一种天波雷达多径扩展多普勒杂波抑制方法

罗 欢 陈建文 鲍 拯



一种天波雷达多径扩展多普勒杂波抑制方法

罗 欢*①陈建文②鲍 拯②

①(空军预警学院研究生管理大队 武汉 430019)②(空军预警学院三系 武汉 430019)

该文分析了天波超视距雷达(Over The Horizon Radar, OTHR)多径扩展多普勒杂波(Spread Doppler Clutter, SDC)的产生机理。由于阵列存在幅相误差且期望信号的功率大于SDC功率，自适应数字波束形成(Adaptive Digital Beam Forming, ADBF)将降低SDC抑制能力，同时还会导致信号对消，严重降低信噪比。针对以上问题，该文提出一种自适应抑制SDC的方法。该方法首先采用改进噪声子空间拟合自校正法消除阵列幅相误差，得到期望信号和SDC准确的到达仰角，然后采用正交投影权矢量进行ADBF处理，避免了强期望信号条件下ADBF权矢量估计不准的问题。理论分析和仿真实验表明该方法能够较彻底地抑制多径SDC。

天波超视距雷达；多径扩展多普勒杂波；幅相误差校正；自适应数字波束形成

1 引言

天波超视距雷达(Over The Horizon Radar, OTHR)工作频段为3~30 MHz，利用电离层对高频电波的反射可实现对800~3500 km的海面和空中目标进行探测[1,2]。在OTHR某些工作频率，电磁波可能经过不同层高的电离层折射，使得来自于不同距离的回波信号经过不同层高的电离层反射后，在同一时间到达接收阵列，由于群路径相同，接收信号多普勒谱表现为几组不同反射信号多普勒谱的叠加[2,3]。在实际工程中，由于电磁波传播时受到非主选电离层(如F层)非线性扰动的影响，经其反射回来的多普勒谱被严重展宽的几率很高，展宽的范围也较大，甚至可覆盖-40~40 Hz之间的多普勒区域[4]，将这种经过非主选电离层传播而被接收的重影回波称为多径扩展多普勒杂波(Spread Doppler Clutter, SDC)。如果稳定电离层(一般为E层，主选电离层)回波与扰动电离层(如F层)的SDC叠加在一起被OTHR阵列同时接收，则目标将被SDC覆盖。

本文主要研究由接收阵列旁瓣进入的非主选电离层多径SDC的抑制问题。OTHR是大型阵列，不可避免的阵列幅相误差将降低仰角DOA的估计精度和ADBF的性能；同时由于期望信号(经主选层返回的海杂波)的功率大于SDC功率，严重影响协方差矩阵的性能，在进行ADBF时将导致信号对消，严重降低信杂噪比[13]。本文首先提出了改进的阵列幅相误差自校正方法消除阵列误差，然后利用正交投影权矢量进行ADBF处理抑制多径SDC，可以较好解决以上问题。

2 问题描述

2.1 多径SDC产生机理分析

多径SDC的产生原理可通过图1来说明。理想条件下，位于处的OTHR以稳定的电离层E层为信道(主选信道)，经由----探测位于处的舰船目标和其上空的飞机目标，记为E-E模式。不失一般性，以扰动的F层为例，经过F层传播产生的多径SDC有3种，一是发射信号经过扰动F层折射后产生多普勒扩展，在海面反射后经过E层返回被接收，记为F-E模式，其传输路径如图1中----所示；二是发射信号经E层折射到达海面，在海面反射后经F层传播产生多普勒扩展后被接收，记为E-F模式，其传输路径如图1中----所示；三是发射和接收两次都经过F层传播，经过两次展宽影响，记为F-F模式，其传输路径如图1中----所示。F-F模式的回波受扰动影响大，但是强度较弱，而E-F和F-E模式的回波较强，对E-E模式稳定的回波影响较大。

