué)模型而獲得的后向散射系數(shù)模型，其突出特點(diǎn)是同時(shí)利用風(fēng)速和平均波高來描述海況。在充分發(fā)展的海面，風(fēng)速和平均波高相關(guān)。在變化的環(huán)境中，風(fēng)速和平均波高可作為獨(dú)立參數(shù)。GIT模型定義如下[5]：
發(fā)射頻率為1～10 GHz時(shí)：
[σ0HH=10log （3.9×10-6λθ0.4FaFuFw）] （1）
[σ0VV=σ0HH-1.05ln （ha+0.015）+1.09lnλ+ 1.27ln （θ+0.000 1）+9.7， 3 GHz發(fā)射頻率為10～100 GHz時(shí)：
[σ0HH=10log （5.78×10-6λθ0.547FaFuFw）] （3）
[σ0VV=σ0HH-1.38lnha+3.43lnλ+1.31lnθ+18.55] （4）
TSC模型在結(jié)構(gòu)上和GIT模型類似，且海況用來計(jì)算有效風(fēng)速和浪高，這兩個(gè)參數(shù)也可獨(dú)立輸入。TSC模型定義如下[6]：
[σ0HH=10log 1.7×10-5θ0.5GaGuGw（λ+0.05）1.8] （5）
[σ0VV=σ0HH-1.73ln （2.507σz+0.05）+3.76lnλ+ 2.46ln （sinθ+0.000 1）+19.8， f<2 GHzσ0HH-1.05ln （2.507σz+0.05）+1.09lnλ+ 1.27ln （sinθ+0.000 1）+9.65， f≥2 GHz] （6）
NRL模型是Vilhelm和Rashmi于2009年提出的一種新的后向散射系數(shù)模型[7]。與前兩種模型不同的是，該模型只適用于風(fēng)向和波束夾角為90°（側(cè)風(fēng)）的情況。2012年，Vilhelm和Rashmi對(duì)NRL模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的NRL模型定義如下[8]：
[σ0H，V=c1+c2?lgsinθ+（27.5+c3?α）?lg f1+0.95?α+c4?（1+s）1（2+0.085?α+0.033?s）+c5?α2] （7）
上述定義中，[σ0HH，][σ0VV]表示HH和VV極化時(shí)的散射系數(shù)；[λ]為雷達(dá)波長(zhǎng)；[θ]為擦地角；[ha]為海面波高平均值；[σz]為海面波高標(biāo)準(zhǔn)差；[Fa，][Fu，][Fw，][Ga，][Gu，][Gw]均為調(diào)整因子；[s]為道格拉斯海況等級(jí)；[f]為雷達(dá)頻率，[c1?c5]為固定參數(shù)值。
2 仿真及分析
文獻(xiàn)[6]對(duì)上述模型進(jìn)行了總結(jié)，但只給出了各模型的適用范圍，并未針對(duì)海況、擦地角等影響因子給出具體的適用情況。在此基礎(chǔ)上對(duì)三種模型進(jìn)行仿真，并與Nathanson書中的實(shí)測(cè)散射系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以均方差檢驗(yàn)法作為擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)分析各模型的擬合特點(diǎn)，總結(jié)其適用性。鑒于Nathanson書中的數(shù)據(jù)是逆風(fēng)、順風(fēng)和側(cè)風(fēng)測(cè)量結(jié)果的平均值，在仿真時(shí)風(fēng)向與波束的夾角應(yīng)為90°。
2.1 GIT模型仿真結(jié)果及分析
GIT模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表1。
由表1可以看出，VV極化狀態(tài)下，擦地角小于1°時(shí)，海情越高，GIT模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得越好；擦地角為1°～30°時(shí)，與1級(jí)海況數(shù)據(jù)符合得最差，其他海況符合得較好；擦地角為60°時(shí)，擬合程度隨海情升高而變差。同一海況下，擦地角由0.1°～10°時(shí)，擬合度均隨擦地角的增大而逐步改善；擦地角大于10°時(shí)，擬合度則隨擦地角的增大而降低。
HH極化狀態(tài)下，擦地角小于10°時(shí)，海情越高，擬合效果越好；擦地角為10°和30°時(shí)，海情越高，擬合度越差；擦地角為60°時(shí)，擬合度隨海情變化并無規(guī)律性改變。相同海況下，擦地角小于10°時(shí)，擦地角越大，擬合度越好；反之，擦地角越大，擬合度越差。除此之外，擦地角小于等于10°時(shí)，HH極化的擬合度要優(yōu)于VV極化。
2.2 TSC模型仿真結(jié)果及分析
TSC模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表2。
由表2可以看出，TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合特點(diǎn)隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律，但擬合程度要優(yōu)于GIT模型。在VV極化狀態(tài)，擦地角小于等于30°的情況下，各級(jí)海況的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合得較好。其中，擦地角為1°時(shí)均方誤差最小，擬合得最好；擦地角達(dá)到60°時(shí)，均方誤差顯著增大，擬合優(yōu)度明顯降低。HH極化狀態(tài)時(shí)，與各級(jí)海況擬合最優(yōu)的擦地角仍為1°；擦地角增大到60°時(shí)，擬合程度明顯變差。
2.3 NRL模型仿真結(jié)果及分析
改進(jìn)的NRL模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表3。
由表3可以看出，前面提到的三種模型，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，海況、擦地角、極化狀態(tài)的變化對(duì)擬合度也沒有顯著的影響。除海況為1級(jí)、擦地角為30°擬合較差外，絕大多數(shù)的均方誤差都在20以內(nèi)。
2.4 分析總結(jié)
綜合上述三種模型的仿真結(jié)果可知：
（1） GIT模型在極低擦地角和極高擦地角的情況下擬合效果較差，其中低海情、低擦地角的擬合效果最差；擦地角小于等于10°時(shí)，海情越高，擬合程度越好，且HH極化方式擬合優(yōu)度要高于VV極化；擦地角大于10°時(shí)，擬合效果逐漸變差。因此GIT模型適用于擦地角為1°～10°，中等或高等海況的仿真。
（2） TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度要明顯優(yōu)于GIT模型，擬合優(yōu)度隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律。在擦地角小于等于30°時(shí)，擬合效果很好，不適用于極大擦地角情況的仿真。
（3） 與前兩種模型相比，在各種海況、擦地角、極化方式下，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，但其只適用于風(fēng)向與波束夾角為90°的情況，因此側(cè)風(fēng)情況下可首先考慮用它來仿真。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文分析了GIT，TSC，NRL三種海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶攸c(diǎn)，并以環(huán)境因素和雷達(dá)參數(shù)作為輸入對(duì)其進(jìn)行仿真，通過計(jì)算仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方差，分析了海況、擦地角、極化方式等因素對(duì)各模型擬合程度的影響，總結(jié)了各模型的適用性，為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)及改善雷達(dá)檢測(cè)性能提供了理論依據(jù)。
需要指出的是，海洋環(huán)境復(fù)雜多變，在不同時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境中，即使同一部雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)也未必相同。本文中的仿真假設(shè)海面是充分發(fā)展的，且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，今后可考慮在充足數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)非充分發(fā)展海面的適用性。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙巨波，符燕，耿文東.海雜波統(tǒng)計(jì)特性分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27（11）：4?6.
