高頻地波雷達(dá)電離層雜波抑制方法綜述*

劉強(qiáng)，尚尚，石依山，喬鐵柱

（江蘇科技大學(xué)海洋學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100）

0 引言

高頻地波雷達(dá)（HFSWR）在高頻段（3～30 MHz）利用短波進(jìn)行工作，在導(dǎo)電海洋表面進(jìn)行繞射時(shí)，具有傳播衰減小、超視距、大范圍、全天候以及低成本等一系列優(yōu)點(diǎn)。 高頻地波雷達(dá)利用海洋表面對(duì)電磁波的一階散射和二階散射機(jī)制，在雷達(dá)回波中提取出風(fēng)場、浪場、流場等海況信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境大范圍、高精度和全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測，便于海上工程的實(shí)施。

高頻地波雷達(dá)的工作環(huán)境并非處于理想狀態(tài)，高頻電磁波在垂直極化的狀態(tài)下，不可避免地向其他方向輻射，從而在產(chǎn)生目標(biāo)回波的基礎(chǔ)上產(chǎn)生各種雜波，如海雜波、地物回波和電離層雜波等，其中電離層雜波占雜波干擾的支配地位。通常電磁波在電離層（D層：60～90 km；E層：90～140 km；F1層：140～200 km；F2層：200～1 000 km）D層以上產(chǎn)生反射，電離層雜波出現(xiàn)在90～100 km以外［1］，以條狀、點(diǎn)狀、片狀、帶狀、彗星狀等出現(xiàn)在距離-多普勒譜中［2］。電離層所在區(qū)域溫度不同、高度不同、電子濃度不同、時(shí)間不同，電離層展現(xiàn)了不同層次的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，使得電離層通常不具有理想鏡面反射特性。而高頻地波雷達(dá)需要一定時(shí)間的脈沖累積對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，在累積的過程中，電離層雜波隨著時(shí)間的改變對(duì)距離元、多普勒頻移、多普勒擴(kuò)展度、雜波強(qiáng)度等產(chǎn)生影響，雷達(dá)的有效探測距離變短，探測目標(biāo)信號(hào)淹沒在雜波信號(hào)中，提高虛警漏警概率，嚴(yán)重影響了目標(biāo)的檢測能力，導(dǎo)致后續(xù)海態(tài)探測結(jié)果精度不高，出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，給海上目標(biāo)檢測帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，為了提高高頻地波雷達(dá)的檢測能力，首先要對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中的電離層雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行抑制。傳統(tǒng)的電離層雜波抑制方法有基于特征值分解的方法，基于自適應(yīng)旁瓣對(duì)消的方法，基于空時(shí)自適應(yīng)的方法，基于極化濾波的方法等。特征值分解利用協(xié)方差矩陣的特征值分布來劃分信號(hào)子空間和噪聲子空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層雜波抑制，當(dāng)電離層雜波多普勒頻率與目標(biāo)不相近時(shí)，可以很好地抑制電離層雜波，但當(dāng)目標(biāo)多普勒頻率與電離層雜波相近時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)的丟失或目標(biāo)譜偏移；自適應(yīng)旁瓣對(duì)消利用輔助通道找到最優(yōu)權(quán)從而對(duì)主通道進(jìn)行雜波抑制，由于E層電離層雜波具有方向性，當(dāng)目標(biāo)方位和電離層雜波不一致時(shí)，可以對(duì)電離層雜波進(jìn)行有效的抑制，當(dāng)目標(biāo)方位與電離層雜波相同時(shí)，自適應(yīng)旁瓣對(duì)消就束手無策了；空時(shí)自適應(yīng)利用空域和時(shí)域自適應(yīng)濾波，可有效地解決以上問題，但空時(shí)自適應(yīng)所產(chǎn)生的計(jì)算維度較高，計(jì)算時(shí)間較長，不利于工程上的實(shí)現(xiàn)；基于極化域的方法利用極化域中目標(biāo)和雜波的特征來進(jìn)行處理，但該方法對(duì)天線的要求較高從而使得系統(tǒng)變復(fù)雜，故而在工程中很少應(yīng)用。電離層雜波已然成為了阻礙高頻地波雷達(dá)發(fā)展的瓶頸，本文對(duì)電離層雜波的抑制進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1 電離層雜波抑制技術(shù)