图1 多径SDC的产生机理示意图

由于主选和非主选电离层的高度差异使得不同多径信号的DOD或者DOA差异明显。具体来讲，E-E与E-F发射路径经过相同的电离层(E层)，对应的仰角DOD近乎相同；接收路径经过不同电离层，对应的仰角DOA差异较大。E-E与F-E发射路径经过不同电离层，对应的仰角DOD差异较大；接收路径经过相同电离层，对应的仰角DOA几乎相同。F-F模式与E-E模式的DOD和DOA都有明显差异。DOD差异明显的SDC可采用发射自适应空域处理进行抑制；DOA差异明显的SDC可采用接收自适应空域处理进行抑制。本文研究的由接收阵列旁瓣进入的非主选层多径SDC属于DOA差异明显的SDC抑制问题，即抑制E-F传播模式下的SDC。

2.2 阵列模型

2.3 存在阵列幅相误差时的多径SDC抑制问题

若阵列不存在幅相误差且快拍数据只含SDC和噪声时，采用常规ADBF方法即可抑制SDC，例如最小方差无失真响应(MVDR)自适应波束形成法[15]。但是，当阵列存在幅相误差且快拍数据中还含有期望信号时，SDC对目标遮盖明显，而且期望信号(主瓣海杂波)的功率一般大于SDC(旁瓣杂波)的功率，直接使用含有期望信号的数据构造的协方差矩阵会导致信号相消。另外，阵列幅相误差不仅会影响DOA估计精度，还会导致ADBF性能下降。下面对此进行说明。

当阵列存在幅相误差时，式(1)可写为

3 多径SDC抑制方法

从第2节的分析可见，OTHR阵列幅相误差以及期望信号功率较大的现实情况均会造成SDC抑制效果严重降低，本节在消除阵列幅相误差的基础上，采用基于到达仰角DOA估计的正交权矢量ADBF算法，能够较彻底地抑制SDC，且不会导致期望信号对消。

3.1 OTHR阵列幅相误差自校正

阵列幅相误差校正常用的方法主要有有源校正法和自校正法。有源校正法通过在空间设置方位精确已知的辅助源对阵列误差进行离线估计，而自校正方法通常根据优化函数对阵列误差进行在线估计。有源校正法需要辅助信源的方位精确已知，如果辅助源的方位信息出现偏差，会降低阵列校正效果，对于天波雷达还必须部署相应的专用有源校正目标，因此成本较高且难以实现随时校正[16]；而自校正方法不需要辅助源，最经典的属文献[17]提出的噪声子空间拟合(Noise Subspace Fitting, NSF)自校正法，但该方法对误差矩阵迭代初值的选取有较高要求，若选择的迭代初值与实际阵列幅相误差差异较大，NSF法将失效。针对NSF自校正法的实际问题，本节对其进行改进，以达到稳健校正OTHR阵列幅相误差的目的。

(4)进行MUSIC空间谱估计

3.2 基于正交投影权矢量的自适应波束形成方法

综上所述，本文提出的抑制由OTHR接收旁瓣进入的多径SDC的方法流程为：

(2)采用改进NSF自校正方法消除阵列幅相误差，并得到期望信号和SDC的DOA估计值；

(3)采用式(17)的正交投影权矢量进行自适应波束形成抑制SDC。

4 仿真实验与分析

4.1 参数设置

4.2 仿真分析

对回波数据进行脉冲压缩和常规DBF后得到的距离-多普勒谱如图2所示，图3是2250 km处的多普勒频谱图。从图2和图3可以看出位于2235~2265 km处的SDC能量较强，完全遮盖了位于2250 km处的多普勒频率为0.8 Hz的舰船目标，另外，由于阵列幅相误差和期望信号的影响，噪声基底抬高明显，期望信号中的海杂波被削弱，这验证了2.3节的分析结论。