[2] CHAN H C. Radar sea?clutter at low grazing angles [J]. IEE Radar and Signal Processing， 1990， 137（2）： 102?112.
[3] WARD K D， TUOGH R. Modelling radar sea clutter in the littoral [C]// 2008 IET Seminar on Radar Clutter Modelling. Stevenage， UK： IET， 2008： 25?31.
[4] SKOLNIK M I.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].左群生，徐國(guó)良，馬林，等譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[5] HORST M M， DYER F B， TULEY M T. Radar sea clutter model [C]//Antennas and Propagation Conference. Maryland， USA ： IEEE， 1978， 1： 6?10.
[6] ANTIPOY I. Simulation of sea clutter returns [R]. Salisubry： Defence Science and Technology Organization， 1998.
[7] GREGERS?HANSEN V， MITAL R. An empirical sea clutter model for low grazing angles [C]//Proceedings of Radar Confe?rence. [S.l.]： IEEE， 2009： 1?5.
[8] GREGERS?HANSEN V， MITAL R. An improved empirical model for radar sea clutter reflectivity [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. [S.l.]： IEEE， 2012， 48（4）： 3512?3524.
[9] NATHANSON F E， REILLY J P， COHEN M N. Radar design principles?Signal processing and the Environment [M]. 2 ed. America： SciTech Publishing， 1999.
NRL模型是Vilhelm和Rashmi于2009年提出的一種新的后向散射系數(shù)模型[7]。與前兩種模型不同的是，該模型只適用于風(fēng)向和波束夾角為90°（側(cè)風(fēng)）的情況。2012年，Vilhelm和Rashmi對(duì)NRL模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的NRL模型定義如下[8]：
[σ0H，V=c1+c2?lgsinθ+（27.5+c3?α）?lg f1+0.95?α+c4?（1+s）1（2+0.085?α+0.033?s）+c5?α2] （7）
上述定義中，[σ0HH，][σ0VV]表示HH和VV極化時(shí)的散射系數(shù)；[λ]為雷達(dá)波長(zhǎng)；[θ]為擦地角；[ha]為海面波高平均值；[σz]為海面波高標(biāo)準(zhǔn)差；[Fa，][Fu，][Fw，][Ga，][Gu，][Gw]均為調(diào)整因子；[s]為道格拉斯海況等級(jí)；[f]為雷達(dá)頻率，[c1?c5]為固定參數(shù)值。
2 仿真及分析
文獻(xiàn)[6]對(duì)上述模型進(jìn)行了總結(jié)，但只給出了各模型的適用范圍，并未針對(duì)海況、擦地角等影響因子給出具體的適用情況。在此基礎(chǔ)上對(duì)三種模型進(jìn)行仿真，并與Nathanson書中的實(shí)測(cè)散射系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以均方差檢驗(yàn)法作為擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)分析各模型的擬合特點(diǎn)，總結(jié)其適用性。鑒于Nathanson書中的數(shù)據(jù)是逆風(fēng)、順風(fēng)和側(cè)風(fēng)測(cè)量結(jié)果的平均值，在仿真時(shí)風(fēng)向與波束的夾角應(yīng)為90°。
2.1 GIT模型仿真結(jié)果及分析
GIT模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表1。
由表1可以看出，VV極化狀態(tài)下，擦地角小于1°時(shí)，海情越高，GIT模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得越好；擦地角為1°～30°時(shí)，與1級(jí)海況數(shù)據(jù)符合得最差，其他海況符合得較好；擦地角為60°時(shí)，擬合程度隨海情升高而變差。同一海況下，擦地角由0.1°～10°時(shí)，擬合度均隨擦地角的增大而逐步改善；擦地角大于10°時(shí)，擬合度則隨擦地角的增大而降低。
HH極化狀態(tài)下，擦地角小于10°時(shí)，海情越高，擬合效果越好；擦地角為10°和30°時(shí)，海情越高，擬合度越差；擦地角為60°時(shí)，擬合度隨海情變化并無規(guī)律性改變。相同海況下，擦地角小于10°時(shí)，擦地角越大，擬合度越好；反之，擦地角越大，擬合度越差。除此之外，擦地角小于等于10°時(shí)，HH極化的擬合度要優(yōu)于VV極化。
2.2 TSC模型仿真結(jié)果及分析
TSC模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表2。
由表2可以看出，TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合特點(diǎn)隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律，但擬合程度要優(yōu)于GIT模型。在VV極化狀態(tài)，擦地角小于等于30°的情況下，各級(jí)海況的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合得較好。其中，擦地角為1°時(shí)均方誤差最小，擬合得最好；擦地角達(dá)到60°時(shí)，均方誤差顯著增大，擬合優(yōu)度明顯降低。HH極化狀態(tài)時(shí)，與各級(jí)海況擬合最優(yōu)的擦地角仍為1°；擦地角增大到60°時(shí)，擬合程度明顯變差。
2.3 NRL模型仿真結(jié)果及分析
改進(jìn)的NRL模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表3。
由表3可以看出，前面提到的三種模型，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，海況、擦地角、極化狀態(tài)的變化對(duì)擬合度也沒有顯著的影響。除海況為1級(jí)、擦地角為30°擬合較差外，絕大多數(shù)的均方誤差都在20以內(nèi)。
2.4 分析總結(jié)
綜合上述三種模型的仿真結(jié)果可知：
（1） GIT模型在極低擦地角和極高擦地角的情況下擬合效果較差，其中低海情、低擦地角的擬合效果最差；擦地角小于等于10°時(shí)，海情越高，擬合程度越好，且HH極化方式擬合優(yōu)度要高于VV極化；擦地角大于10°時(shí)，擬合效果逐漸變差。因此GIT模型適用于擦地角為1°～10°，中等或高等海況的仿真。