1.1 基于特征值分解的電離層雜波抑制

基于特征值分解（EVD）的方法，是在Schmidt提出的MUSIC算法的基礎(chǔ)上得出，是將原始信號(hào)生成的協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征值分解，根據(jù)特征值梯度準(zhǔn)則和相鄰距離元插值估計(jì)準(zhǔn)則，將其分解為噪聲子空間和信號(hào)子空間，待處理單元信號(hào)通過對(duì)噪聲子空間的投影，得到電離層雜波序列。由于電離層電子濃度和高度的時(shí)變特征，雜波通常在距離域和多普勒域均有擴(kuò)展，從單一域進(jìn)行電離層雜波抑制效果具有局限性，為了解決這一問題，熊新農(nóng)等人提出了在陣元-脈沖域和脈沖-距離域進(jìn)行聯(lián)合特征值分解法進(jìn)行處理［3］，一定程度上改善了信噪比，提高實(shí)際探測距離；電離層雜波具有強(qiáng)不平穩(wěn)性和多樣性，單一的方法對(duì)電離層雜波抑制效果有限，熊新農(nóng)等人提出了將時(shí)頻分析和特征值分解相結(jié)合［4］，對(duì)電離層雜波進(jìn)行抑制，運(yùn)算量較小，可有效改善信噪比，有利于工程的實(shí)現(xiàn)；當(dāng)Es層（偶發(fā)E層）電離層雜波在多普勒域的表現(xiàn)與海洋目標(biāo)信號(hào)相近時(shí)，無法在保證海洋目標(biāo)信號(hào)的情況下有效地抑制Es層電離層雜波，為了解決這一問題，Wei等人利用Es層雜波的相干時(shí)間比海洋目標(biāo)信號(hào)長得多的特性，提出了一種新算法對(duì)Es層雜波進(jìn)行抑制［5］，實(shí)現(xiàn)了Es層雜波抑制和海洋回波信息的保留；為了考慮小口徑雷達(dá)的雜波抑制效果，周浩等人利用電離層雜波聚集區(qū)在距離上的相關(guān)性遠(yuǎn)高于海洋目標(biāo)信號(hào)，提出利用時(shí)頻面掩處理抑制強(qiáng)雜波或相鄰距離元的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)雜波對(duì)消［6］，為小口徑雷達(dá)提供了雜波抑制方法；但由于電離層雜波形式復(fù)雜，能量強(qiáng)，周浩等人從Es層雜波的能量上出發(fā)，發(fā)現(xiàn)Es層雜波在能量上顯著高于海洋回波，且在距離上也明顯高于海洋回波的相關(guān)性，提出了雜波抑制的距離相關(guān)對(duì)消法［7］，可有效地抑制Es層強(qiáng)雜波，提高小口徑雷達(dá)的探測效果；考慮到相鄰距離單元的回波信號(hào)相關(guān)性不一樣，蔚娜等人提出了多模雜波抑制方法［8］，在相鄰距離單元中選擇相鄰系數(shù)大的距離單元，考慮到目標(biāo)信號(hào)在距離上的擴(kuò)展，留有一定的保護(hù)單元，該方法能有效地抑制雜波并凸顯目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)簡單，更有利于工程的實(shí)現(xiàn)。

