天波超視距雷達雜波屬性判別方法研究

馮國彬，陳斯文，凌　牧，陳　棟

(1. 南京電子技術(shù)研究所,　南京 210039)(2. 海軍駐南京地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室，　南京 210039)

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·數(shù)據(jù)處理·

天波超視距雷達雜波屬性判別方法研究

馮國彬1，陳斯文2，凌牧1，陳棟1

(1. 南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)(2. 海軍駐南京地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室，南京 210039)

提出了一種基于天波超視距雷達地、海雜波頻譜特性，采用空間單元雜波幅度峰值檢測結(jié)果判別地、海及地海交界線雜波屬性的方法，可判別出具有多普勒頻率偏移的地海雜波，并利用某雷達實測數(shù)據(jù)對該方法進行了驗證。采用該方法繪制出的某區(qū)域海岸線地海雜波分布圖與地圖形狀基本吻合。

天波超視距雷達；峰值檢測；雜波屬性；多普勒頻率；海岸線

0　引　言

天波超視距雷達(OTHR)探測目標的過程依賴于對電離層折射區(qū)高度和射線傳播路徑的認知，當電離層模型與實際分布情況存在差異時，雷達定位精度將顯著降低。目前，比較成熟的方法是通過復雜的電離層監(jiān)測與重構(gòu)系統(tǒng)對電離層分布進行實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對雷達定位誤差進行修正[1]。文獻[2]利用探測的機場位置信息與所在的地圖坐標比較，進行OTHR目標定位修正。但是機場分布零星，而海岸線十分漫長，通過與地圖坐標可進行比較，對OTHR目標定位修正可利用的價值比較大，但陸海分界線的判別是難點。因此，本文提出了一種基于地、海雜波頻譜特性，采用空間單元雜波幅度峰值檢測結(jié)果判別地、海及地海交界線雜波屬性的方法,解決了具有多普勒頻率偏移的地、海雜波屬性判別正確率低的問題,并利用雷達實測數(shù)據(jù)對該方法進行了驗證。

1　地海雜波特性分析

OTHR發(fā)射信號通過電離層折射到地海表面，回波信號沿原路返回至接收機形成地海雜波。根據(jù)海雜波諧振理論，由海面散射的雷達回波信號具有特定的頻譜特征分布結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可用于識別和區(qū)分地海特征。本節(jié)將深入研究地海雜波頻譜特性，分析地海雜波屬性判別方法。

1.1地雜波頻譜特性

島嶼和陸地回波無明顯的運動起伏特征，其多普勒頻率位于零頻附近，且在距離上有較大擴展，根據(jù)以上特征可在回波頻譜圖上提取出島嶼和陸地雜波信息。圖1為某雷達的地雜波頻譜信息，雷達三個波束全距離段回波在-3 Hz～+3 Hz范圍內(nèi)的頻譜特征及某空間單元回波的頻譜特性，地雜波分布在零頻附近。

圖1　某雷達的地雜波頻譜特性

1.2海雜波頻譜特性

海雜波一階Bragg峰由海浪與雷達波長諧振的分量所產(chǎn)生，為相對于零頻對稱的兩根離散譜線，其多普勒頻率與雷達工作頻率(波長)和入射角有關(guān)[3-6]，即

(1)

式中：fd為多普勒頻率，單位為Hz；f0為雷達工作頻率，單位為MHz；θ為電磁波與海面法線間的夾角，單位為(°)。

對于朝向或離開雷達的能引起B(yǎng)ragg諧振的一組海浪，將在多普勒頻移為fd處有一階Bragg尖峰，但在實際工作中由于受電離層傳播和海面洋流影響，實際fd海雜波回波信號頻率與理想相比會發(fā)生偏移，海雜波譜會展寬[7]。

圖2為根據(jù)某雷達實測數(shù)據(jù)得到的某波束全距離的頻譜圖(圖2a))及某空間單元的頻譜分布(圖2b))，可以看出零頻兩側(cè)各有一個一階Bragg尖峰。

1.3地海交界線雜波頻譜特性

根據(jù)1.1節(jié)和1.2節(jié)的分析可知，雷達接收的地海交接帶回波頻譜具有地、海雜波的特性，即地雜波分布在多普勒零頻附近，海雜波在零頻兩側(cè)呈現(xiàn)兩個多普勒頻率為fd的一階Bragg尖峰。

圖3為根據(jù)某雷達的實測數(shù)據(jù)得到的回波頻譜分布圖，圖3a)表明地海交接帶回波在-1 Hz～1 Hz內(nèi)展寬；圖3b)表明在某空間單元，回波頻譜上有三個峰，零頻處為地雜波譜峰，零頻對稱的兩個峰為一階Bragg尖峰。

圖3　地海交界處頻譜分布圖

2　地、海及交界線雜波屬性判別方法

根據(jù)地海雜波和目標的特性，對每個空間單元的多幀頻譜數(shù)據(jù)進行峰值檢測處理，對檢測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，得到地海雜波的多普勒判別區(qū)間，依次判別海雜波、地海交界線及地雜波屬性，詳細方法和判別步驟如下：

(1)在多普勒頻率(-3 Hz，3 Hz)區(qū)間內(nèi)，對同一波位的多幀數(shù)據(jù)進行幅度峰值檢測，得到所有空間單元每幀的雜波幅度最大值和次大值及其對應(yīng)的多普勒頻率值。