（2） TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度要明顯優(yōu)于GIT模型，擬合優(yōu)度隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律。在擦地角小于等于30°時(shí)，擬合效果很好，不適用于極大擦地角情況的仿真。
（3） 與前兩種模型相比，在各種海況、擦地角、極化方式下，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，但其只適用于風(fēng)向與波束夾角為90°的情況，因此側(cè)風(fēng)情況下可首先考慮用它來仿真。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文分析了GIT，TSC，NRL三種海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶攸c(diǎn)，并以環(huán)境因素和雷達(dá)參數(shù)作為輸入對(duì)其進(jìn)行仿真，通過計(jì)算仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方差，分析了海況、擦地角、極化方式等因素對(duì)各模型擬合程度的影響，總結(jié)了各模型的適用性，為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)及改善雷達(dá)檢測(cè)性能提供了理論依據(jù)。
需要指出的是，海洋環(huán)境復(fù)雜多變，在不同時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境中，即使同一部雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)也未必相同。本文中的仿真假設(shè)海面是充分發(fā)展的，且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，今后可考慮在充足數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)非充分發(fā)展海面的適用性。
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[8] GREGERS?HANSEN V， MITAL R. An improved empirical model for radar sea clutter reflectivity [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. [S.l.]： IEEE， 2012， 48（4）： 3512?3524.
[9] NATHANSON F E， REILLY J P， COHEN M N. Radar design principles?Signal processing and the Environment [M]. 2 ed. America： SciTech Publishing， 1999.
NRL模型是Vilhelm和Rashmi于2009年提出的一種新的后向散射系數(shù)模型[7]。與前兩種模型不同的是，該模型只適用于風(fēng)向和波束夾角為90°（側(cè)風(fēng)）的情況。2012年，Vilhelm和Rashmi對(duì)NRL模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的NRL模型定義如下[8]：
[σ0H，V=c1+c2?lgsinθ+（27.5+c3?α）?lg f1+0.95?α+c4?（1+s）1（2+0.085?α+0.033?s）+c5?α2] （7）
上述定義中，[σ0HH，][σ0VV]表示HH和VV極化時(shí)的散射系數(shù)；[λ]為雷達(dá)波長(zhǎng)；[θ]為擦地角；[ha]為海面波高平均值；[σz]為海面波高標(biāo)準(zhǔn)差；[Fa，][Fu，][Fw，][Ga，][Gu，][Gw]均為調(diào)整因子；[s]為道格拉斯海況等級(jí)；[f]為雷達(dá)頻率，[c1?c5]為固定參數(shù)值。
2 仿真及分析
文獻(xiàn)[6]對(duì)上述模型進(jìn)行了總結(jié)，但只給出了各模型的適用范圍，并未針對(duì)海況、擦地角等影響因子給出具體的適用情況。在此基礎(chǔ)上對(duì)三種模型進(jìn)行仿真，并與Nathanson書中的實(shí)測(cè)散射系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以均方差檢驗(yàn)法作為擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)分析各模型的擬合特點(diǎn)，總結(jié)其適用性。鑒于Nathanson書中的數(shù)據(jù)是逆風(fēng)、順風(fēng)和側(cè)風(fēng)測(cè)量結(jié)果的平均值，在仿真時(shí)風(fēng)向與波束的夾角應(yīng)為90°。
2.1 GIT模型仿真結(jié)果及分析
GIT模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表1。
由表1可以看出，VV極化狀態(tài)下，擦地角小于1°時(shí)，海情越高，GIT模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得越好；擦地角為1°～30°時(shí)，與1級(jí)海況數(shù)據(jù)符合得最差，其他海況符合得較好；擦地角為60°時(shí)，擬合程度隨海情升高而變差。同一海況下，擦地角由0.1°～10°時(shí)，擬合度均隨擦地角的增大而逐步改善；擦地角大于10°時(shí)，擬合度則隨擦地角的增大而降低。
HH極化狀態(tài)下，擦地角小于10°時(shí)，海情越高，擬合效果越好；擦地角為10°和30°時(shí)，海情越高，擬合度越差；擦地角為60°時(shí)，擬合度隨海情變化并無規(guī)律性改變。相同海況下，擦地角小于10°時(shí)，擦地角越大，擬合度越好；反之，擦地角越大，擬合度越差。除此之外，擦地角小于等于10°時(shí)，HH極化的擬合度要優(yōu)于VV極化。
2.2 TSC模型仿真結(jié)果及分析
TSC模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表2。
由表2可以看出，TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合特點(diǎn)隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律，但擬合程度要優(yōu)于GIT模型。在VV極化狀態(tài)，擦地角小于等于30°的情況下，各級(jí)海況的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合得較好。其中，擦地角為1°時(shí)均方誤差最小，擬合得最好；擦地角達(dá)到60°時(shí)，均方誤差顯著增大，擬合優(yōu)度明顯降低。HH極化狀態(tài)時(shí)，與各級(jí)海況擬合最優(yōu)的擦地角仍為1°；擦地角增大到60°時(shí)，擬合程度明顯變差。
2.3 NRL模型仿真結(jié)果及分析
改進(jìn)的NRL模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表3。
由表3可以看出，前面提到的三種模型，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，海況、擦地角、極化狀態(tài)的變化對(duì)擬合度也沒有顯著的影響。除海況為1級(jí)、擦地角為30°擬合較差外，絕大多數(shù)的均方誤差都在20以內(nèi)。
2.4 分析總結(jié)
綜合上述三種模型的仿真結(jié)果可知：