基于特征值分解的電離層雜波抑制的流程如圖1所示。

圖1 基于特征值分解的電離層雜波抑制的流程圖

1.2 基于自適應(yīng)旁瓣對(duì)消的電離層雜波抑制

基于自適應(yīng)旁瓣對(duì)消（ASLC）的方法［9-11］，是利用干擾的相關(guān)性，按一定排列規(guī)律安裝輔助天線，自適應(yīng)選定最優(yōu)權(quán)系數(shù)進(jìn)行旁瓣對(duì)消，使干擾信號(hào)的功率最小，將輔助天線信號(hào)加權(quán)求和后與主天線信號(hào)進(jìn)行對(duì)消，從而達(dá)到電離層雜波抑制效果。直接矩陣求逆（DMI）的自適應(yīng)旁瓣對(duì)消［12］在背景噪聲小且陣元數(shù)多于干擾個(gè)數(shù)時(shí)，數(shù)值變得極其不穩(wěn)定，為了解決這一問題，郭強(qiáng)提出了基于奇異值分解的自適應(yīng)旁瓣對(duì)消［13］，該方法有效地緩解DMI數(shù)值不穩(wěn)定的情況，提高了旁瓣對(duì)消的性能，克服了協(xié)方差矩陣在某些情況下數(shù)值不穩(wěn)定的影響；由于DMI和SVD對(duì)高維協(xié)方差矩陣進(jìn)行處理時(shí)運(yùn)算量巨大，許航等人提出了前后向平均技術(shù)和快速極大似然算法相結(jié)合的方法［14］，減少了獨(dú)立樣本個(gè)數(shù)，能快速有效地抑制相干和非相干干擾；旁瓣對(duì)消主要取決于干擾的相關(guān)性，在相鄰距離門的選取上，趙龍等人提出選擇含有明顯電離層雜波的相鄰距離單元作為參考采樣數(shù)據(jù)［15］，提高算法的效率，信噪比得到了一定程度的改善；由于強(qiáng)近地雜波在接收時(shí)，對(duì)旁瓣對(duì)消產(chǎn)生了巨大的干擾，闞保強(qiáng)等人提出權(quán)值存儲(chǔ)的方案［16］，有效地解決了強(qiáng)近地波影響問題，易于工程實(shí)現(xiàn)；但單一處理效果是十分有限的，黃堅(jiān)團(tuán)隊(duì)提出了時(shí)頻分析結(jié)合自適應(yīng)旁瓣對(duì)消來抑制電離層雜波［17］，通過時(shí)頻分析選擇時(shí)段和區(qū)間，對(duì)選定的區(qū)間進(jìn)行特征值分解和自適應(yīng)旁瓣對(duì)消處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層雜波的抑制，獲得了比較好的抑制效果，彌補(bǔ)了單一方法的不足；為了提高旁瓣電離層雜波非均勻樣本的抑制效率，郭躍宇提出了基于盲源分離的旁瓣條狀電離層雜波抑制［18］，通過預(yù)處理盲源分離，得到獨(dú)立源的信息，取得了較好的電離層雜波抑制效果。

