基于原始频谱的天波超视距雷达回波特性分析方法

余陈钢，陈志坚

(南京电子技术研究所，　南京 210039)



基于原始频谱的天波超视距雷达回波特性分析方法

余陈钢，陈志坚

(南京电子技术研究所，南京 210039)

摘要：天波超视距雷达工作环境复杂，受外部干扰和杂波的影响较大，使得超视距雷达目标回波特性十分复杂。为了对目标进行判别和有效跟踪，就必须分析掌握雷达各种回波和目标特性。文中设计了一种基于雷达原始频谱的回波特性分析方法，该方法以原始频谱为基础，将回波点迹及跟踪航迹数据与频谱数据进行同步对比分析，同时对频谱信息进行噪声基底、杂波展宽、覆盖率等统计评估，有效地分析超视距雷达回波特性以及对目标跟踪进行有效地分析和验证。

关键词：超视距雷达；回波特性；覆盖率；原始频谱

0引言

天波超视距雷达(OTHR)是我国一种新型体制的雷达，通过电离层折射来实现目标探测。与常规雷达相比，天波超视距雷达具有其得天独厚的优势。一方面天波超视距雷达探测距离远，覆盖区域广，可探测800～3 500 km范围视距外的飞机、舰船和导弹目标；另一方面作为远程预警雷达，它可以发现常规微波雷达难以发现的目标，例如低空、超低空目标、隐形飞机等，同时还可应用于核爆炸监测、海洋及高空电离层环境监测与预报[1-3]。

但是与常规视距雷达不同，天波超视距雷达的工作环境复杂，容易受到电离层条件、外界噪声和杂波干扰等因素影响[4-7]。天波超视距雷达的传输媒质电离层具有周期性、时变性和非平稳性，在工作过程中电离层会对目标探测带来许多不利影响。例如，电离层时变性会引起目标多普勒的漂移与扩展，电离层多模会引起多径效应等。这些探测环境导致的不稳定性给天波雷达的回波特性分析带来很大的困难。

常规雷达一般探测环境状态稳定，回波信号也相

对稳定。根据目标点迹的位置和运动趋势，较容易判别目标信号或杂波干扰信号[8]。超视距雷达由于受电离层的状态影响，回波信号起伏较大。而且由于宽波束的连续波经电离层折射，目标信号在距离、方位、多普勒频率上均展宽严重。如果像常规雷达一样利用目标回波点迹来分析目标特性，很难直观了解天波超视距雷达目标信号特性和运动特征。

本文描述了一种基于频谱的超视距雷达信号特性分析方法，以超视距雷达探测目标回波的原始频谱信息为基础，结合目标回波点迹、跟踪航迹等信息综合分析超视距雷达回波信号特性。只有充分认识了目标特性和运动特征，才能有效研制相应的跟踪处理算法，提高目标跟踪性能。按照此方法将频谱、原始点迹以及航迹数据进行同步对比，同时进行杂波基底、杂噪比、覆盖率等指标统计分析以及各项信息的综合分析，从时域、频域、空域不同角度掌握目标信号特性和运动特征[9-10]，对目标跟踪处理提供有力支撑。

1方法介绍

1.1技术特点

首先是对超视距雷达目标探测回波的原始频谱信息进行显示和分析，然后在此基础上将目标回波点迹

以及目标航迹等信息进行叠加，进行对比统计分析，分别以全景和空间单元形式分析目标回波特性，从时域、频域、空域直观有效的分析和掌握回波信号特性以及目标运动特征。分析流程如图1所示。

图1　分析流程图

1.2分析过程

1.2.1从原始频谱信息对噪声基底、杂噪比、覆盖率等进行统计分析

对原始频谱信息按照“距离、方位、多普勒频移、幅度强弱”等多维信息显示，另外连续多帧滑窗显示分析，实现时域、频域、空域的频谱显示；并对噪声基底、杂噪比、覆盖率等指标进行统计分析，直观掌握和评估雷达回波信号的质量。

1)频谱信息显示

原始频谱信息包括距离、方位、多普勒滤波器号、幅度信息。假设距离单元数RN，方位通道数AN，多普勒滤波器号最大值(即相干积累点数)为CN，信号幅度为U。

则空间单元数为

CellN=RN×AN×CN

(1)

幅度值进行归一化

U′=lg(U/107)×20+50

(2)

对归一化等预处理后的频谱数据按照距离、方位、多普勒滤波器号、幅度等多维信息，将频谱按空间分布及幅度颜色等信息进行显示。

2)噪声基底统计

先刨除±XHz内的杂波区内M个单元，统计剩余所有空间单元内的噪声平均值。X为杂波区统计门限。

每个方位子波束噪声基底Nk(k=1,2,…,AN)为

(3)

噪声基底统计值Ns为

(4)

3)覆盖率统计

假设第j方位通道±XHz内RN个距离单元中满足覆盖率门限的距离单元数有Rj个，则第j方位通道的距离覆盖率为

(5)

覆盖率均值Cova为

(6)

4)杂噪比统计

参与统计的距离范围设定为探测波位距离覆盖范围。计算同一方位波束、所有满足距离范围距离单元内±AHz内的杂波极大值与±BHz外范围噪声基底均值之差超过覆盖率统计门限。A、B均为某设定门限。

统计同一距离单元±AHz内的杂波极大值X；

计算同一距离单元±BHz外的噪声基底均值Y。

统计满足(X-Y)≥M1 (M1统计门限值 )条件的所有距离单元的杂噪比均值为

(7)

杂噪比统计值CNRs为

(8)