（1） GIT模型在極低擦地角和極高擦地角的情況下擬合效果較差，其中低海情、低擦地角的擬合效果最差；擦地角小于等于10°時(shí)，海情越高，擬合程度越好，且HH極化方式擬合優(yōu)度要高于VV極化；擦地角大于10°時(shí)，擬合效果逐漸變差。因此GIT模型適用于擦地角為1°～10°，中等或高等海況的仿真。
（2） TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度要明顯優(yōu)于GIT模型，擬合優(yōu)度隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律。在擦地角小于等于30°時(shí)，擬合效果很好，不適用于極大擦地角情況的仿真。
（3） 與前兩種模型相比，在各種海況、擦地角、極化方式下，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，但其只適用于風(fēng)向與波束夾角為90°的情況，因此側(cè)風(fēng)情況下可首先考慮用它來仿真。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文分析了GIT，TSC，NRL三種海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶攸c(diǎn)，并以環(huán)境因素和雷達(dá)參數(shù)作為輸入對(duì)其進(jìn)行仿真，通過計(jì)算仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方差，分析了海況、擦地角、極化方式等因素對(duì)各模型擬合程度的影響，總結(jié)了各模型的適用性，為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)及改善雷達(dá)檢測(cè)性能提供了理論依據(jù)。
需要指出的是，海洋環(huán)境復(fù)雜多變，在不同時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境中，即使同一部雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)也未必相同。本文中的仿真假設(shè)海面是充分發(fā)展的，且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，今后可考慮在充足數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)非充分發(fā)展海面的適用性。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙巨波，符燕，耿文東.海雜波統(tǒng)計(jì)特性分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27（11）：4?6.
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[5] HORST M M， DYER F B， TULEY M T. Radar sea clutter model [C]//Antennas and Propagation Conference. Maryland， USA ： IEEE， 1978， 1： 6?10.
[6] ANTIPOY I. Simulation of sea clutter returns [R]. Salisubry： Defence Science and Technology Organization， 1998.
[7] GREGERS?HANSEN V， MITAL R. An empirical sea clutter model for low grazing angles [C]//Proceedings of Radar Confe?rence. [S.l.]： IEEE， 2009： 1?5.
[8] GREGERS?HANSEN V， MITAL R. An improved empirical model for radar sea clutter reflectivity [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. [S.l.]： IEEE， 2012， 48（4）： 3512?3524.
[9] NATHANSON F E， REILLY J P， COHEN M N. Radar design principles?Signal processing and the Environment [M]. 2 ed. America： SciTech Publishing， 1999.
任紅霞 姬光榮 吳庚坤
摘 要： 為改善海洋環(huán)境雷達(dá)的檢測(cè)性能，基于海雜波后向散射特性，對(duì)GIT，TSC，NRL三種典型海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行仿真，并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以均方差檢驗(yàn)法作為擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析了三種模型的擬合特點(diǎn)，給出了三種模型的適用性，結(jié)果表明，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，TSC模型次之， GIT模型擬合效果最差，其適用性隨海況、擦地角、極化方式的變化而呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： 海雜波； 后向散射； 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?均方差檢驗(yàn)法
中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）19?0069?03
Empirical model research on backscatter coefficient of sea clutter
REN Hong?xia， JI Guang?rong， WU Geng?kun
（College of Information Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）
Abstract： In order to improve the detection performance of radar working in the marine environment， GIT， TSC， NRL three empirical models of typical backscatter coefficient were simulated based on the backscattering properties of the sea clutter. The results were compared with the measured data. MSD is adopted as the evaluation criteria of fitting goodness to analyze the fitting characteristics of the three models. The applicability of the three models is given. The analysis results show that the improved NRL model fits with the measured data best， the TSC model is better， and the GIT model is worst， whose applicability presents different characteristics with the change of sea state， grazing angle， polarization mode.