基于自適應(yīng)旁瓣對(duì)消的電離層雜波抑制的流程如圖2所示。

圖 2 基于自適應(yīng)旁瓣對(duì)消的電離層雜波抑制的流程圖

1.3 基于空時(shí)自適應(yīng)的電離層雜波抑制

基于空時(shí)自適應(yīng)（STAP）的方法［19-22］，是利用次要距離單元雜波干擾的相關(guān)性，選取目標(biāo)距離單元附近除保護(hù)距離單元外的若干相鄰距離單元作為快拍，估計(jì)雜波協(xié)方差矩陣，對(duì)電離層雜波進(jìn)行抑制。空時(shí)二維自適應(yīng)信號(hào)處理技術(shù)最早由Brennan等人在1973年首次提出，該技術(shù)在空域和時(shí)域聯(lián)合對(duì)雜波進(jìn)行處理，有效地實(shí)現(xiàn)了雜波的抑制和目標(biāo)的檢測。為了解決訓(xùn)練樣本需求量大的問題，王振中提出了協(xié)方差矩陣錐度波束形成算法［23］，把干擾協(xié)方差矩陣與一個(gè)正定的矩陣做Hadamaed乘積，既保留了全空時(shí)自適應(yīng)濾波的優(yōu)點(diǎn)，還有效地減少了訓(xùn)練樣本數(shù)，提高了全空時(shí)自適應(yīng)的效能；為了解決在強(qiáng)雜波背景中弱目標(biāo)信號(hào)檢測這一問題，Wang等人提出了聯(lián)合域局部廣域似然比檢測（JDL-GLR）［24］，在數(shù)據(jù)有限的情況下，采用局部聯(lián)合域自適應(yīng)處理，有效地消除了自由度和維度的影響，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算效率的提高和弱目標(biāo)的檢測；但這種方法由于有限的快拍，以及各個(gè)距離門中雜波特性不完全相同，在目標(biāo)方向與電離層雜波方向相近時(shí)，在空域中，雜波的抑制和目標(biāo)的檢測效果較差，張鑫等人提出了局域聯(lián)合處理優(yōu)化（JDL）方法［25］，JDL是一種統(tǒng)計(jì)類的STAP方法，通過一個(gè)變換矩陣T，降低雜波的自由度，再利用距離上的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，估計(jì)出雜波的協(xié)方差矩陣，求得最優(yōu)空時(shí)權(quán)向量，有效改善目標(biāo)信號(hào)方向與電離層雜波相近時(shí)，電離層雜波抑制問題和目標(biāo)檢測問題；由于電離層雜波的非平穩(wěn)性，相鄰距離單元電離層雜波特性不能很好地代表待處理距離單元的電離層雜波特性，影響了某些距離單元電離層雜波抑制效果，高豐慶提出了改進(jìn)的局域聯(lián)合空時(shí)自適應(yīng)方法［26］，估計(jì)協(xié)方差矩陣找到相關(guān)性最強(qiáng)的樣本，實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層雜波的抑制，提高了電離層雜波抑制效率；這一方法對(duì)具有較好空時(shí)耦合特性的電離層雜波抑制效果較好，對(duì)其他的電離層雜波抑制效果一般，針對(duì)這一問題，姚迪等人提出了基于空間多波束的高頻地波雷達(dá)抑制方法［27］，利用波束之間的強(qiáng)相關(guān)性，用雜波覆蓋的距離單元數(shù)（或多普勒單元數(shù)）遠(yuǎn)多于目標(biāo)覆蓋的單元數(shù)的特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)電離層雜波信息的估計(jì)和抑制，有效地提高了小孔徑高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)的電離層雜波抑制效率和目標(biāo)檢測概率，基本保留了目標(biāo)回波的全部能量。

基于空時(shí)自適應(yīng)的電離層雜波抑制的流程如圖3所示。

圖 3 基于空時(shí)自適應(yīng)的電離層雜波抑制的流程圖

對(duì)特征值分解方法、自適應(yīng)旁瓣對(duì)消方法以及空時(shí)自適應(yīng)方法進(jìn)行仿真對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中所使用的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)為哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）實(shí)驗(yàn)站的實(shí)測數(shù)據(jù)，取第2通道第106個(gè)距離單元的數(shù)據(jù)，在靠近電離層雜波多普勒頻率范圍附近，附加一個(gè)頻率接近的目標(biāo)信號(hào)。雷達(dá)的工作頻率為3.7 MHz，采樣間隔為0.149 s。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖 4 多種方法進(jìn)行電離層雜波抑制

從上述仿真結(jié)果來說，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)多普勒頻率與電離層雜波范圍相近時(shí)，特征值分解法在抑制電離層雜波時(shí)會(huì)抑制目標(biāo)信號(hào)，導(dǎo)致目標(biāo)信號(hào)的誤消或偏移，而自適應(yīng)旁瓣對(duì)消和空時(shí)自適應(yīng)方法，在抑制電離層雜波的基礎(chǔ)上，可以較好地保留目標(biāo)信號(hào)。