1.2.2对回波信号的信号强度、信号类型等特性进行分析

1) 信号强度

通过噪声基底、覆盖率、杂噪比的统计信息以及回波信号的分布可以判断回波信号的强弱，进而判断当前波位选频的优劣。

2) 目标信号

根据信号的测量距离、方位、多普勒、目标信号强弱、信号分布形状等判别真实目标信号，如图2所示；根据某目标随时间在多普勒域的突变，判断目标的加速特性；而且可判断目标多模多径现象，如图3所示，三个点迹群实际上是一个目标因不同电离层折射产生的不同路径的回波信号；当出现多径现象时，可以结合电离层数据分析当前目标位置上空电离层的状态，包括层数、各层相对强度等。

3) 电源杂散信号

以零频为中心对称的信号，且在固定位置产生，没有运动特征，经分析判断为电源杂散信号，不是真实目标，如图4所示。

图2　目标信号特征图

图3　目标多径特征图

图4　电源杂散特征图

4) 风车、风场信号

在某个距离段出现的成锯齿状的带状信号，且在固定位置产生，没有运动特征，经分析为远端风场产生的回波信号，如图5所示。

图5　风车风场特征图

5) 其他信号特性

其他信号包括岛屿产生的海面区域强地杂波信号等。

1.2.3将录取点迹与频谱进行对比分析

将目标录取获取的回波点迹与频谱信息叠加显示，如图6所示，分析目标点迹特性。

图6　频谱、点迹同步图

1)分析判断信号处理目标检测的正确性，分析具有典型目标特征的信息是否漏检；

2)干扰信息是否被抗干扰过程处理掉，是否被当作目标检测出；

3)通过观察相邻周期的多帧信息，分析目标信号是否被稳定检测到，目标信号是否稳定。

1.2.4将航迹信息、频谱以及点迹同步进行对比，分析目标的跟踪效果

从航迹起始前到航迹终止连续多帧数据按照时序先后全程分析某条航迹的跟踪过程，如图7所示。

图7　频谱/点迹/航迹同步图

主要可以从以下7个方面进行分析：

1)目标回波信号何时出现并检测到目标点迹；

2)目标何时建批；

3)目标跟踪过程是否稳定、连续，跟踪过程中是否有丢帧；

4)目标是否具有多径特征，跟踪过程中是否进行过传播模式的切换；

5)目标具有多径特征时，数据处理模式匹配是否正确，是否有效消除多模多径航迹；

6)目标是否具有多普勒速度模糊的特征，航迹解模糊处理是否正确；

7)目标何时终结，是因目标信号丢失而正常终结还是因干扰误关联或其他原因导致丢批等等。

2结束语

以原始频谱信息为基础，结合目标回波点迹、跟踪航迹、电离层环境信息等信息综合分析超视距雷达回波特性的方法具有以下特点：

1) 通过从原始频谱信息对信号强度、噪声基底、杂噪比、杂波宽度、覆盖率等特征参量的统计提取，评估雷达回波信号质量；

2) 通过信号特性分析，经过积累，掌握各种目标、干扰、杂波等信号的特性，目标的运动特征；

3) 通过回波点迹与频谱信息对比分析目标信号的稳定状态、加速特性、电离层模式等；

4) 通过航迹与频谱信息的对比分析，直观了解目标跟踪状态，包括航迹起始、维持、终结、丢点、多普勒模糊特性、电离层模式匹配状态等。

采用本方法能有效的对原始频谱数据、原始回波点迹数据、跟踪航迹数据进行综合的对比分析，直观地从时域、频域、空域上把握目标的信息和特征，对更清楚地认识天波超视距雷达的回波特性、目标运动特征以及针对不同特征目标改进完善跟踪算法都具有很大的帮助。该方法在天波超视距雷达大量的回波特性分析、跟踪算法验证过程中发挥极其重要的作用，大大节省了数据分析的人力和时间，提高了分析和验证效果。

参 考 文 献

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CHEN Zhijian, YU Chengang, LU Kun. Research of skywave OTHR target extraction[J]. Modern Radar, 2007, 29(5): 42-45.

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余陈钢男，1975年生，硕士，高级工程师。研究方向为雷达系统软件及数据处理。

陈志坚男，1963年生，硕士,研究员。研究方向为雷达系统软件及数据处理。

王文涛男，1989年生，硕士研究生。研究方向为雷达抗主瓣干扰技术。

周青松男，1982年生，讲师，博士。研究方向为雷达信号处理、阵列信号处理。

刘兴华男，1993年生，硕士研究生。研究方向为空间信息处理。

李磊男，1976年生，讲师，硕士。研究方向为雷达信号处理。

A Method of Analyzing the Echo Characteristic of OTHR

Based on the Original Spectrum

YU Chengang，CHEN Zhijian

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：The work environment of the sky-wave over-the-horizon radar (OTHR) is complex, so the echo characteristic is also very complex. In order to distinguish the targets and track them effectively, it's the first to hold the target characteristic. So a valid method of analyzing the echo characteristic of the OTHR based on the original spectrum is proposed, and it can analyze the plot data, track data and the spectrum data synchronously, evaluate the fundus of the noise, the width of the clutter, and the covering rate. Thereby, we can hold the echo characteristic of OTHR effectively and validate the tracking process.

Key words：OTHR; echo characteristic; covering rate; original spectrum

DOI：·信号/数据处理· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.010

收稿日期：2015-07-22

修订日期：2015-09-20

通信作者：余陈钢Email：janehoe@126.com

中图分类号：TN958.95

文献标志码：A

文章编号：1004-7859(2015)12-0045-04