Keywords： sea clutter； backscattering； empirical model； MSD method
0 引 言
雷達(dá)照射海面，海面對(duì)雷達(dá)信號(hào)的后向散射回波即為海雜波。由于雷達(dá)以輻射電磁能和檢測(cè)回波信號(hào)的方式進(jìn)行工作，海雜波的存在勢(shì)必會(huì)影響海面目標(biāo)的檢測(cè)與追蹤，降低雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能[1?2]。因此，海雜波是影響海洋環(huán)境雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的主要因素。
海雜波的強(qiáng)弱受多方面因素影響，主要包括自然因素和雷達(dá)參數(shù)，如浪高、風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)的持續(xù)時(shí)間、入射余角、雷達(dá)頻率、天線模式、發(fā)射功率、極化方式等[1]。對(duì)海雜波特性進(jìn)行深入了解，基于海雜波特性建立仿真模型，通過設(shè)置雷達(dá)參數(shù)和環(huán)境因素來模擬仿真海雜波，從而指導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，抑制雜波，提取海面回波有用信號(hào)，最大限度地降低海雜波對(duì)雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)的干擾。
1 海雜波后向散射系數(shù)模型
海雜波后向散射特性是海雜波的重要特性之一。海雜波的強(qiáng)弱用單位面積的雷達(dá)橫截面積[σ0]來表示，[σ0]表征單位面積的雷達(dá)照射區(qū)域?qū)﹄姶挪ê笙蛏⑸淠芰Φ钠骄鶑?qiáng)度，又稱為后向散射系數(shù)[4]。典型的海雜波后向散射系數(shù)模型包括GIT模型[5]、TSC模型[6]、NRL模型[7]等。
GIT模型是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和不同海面散射機(jī)理數(shù)學(xué)模型而獲得的后向散射系數(shù)模型，其突出特點(diǎn)是同時(shí)利用風(fēng)速和平均波高來描述海況。在充分發(fā)展的海面，風(fēng)速和平均波高相關(guān)。在變化的環(huán)境中，風(fēng)速和平均波高可作為獨(dú)立參數(shù)。GIT模型定義如下[5]：
發(fā)射頻率為1～10 GHz時(shí)：
[σ0HH=10log （3.9×10-6λθ0.4FaFuFw）] （1）
[σ0VV=σ0HH-1.05ln （ha+0.015）+1.09lnλ+ 1.27ln （θ+0.000 1）+9.7， 3 GHz 發(fā)射頻率為10～100 GHz時(shí)： [σ0HH=10log （5.78×10-6λθ0.547FaFuFw）] （3） [σ0VV=σ0HH-1.38lnha+3.43lnλ+1.31lnθ+18.55] （4） TSC模型在結(jié)構(gòu)上和GIT模型類似，且海況用來計(jì)算有效風(fēng)速和浪高，這兩個(gè)參數(shù)也可獨(dú)立輸入。TSC模型定義如下[6]： [σ0HH=10log 1.7×10-5θ0.5GaGuGw（λ+0.05）1.8] （5） [σ0VV=σ0HH-1.73ln （2.507σz+0.05）+3.76lnλ+ 2.46ln （sinθ+0.000 1）+19.8， f<2 GHzσ0HH-1.05ln （2.507σz+0.05）+1.09lnλ+ 1.27ln （sinθ+0.000 1）+9.65， f≥2 GHz] （6）
NRL模型是Vilhelm和Rashmi于2009年提出的一種新的后向散射系數(shù)模型[7]。與前兩種模型不同的是，該模型只適用于風(fēng)向和波束夾角為90°（側(cè)風(fēng)）的情況。2012年，Vilhelm和Rashmi對(duì)NRL模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的NRL模型定義如下[8]：
[σ0H，V=c1+c2?lgsinθ+（27.5+c3?α）?lg f1+0.95?α+c4?（1+s）1（2+0.085?α+0.033?s）+c5?α2] （7）
上述定義中，[σ0HH，][σ0VV]表示HH和VV極化時(shí)的散射系數(shù)；[λ]為雷達(dá)波長(zhǎng)；[θ]為擦地角；[ha]為海面波高平均值；[σz]為海面波高標(biāo)準(zhǔn)差；[Fa，][Fu，][Fw，][Ga，][Gu，][Gw]均為調(diào)整因子；[s]為道格拉斯海況等級(jí)；[f]為雷達(dá)頻率，[c1?c5]為固定參數(shù)值。
2 仿真及分析
文獻(xiàn)[6]對(duì)上述模型進(jìn)行了總結(jié)，但只給出了各模型的適用范圍，并未針對(duì)海況、擦地角等影響因子給出具體的適用情況。在此基礎(chǔ)上對(duì)三種模型進(jìn)行仿真，并與Nathanson書中的實(shí)測(cè)散射系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以均方差檢驗(yàn)法作為擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)分析各模型的擬合特點(diǎn)，總結(jié)其適用性。鑒于Nathanson書中的數(shù)據(jù)是逆風(fēng)、順風(fēng)和側(cè)風(fēng)測(cè)量結(jié)果的平均值，在仿真時(shí)風(fēng)向與波束的夾角應(yīng)為90°。
2.1 GIT模型仿真結(jié)果及分析
GIT模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表1。
由表1可以看出，VV極化狀態(tài)下，擦地角小于1°時(shí)，海情越高，GIT模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得越好；擦地角為1°～30°時(shí)，與1級(jí)海況數(shù)據(jù)符合得最差，其他海況符合得較好；擦地角為60°時(shí)，擬合程度隨海情升高而變差。同一海況下，擦地角由0.1°～10°時(shí)，擬合度均隨擦地角的增大而逐步改善；擦地角大于10°時(shí)，擬合度則隨擦地角的增大而降低。
HH極化狀態(tài)下，擦地角小于10°時(shí)，海情越高，擬合效果越好；擦地角為10°和30°時(shí)，海情越高，擬合度越差；擦地角為60°時(shí)，擬合度隨海情變化并無規(guī)律性改變。相同海況下，擦地角小于10°時(shí)，擦地角越大，擬合度越好；反之，擦地角越大，擬合度越差。除此之外，擦地角小于等于10°時(shí)，HH極化的擬合度要優(yōu)于VV極化。
2.2 TSC模型仿真結(jié)果及分析
TSC模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表2。