1.4 基于極化濾波的電離層雜波抑制

基于極化濾波的電離層抑制方法［28-30］，是利用水平極化天線接收的電磁波對(duì)消垂直極化天線接收的電磁波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾的抑制。極化濾波技術(shù)從硬件發(fā)展到算法極化的實(shí)現(xiàn)，最早在1981年由Poelman 提出虛擬極化適配的概念［31］，從而解決非起伏目標(biāo)的極化測量問題。在傳播媒質(zhì)固定不變時(shí)，電磁波水平極化和垂直極化分量有著固定不變的幅相關(guān)系，但由于電離層的種種特性，天波入射方向是隨機(jī)不可知的，有些方位的干擾無法濾除，張國毅等人提出了三維極化濾波方法［32］，在極化域和空域聯(lián)合抑制電離層雜波，擴(kuò)大了極化域和空域的干擾抑制范圍，增加信號(hào)的檢測精度，提高了信干比；當(dāng)同時(shí)存在較強(qiáng)的電離層雜波和目標(biāo)信號(hào)時(shí)，在極化狀態(tài)下，難以有效地對(duì)電離層雜波進(jìn)行抑制，為此，洪泓等人提出了基于距離-多普勒域的電離層雜波極化抑制方法［33］，根據(jù)電離層雜波的相似性，逐步在每個(gè)距離單元估計(jì)干擾狀態(tài)，采用斜投影極化濾波器構(gòu)造每個(gè)距離單元的最優(yōu)極化濾波權(quán)，將得到的每一個(gè)權(quán)值與對(duì)應(yīng)的電離層雜波相處理，最后使用多凹口極化濾波進(jìn)行處理，同時(shí)得到多個(gè)距離元抑制后的結(jié)果，電離層雜波抑制效果良好，信干比得到了一定程度的提升；為了提高目參數(shù)的估計(jì)的精度，陽云龍等人提出了基于電離層雜波的空域極化域協(xié)同抑制方法［34］，在距離-多普勒域上利用基于壓縮感知的DOA測角方法進(jìn)行空域參數(shù)估計(jì)，并提出基于斜投影算子的空極化域協(xié)調(diào)濾波，這2種估計(jì)方法可獲得更高的參數(shù)估計(jì)精度，對(duì)電離層雜波抑制取得了良好的效果；為了近一步提高電離層雜波抑制性能，陽云龍?zhí)岢龌诜种檬綐O化稀疏L陣的電離層雜波抑制［35］，針對(duì)極化角相差的估計(jì)，補(bǔ)償了不同極化天線的相位差，提高了電離層雜波的抑制效率，減小了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

基于二維極化濾波的電離層雜波抑制流程如圖5所示。

圖 5 基于二維極化濾波的電離層雜波抑制流程圖

而今，特征值分解、自適應(yīng)旁瓣對(duì)消、空時(shí)自適應(yīng)和極化域?yàn)V波在電離層雜波抑制中被廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐中，但目前仍有一些不足的地方，常與其他方法和理論相結(jié)合，以獲得更好的效果。

2 結(jié)束語

由本文的研究分析可得，為提高高頻地波雷達(dá)的應(yīng)用精度、提高目標(biāo)的檢測效率、提高雷達(dá)的探測距離、提高在工程上的應(yīng)用度，當(dāng)務(wù)之急是抑制回波信號(hào)中的電離層雜波信號(hào)。目前，各個(gè)類型的電離層雜波抑制方法都存在著大大小小的不足，無法完美地在較短的時(shí)間內(nèi)，以保留目標(biāo)信號(hào)為前提下抑制電離層雜波信號(hào)，需要不斷地改進(jìn)完善?；谔卣髦捣纸獾碾婋x層雜波方法，當(dāng)目標(biāo)與電離層雜波相接近時(shí)，容易導(dǎo)致目標(biāo)信號(hào)衰減或者誤消。如果目標(biāo)淹沒在電離層雜波中，應(yīng)用時(shí)域或頻域自適應(yīng)濾波目標(biāo)也很難被檢測出來，而電離層雜波具有一定方向性，當(dāng)目標(biāo)方位與電離層雜波方向不一致時(shí)，自適應(yīng)旁瓣對(duì)消方法可以很好地抑制電離層雜波，但目標(biāo)方位和電離層雜波方位一致時(shí)，自適應(yīng)旁瓣對(duì)消方法就處理不了這一現(xiàn)象，而空時(shí)自適應(yīng)可以很好地解決這一問題。但空時(shí)自適應(yīng)依賴于相鄰單元的相似性，這是由于當(dāng)相鄰單元的相似性強(qiáng)弱不一、相似性不強(qiáng)時(shí)，對(duì)雜波的抑制效果一般。對(duì)于極化濾波通常采用垂直和水平極化濾波，但由于天波的入射方向是隨機(jī)的，有些方向上的電離層雜波無法濾除，有待更加深入地分析電離層雜波的種種特性，提高目標(biāo)的檢測精度。

在目標(biāo)信號(hào)淹沒在電離層雜波的多普勒頻率的情況下或目標(biāo)方向與電離層雜波方向一致時(shí)，如何更加有效地抑制電離層雜波、精確地得到目標(biāo)仍然是一個(gè)難題，仍有巨大的進(jìn)步空間。