根據(jù)OTHR海雜波的頻譜特性和統(tǒng)計規(guī)律，只對多普勒頻率(-3 Hz，3 Hz)內(nèi)的數(shù)據(jù)進行檢測處理，可縮短處理時間、提高處理能力。對(-3 Hz，3 Hz)內(nèi)的數(shù)據(jù)劃定若干局部區(qū)域并檢測出每個區(qū)域的最大值，最后得到該幀雜波幅度-多普勒分布情況，如圖4所示。

圖4　某空間單元雜波幅度-多普勒分布(局部檢測后)

(2)對同一空間單元的多幀雜波幅度比較，得到該空間單元雜波幅度最大值A(chǔ)L和次大值A(chǔ)B，兩者對應(yīng)的多普勒頻率值分別為fL和fB。

(3)確定地、海雜波多普勒頻率判別區(qū)間。假設(shè)(2)中得到的最大值為地雜波的幅度值，次大值為海雜波的幅度值，分別取幅度最大值和次大值下降MdB和NdB(M、N是雷達長期統(tǒng)計或多幀雜波數(shù)據(jù)統(tǒng)計的結(jié)果)所對應(yīng)的幅度值分別AL-M和AB-N，相應(yīng)的多普勒頻率值為fL-M和fB-N，令ΔfdM=|fL-fLM|、ΔfdN=|fB-fBN|。則地、海雜波的多普勒判別區(qū)間分別為：(-ΔfdM，+ΔfdM)、(fB-ΔfdN,fB+ΔfdN)。

(4)判斷地、海及地海交界線雜波屬性

若(1)中某空間單元的雜波幅度最大值對應(yīng)的多普勒頻率在地雜波的多普勒判別區(qū)間內(nèi)，則暫時判為地海交界線雜波，此時若次大值的多普勒頻率值也在海雜波的多普勒判別區(qū)間內(nèi)，則可判為地海交界線雜波；若幅度最大值對應(yīng)的多普勒頻率在地雜波判別區(qū)間，次大值對應(yīng)的多普勒頻率不在海雜波的判決、別區(qū)間，則判為地雜波；若幅度最大值和次大值對應(yīng)的多普勒頻率在海雜波的判別區(qū)間內(nèi)，則判為海雜波。如圖5所示，某空間單元雜波的兩個峰值對應(yīng)的多普勒頻率均在海雜波的多普勒判別區(qū)間內(nèi)，按照判別準則判斷為海雜波。

圖5　判斷出的海雜波效果圖

(5)標識地、海雜波區(qū)

按照以上方法，判斷其他所有空間單元的地、海雜波特征，并置地、海標識。若某一空間單元單元判為地時，需對相鄰兩個空間單元都進行搜索查看，如相鄰單元都判為地時，則此單元的判地置信度標志加1；若某空間單元判為海時，需對相鄰兩個距離單元都進行搜索查看，如相鄰兩個單元都判的是地，則對此單元的判海置信度標志減1。通過對多幀數(shù)據(jù)積累和統(tǒng)計得到較為吻合的形狀分布。

基于以上方法，錄取某雷達數(shù)據(jù)，處理得到和地圖基本相符的海岸線分布。如圖6所示，判別的地(黑色)、海雜波及交界線，與地圖坐標(黑色曲線為地圖上標示的海岸線)比較，形狀吻合。

圖6　地海雜波及分界線與客觀地圖比較結(jié)果

3　結(jié)束語

本文基于地、海雜波頻譜特性，利用雜波幅度峰值檢測方法，確定了地、海雜波的多普勒檢測區(qū)間，判別出雜波的屬性。通過實測數(shù)據(jù)分析，該方法在基于特定場景的地、海及地海交接線雜波屬性判別上，取得良好的效果，但在實際工作中經(jīng)常受到電離層傳播和海面洋流影響，海雜波回波信號頻率會發(fā)生偏移以及頻譜展寬,海雜波頻譜圖會形成多個峰，對海雜波屬性存在誤判的可能性。因此，后續(xù)還需要對大量的實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，不斷完善海雜波屬性判別分析算法。

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馮國彬男，1982年生，碩士，工程師。研究方向為雷達系統(tǒng)技術(shù)。

陳斯文男，1986年生，本科，工程師。研究方向為雷達監(jiān)造與管理。

凌牧男，1985年生，碩士，工程師。研究方向為雷達系統(tǒng)技術(shù)。

陳棟男，1970年生，本科，研究員級高級工程師。研究方向為雷達系統(tǒng)技術(shù)。

A Method to Discriminate the Attribute of Skywave Over-the-horizon Radar Clutter

FENG Guobin1，CHEN Siwen2，LING Mu1，CHEN Dong1

(1. Nanjing Research Institute of Electronics Technology, Nangjing 210039, China)(2. Naval Representative Office for Military Facilities in Nanjing Area,Nanjing 210039, China)

Based on the spectrum characteristics of skywave over-the-horizon radar(OTHR) clutter, the method of using the amplitude peak detection results of space units to discriminate the attribute of OTHR clutter is presented. The method improved attribute discrimination rate of OTHR clutter with Doppler offset. By analyzing the radar measured data, the feasibility and correctness of this method is proved. The outline of shoreline clutter map drawn by this method accords with real map.

over-the-horizon radar; peak detection; clutter attribute; Doppler frequency; shoreline

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.08.012

馮國彬Email：011998@nriet.com

2016-04-29

2016-07-01

TN957.52

A

1004-7859(2016)08-0051-03