由表2可以看出，TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合特點(diǎn)隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律，但擬合程度要優(yōu)于GIT模型。在VV極化狀態(tài)，擦地角小于等于30°的情況下，各級(jí)海況的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合得較好。其中，擦地角為1°時(shí)均方誤差最小，擬合得最好；擦地角達(dá)到60°時(shí)，均方誤差顯著增大，擬合優(yōu)度明顯降低。HH極化狀態(tài)時(shí)，與各級(jí)海況擬合最優(yōu)的擦地角仍為1°；擦地角增大到60°時(shí)，擬合程度明顯變差。
2.3 NRL模型仿真結(jié)果及分析
改進(jìn)的NRL模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表3。
由表3可以看出，前面提到的三種模型，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，海況、擦地角、極化狀態(tài)的變化對(duì)擬合度也沒有顯著的影響。除海況為1級(jí)、擦地角為30°擬合較差外，絕大多數(shù)的均方誤差都在20以內(nèi)。
2.4 分析總結(jié)
綜合上述三種模型的仿真結(jié)果可知：
（1） GIT模型在極低擦地角和極高擦地角的情況下擬合效果較差，其中低海情、低擦地角的擬合效果最差；擦地角小于等于10°時(shí)，海情越高，擬合程度越好，且HH極化方式擬合優(yōu)度要高于VV極化；擦地角大于10°時(shí)，擬合效果逐漸變差。因此GIT模型適用于擦地角為1°～10°，中等或高等海況的仿真。
（2） TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度要明顯優(yōu)于GIT模型，擬合優(yōu)度隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律。在擦地角小于等于30°時(shí)，擬合效果很好，不適用于極大擦地角情況的仿真。
（3） 與前兩種模型相比，在各種海況、擦地角、極化方式下，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，但其只適用于風(fēng)向與波束夾角為90°的情況，因此側(cè)風(fēng)情況下可首先考慮用它來仿真。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文分析了GIT，TSC，NRL三種海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶攸c(diǎn)，并以環(huán)境因素和雷達(dá)參數(shù)作為輸入對(duì)其進(jìn)行仿真，通過計(jì)算仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方差，分析了海況、擦地角、極化方式等因素對(duì)各模型擬合程度的影響，總結(jié)了各模型的適用性，為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)及改善雷達(dá)檢測(cè)性能提供了理論依據(jù)。
需要指出的是，海洋環(huán)境復(fù)雜多變，在不同時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境中，即使同一部雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)也未必相同。本文中的仿真假設(shè)海面是充分發(fā)展的，且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，今后可考慮在充足數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)非充分發(fā)展海面的適用性。
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[9] NATHANSON F E， REILLY J P， COHEN M N. Radar design principles?Signal processing and the Environment [M]. 2 ed. America： SciTech Publishing， 1999.
NRL模型是Vilhelm和Rashmi于2009年提出的一種新的后向散射系數(shù)模型[7]。與前兩種模型不同的是，該模型只適用于風(fēng)向和波束夾角為90°（側(cè)風(fēng)）的情況。2012年，Vilhelm和Rashmi對(duì)NRL模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的NRL模型定義如下[8]：
[σ0H，V=c1+c2?lgsinθ+（27.5+c3?α）?lg f1+0.95?α+c4?（1+s）1（2+0.085?α+0.033?s）+c5?α2] （7）
上述定義中，[σ0HH，][σ0VV]表示HH和VV極化時(shí)的散射系數(shù)；[λ]為雷達(dá)波長(zhǎng)；[θ]為擦地角；[ha]為海面波高平均值；[σz]為海面波高標(biāo)準(zhǔn)差；[Fa，][Fu，][Fw，][Ga，][Gu，][Gw]均為調(diào)整因子；[s]為道格拉斯海況等級(jí)；[f]為雷達(dá)頻率，[c1?c5]為固定參數(shù)值。
2 仿真及分析
文獻(xiàn)[6]對(duì)上述模型進(jìn)行了總結(jié)，但只給出了各模型的適用范圍，并未針對(duì)海況、擦地角等影響因子給出具體的適用情況。在此基礎(chǔ)上對(duì)三種模型進(jìn)行仿真，并與Nathanson書中的實(shí)測(cè)散射系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以均方差檢驗(yàn)法作為擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)分析各模型的擬合特點(diǎn)，總結(jié)其適用性。鑒于Nathanson書中的數(shù)據(jù)是逆風(fēng)、順風(fēng)和側(cè)風(fēng)測(cè)量結(jié)果的平均值，在仿真時(shí)風(fēng)向與波束的夾角應(yīng)為90°。
2.1 GIT模型仿真結(jié)果及分析
GIT模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表1。
由表1可以看出，VV極化狀態(tài)下，擦地角小于1°時(shí)，海情越高，GIT模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得越好；擦地角為1°～30°時(shí)，與1級(jí)海況數(shù)據(jù)符合得最差，其他海況符合得較好；擦地角為60°時(shí)，擬合程度隨海情升高而變差。同一海況下，擦地角由0.1°～10°時(shí)，擬合度均隨擦地角的增大而逐步改善；擦地角大于10°時(shí)，擬合度則隨擦地角的增大而降低。
HH極化狀態(tài)下，擦地角小于10°時(shí)，海情越高，擬合效果越好；擦地角為10°和30°時(shí)，海情越高，擬合度越差；擦地角為60°時(shí)，擬合度隨海情變化并無規(guī)律性改變。相同海況下，擦地角小于10°時(shí)，擦地角越大，擬合度越好；反之，擦地角越大，擬合度越差。除此之外，擦地角小于等于10°時(shí)，HH極化的擬合度要優(yōu)于VV極化。