图2 常规处理后的距离-多普勒谱

图4是分别采用NSF法与改进NSF法对阵列幅相误差进行校正的结果图，图4(a)是采用常规MUSIC法和经过Toeplitz预处理得到新的协方差矩阵后再进行MUSIC估计得到的DOA初值估计。由图4(a)可见，阵列幅相误差导致MUSIC谱分辨率严重下降且出现多个伪峰，使得估计的DOA初值与真实值差异较大，而且估计出的DOA个数多于真实DOA个数；采用Toeplitz预处理后的协方差矩阵估计的MUSIC谱性能得到很大提升，没有出现伪峰，DOA初值估计也比较准确，分别为31.6°和44.0°。图4(b)是分别采用NSF法与改进NSF法消除幅相误差后估计的期望信号与SDC的DOA值，可以看出NSF法校正失效，采用改进NSF法能够比较准确地估计出DOA值(经过4次迭代后停止)，分别为29.7°和44.8°。

图3 2250 km处的多普勒谱

图4 NSF法与改进NSF法的校正结果比较

图5 ADBF后的距离-多普勒谱()

图6 ADBF后的距离-多普勒谱()

图7 ADBF后的距离-多普勒谱()

图8 ,和对应的方向图

表1不同仰角估计误差时的信杂噪比改善量(dB)

仰角仰角估计误差(°) 0.20.40.60.81.01.21.41.61.8 目标到达仰角18.017.617.216.916.616.416.116.015.8 SDC到达仰角17.616.415.514.813.912.912.111.811.6 目标、SDC到达仰角17.116.014.714.113.312.311.210.610.2

5 结论

电离层是OTHR进行目标探测时必须依靠的媒质，电离层多层结构和时变特性会产生多径SDC，影响OTHR对慢速目标的检测，如何有效抑制多径SDC是OTHR面临的难题之一。本文综合考虑阵列存在幅相误差和回波数据中含有强期望信号的实际情况，提出了一种抑制从接收阵列旁瓣进入的多径SDC的方法。该方法采用改进NSF自校正法消除阵列幅相误差，然后采用正交投影ADBF方法能够在完整保留期望信号的同时较好地抑制多径SDC，易于工程实现。理论分析和实验仿真结果表明本文方法可有效抑制多径SDC，改善慢速舰船目标检测性能。

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罗 欢： 男，1986年生，博士生，研究方向为天波超视距雷达信号处理.

陈建文： 男，1964年生，教授，博士生导师，从事天波超视距雷达信号处理、阵列信号处理等的研究.

鲍 拯： 男，1977年生，博士，讲师，从事天波超视距雷达信号处理、阵列信号处理等的研究.

A Multipath Spread Doppler Clutter Suppression Method for Skywave Over the Horizon Radar

Luo Huan①Chen Jian-wen②Bao Zheng②

①(,,430019)②(,,430019)

This paper analyzes the production mechanism of the multipath Spread Doppler Clutter (SDC) in skywave Over The Horizon Radar (OTHR). Because the amplitude and phase errors always exist in the array and the power of desired signal (sea clutter) is greater than the power of SDC, the SDC suppression ability declines through conventional Adaptive Digital Beam Forming (ADBF) process, at the same time, the desired signal is weakened and Signal-to-Noise Ratio (SNR) is seriously decreased. To resolve the above problems, an adaptive SDC suppression method is proposed. In this method, an improved Noise Subspace Fitting (NSF) method is utilized to eliminate amplitude and phase errors of OTHR array, and the direction of arrival angle of desired signal and SDC can be accurately obtained. Then, orthogonal projection weight vector is used in ADBF to solve the problem that conventional ADBF weight vector can not be accurately estimated because of the strong desired signal. Theoretical analysis and simulation results show that the scheme can completely suppress multipath SDC.

Skywave Over The Horizon Radar (OTHR); Multipath spread Doppler clutter; Amplitude and phase error correction; Adaptive Digital Beam Forming (ADBF)

TN958

A

1009-5896(2014)11-2691-07

10.3724/SP.J.1146.2013.01910

罗欢 luohuan5566@sina.com

2013-12-06收到，2014-03-31改回

国家自然科学基金(61072132)资助课题