2.2 TSC模型仿真結(jié)果及分析
TSC模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表2。
由表2可以看出，TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合特點(diǎn)隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律，但擬合程度要優(yōu)于GIT模型。在VV極化狀態(tài)，擦地角小于等于30°的情況下，各級(jí)海況的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合得較好。其中，擦地角為1°時(shí)均方誤差最小，擬合得最好；擦地角達(dá)到60°時(shí)，均方誤差顯著增大，擬合優(yōu)度明顯降低。HH極化狀態(tài)時(shí)，與各級(jí)海況擬合最優(yōu)的擦地角仍為1°；擦地角增大到60°時(shí)，擬合程度明顯變差。
2.3 NRL模型仿真結(jié)果及分析
改進(jìn)的NRL模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表3。
由表3可以看出，前面提到的三種模型，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，海況、擦地角、極化狀態(tài)的變化對(duì)擬合度也沒有顯著的影響。除海況為1級(jí)、擦地角為30°擬合較差外，絕大多數(shù)的均方誤差都在20以內(nèi)。
2.4 分析總結(jié)
綜合上述三種模型的仿真結(jié)果可知：
（1） GIT模型在極低擦地角和極高擦地角的情況下擬合效果較差，其中低海情、低擦地角的擬合效果最差；擦地角小于等于10°時(shí)，海情越高，擬合程度越好，且HH極化方式擬合優(yōu)度要高于VV極化；擦地角大于10°時(shí)，擬合效果逐漸變差。因此GIT模型適用于擦地角為1°～10°，中等或高等海況的仿真。
（2） TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度要明顯優(yōu)于GIT模型，擬合優(yōu)度隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律。在擦地角小于等于30°時(shí)，擬合效果很好，不適用于極大擦地角情況的仿真。
（3） 與前兩種模型相比，在各種海況、擦地角、極化方式下，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，但其只適用于風(fēng)向與波束夾角為90°的情況，因此側(cè)風(fēng)情況下可首先考慮用它來仿真。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文分析了GIT，TSC，NRL三種海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶攸c(diǎn)，并以環(huán)境因素和雷達(dá)參數(shù)作為輸入對(duì)其進(jìn)行仿真，通過計(jì)算仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方差，分析了海況、擦地角、極化方式等因素對(duì)各模型擬合程度的影響，總結(jié)了各模型的適用性，為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)及改善雷達(dá)檢測(cè)性能提供了理論依據(jù)。
需要指出的是，海洋環(huán)境復(fù)雜多變，在不同時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境中，即使同一部雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)也未必相同。本文中的仿真假設(shè)海面是充分發(fā)展的，且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，今后可考慮在充足數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)非充分發(fā)展海面的適用性。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙巨波，符燕，耿文東.海雜波統(tǒng)計(jì)特性分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27（11）：4?6.
[2] CHAN H C. Radar sea?clutter at low grazing angles [J]. IEE Radar and Signal Processing， 1990， 137（2）： 102?112.
[3] WARD K D， TUOGH R. Modelling radar sea clutter in the littoral [C]// 2008 IET Seminar on Radar Clutter Modelling. Stevenage， UK： IET， 2008： 25?31.
[4] SKOLNIK M I.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].左群生，徐國(guó)良，馬林，等譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[5] HORST M M， DYER F B， TULEY M T. Radar sea clutter model [C]//Antennas and Propagation Conference. Maryland， USA ： IEEE， 1978， 1： 6?10.
[6] ANTIPOY I. Simulation of sea clutter returns [R]. Salisubry： Defence Science and Technology Organization， 1998.
[7] GREGERS?HANSEN V， MITAL R. An empirical sea clutter model for low grazing angles [C]//Proceedings of Radar Confe?rence. [S.l.]： IEEE， 2009： 1?5.
[8] GREGERS?HANSEN V， MITAL R. An improved empirical model for radar sea clutter reflectivity [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. [S.l.]： IEEE， 2012， 48（4）： 3512?3524.
[9] NATHANSON F E， REILLY J P， COHEN M N. Radar design principles?Signal processing and the Environment [M]. 2 ed. America： SciTech Publishing， 1999.
NRL模型是Vilhelm和Rashmi于2009年提出的一種新的后向散射系數(shù)模型[7]。與前兩種模型不同的是，該模型只適用于風(fēng)向和波束夾角為90°（側(cè)風(fēng)）的情況。2012年，Vilhelm和Rashmi對(duì)NRL模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的NRL模型定義如下[8]：
[σ0H，V=c1+c2?lgsinθ+（27.5+c3?α）?lg f1+0.95?α+c4?（1+s）1（2+0.085?α+0.033?s）+c5?α2] （7）
上述定義中，[σ0HH，][σ0VV]表示HH和VV極化時(shí)的散射系數(shù)；[λ]為雷達(dá)波長(zhǎng)；[θ]為擦地角；[ha]為海面波高平均值；[σz]為海面波高標(biāo)準(zhǔn)差；[Fa，][Fu，][Fw，][Ga，][Gu，][Gw]均為調(diào)整因子；[s]為道格拉斯海況等級(jí)；[f]為雷達(dá)頻率，[c1?c5]為固定參數(shù)值。
2 仿真及分析
文獻(xiàn)[6]對(duì)上述模型進(jìn)行了總結(jié)，但只給出了各模型的適用范圍，并未針對(duì)海況、擦地角等影響因子給出具體的適用情況。在此基礎(chǔ)上對(duì)三種模型進(jìn)行仿真，并與Nathanson書中的實(shí)測(cè)散射系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，以均方差檢驗(yàn)法作為擬合優(yōu)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)分析各模型的擬合特點(diǎn)，總結(jié)其適用性。鑒于Nathanson書中的數(shù)據(jù)是逆風(fēng)、順風(fēng)和側(cè)風(fēng)測(cè)量結(jié)果的平均值，在仿真時(shí)風(fēng)向與波束的夾角應(yīng)為90°。
2.1 GIT模型仿真結(jié)果及分析
GIT模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表1。
由表1可以看出，VV極化狀態(tài)下，擦地角小于1°時(shí)，海情越高，GIT模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得越好；擦地角為1°～30°時(shí)，與1級(jí)海況數(shù)據(jù)符合得最差，其他海況符合得較好；擦地角為60°時(shí)，擬合程度隨海情升高而變差。同一海況下，擦地角由0.1°～10°時(shí)，擬合度均隨擦地角的增大而逐步改善；擦地角大于10°時(shí)，擬合度則隨擦地角的增大而降低。
HH極化狀態(tài)下，擦地角小于10°時(shí)，海情越高，擬合效果越好；擦地角為10°和30°時(shí)，海情越高，擬合度越差；擦地角為60°時(shí)，擬合度隨海情變化并無規(guī)律性改變。相同海況下，擦地角小于10°時(shí)，擦地角越大，擬合度越好；反之，擦地角越大，擬合度越差。除此之外，擦地角小于等于10°時(shí)，HH極化的擬合度要優(yōu)于VV極化。
2.2 TSC模型仿真結(jié)果及分析
TSC模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表2。
由表2可以看出，TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合特點(diǎn)隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律，但擬合程度要優(yōu)于GIT模型。在VV極化狀態(tài)，擦地角小于等于30°的情況下，各級(jí)海況的仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)符合得較好。其中，擦地角為1°時(shí)均方誤差最小，擬合得最好；擦地角達(dá)到60°時(shí)，均方誤差顯著增大，擬合優(yōu)度明顯降低。HH極化狀態(tài)時(shí)，與各級(jí)海況擬合最優(yōu)的擦地角仍為1°；擦地角增大到60°時(shí)，擬合程度明顯變差。
2.3 NRL模型仿真結(jié)果及分析
改進(jìn)的NRL模型仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方誤差見表3。
由表3可以看出，前面提到的三種模型，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，海況、擦地角、極化狀態(tài)的變化對(duì)擬合度也沒有顯著的影響。除海況為1級(jí)、擦地角為30°擬合較差外，絕大多數(shù)的均方誤差都在20以內(nèi)。
2.4 分析總結(jié)
綜合上述三種模型的仿真結(jié)果可知：
（1） GIT模型在極低擦地角和極高擦地角的情況下擬合效果較差，其中低海情、低擦地角的擬合效果最差；擦地角小于等于10°時(shí)，海情越高，擬合程度越好，且HH極化方式擬合優(yōu)度要高于VV極化；擦地角大于10°時(shí)，擬合效果逐漸變差。因此GIT模型適用于擦地角為1°～10°，中等或高等海況的仿真。
（2） TSC模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合程度要明顯優(yōu)于GIT模型，擬合優(yōu)度隨擦地角、海情、極化方式的改變并無明顯的變化規(guī)律。在擦地角小于等于30°時(shí)，擬合效果很好，不適用于極大擦地角情況的仿真。
（3） 與前兩種模型相比，在各種海況、擦地角、極化方式下，改進(jìn)的NRL模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得最好，但其只適用于風(fēng)向與波束夾角為90°的情況，因此側(cè)風(fēng)情況下可首先考慮用它來仿真。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文分析了GIT，TSC，NRL三種海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奶攸c(diǎn)，并以環(huán)境因素和雷達(dá)參數(shù)作為輸入對(duì)其進(jìn)行仿真，通過計(jì)算仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的均方差，分析了海況、擦地角、極化方式等因素對(duì)各模型擬合程度的影響，總結(jié)了各模型的適用性，為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)及改善雷達(dá)檢測(cè)性能提供了理論依據(jù)。
需要指出的是，海洋環(huán)境復(fù)雜多變，在不同時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境中，即使同一部雷達(dá)采集到的數(shù)據(jù)也未必相同。本文中的仿真假設(shè)海面是充分發(fā)展的，且實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，今后可考慮在充足數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究后向散射系數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)非充分發(fā)展海面的適用性。
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[4] SKOLNIK M I.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].左群生，徐國(guó)良，馬林，等譯.3版.北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[5] HORST M M， DYER F B， TULEY M T. Radar sea clutter model [C]//Antennas and Propagation Conference. Maryland， USA ： IEEE， 1978， 1： 6?10.
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[8] GREGERS?HANSEN V， MITAL R. An improved empirical model for radar sea clutter reflectivity [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. [S.l.]： IEEE， 2012， 48（4）： 3512?3524.
[9] NATHANSON F E， REILLY J P， COHEN M N. Radar design principles?Signal processing and the Environment [M]. 2 ed. America： SciTech Publishing， 1999.
