基于高分辨时频分析解电离层相位污染研究

鲁转侠,凡俊梅,柳　文,李　雪

(中国电波传播研究所，青岛　266107)

鲁转侠 (1978—)，女，陕西人，高级工程师，主要研究方向为天波斜向探测电离图数值分析、模拟、判读、电离层回波信号处理、传播模式分析；

E-mail：zhuanxialu@163.com

凡俊梅(1964—)，女，河南人，研究员，主要研究方向为电离层传播特性、数据处理；

柳　文(1973—)，男，湖南人，研究员，主要研究方向为电离层物理及电波传播理论；

李　雪(1981—)，男，黑龙江人，高级工程师，主要研究方向为电离层回波信号处理、雷达信号处理。



工程与应用

基于高分辨时频分析解电离层相位污染研究

鲁转侠,凡俊梅,柳文,李雪

(中国电波传播研究所，青岛266107)

摘要：本文在对高分辨线性时频分析方法理论及仿真研究的基础上，使用该方法对高频电离层返回散射探测的单个传播模式和多个传播模式的实测数据进行解污染处理，结果显示该方法取得了较理想的电离层污染抑制效果，尤其针对电离层多模和相位污染同时存在的复杂情况，比其它方法具有更高的频谱锐化度。因此证明该方法具有很高的工程应用价值，对天波超视距雷达舰船等低速目标检测具有重要意义。

关键词：电离层；多模传播；返回散射探测；改进协方差

0引言

天波超视距雷达(OTHR)利用电离层返回散射传播机理来实现超视距覆盖，克服了地球曲率限制，作用距离达800~3500 km，覆盖范围几百万平方千米[1-3]。电离层是OTHR的主要传播媒介，具有时变、随机、色散和各向异性等特性，影响雷达信号传播。电离层多层结构导致的多模式效应和电离层的非平稳性引起的传播射线相位路径变化，使得经电离层传播的雷达回波信号相位非相干，长时间相干积累使得杂波频谱展宽，淹没舰船等目标信号，制约舰船等低速目标检测[3-5]。

目前解决电离层相位污染的方案主要分为两大类：一是采用短相干积累来避免电离层的非平稳性；二是目前OTHR中广泛应用的时域估计补偿方法，例如最大熵谱估计法[7]、相位梯度估计法[8]、时频分析法[9]和特征分解法[10]等。文献[11]采用分段多项式相位信号建立电离层相位调制函数模型，并利用高阶模糊函数法分析每段的瞬时相位，最后综合出整段校正函数。

电离层多模传播本质是其分层特性使得不同地面距离回波落入同一群距离单元，引起地、海杂波谱大幅展宽，限制海面慢速目标检测。目前法国的NOSTRADAMUS[12]天波超视距雷达系统采用二维星型天线阵列，使得雷达系统工作于单一传播模式，但造价昂贵。文献[13]提出了基于多模—单模转换的方法。该方法受传播模式数目、各模式信号幅度、多普勒频移等估计误差影响较大；文献[17]提出了海杂波循环对消法抑制天波超视距雷达多模传播，该方法不将多模转化为单模，而是直接在多模条件下利用海杂波循环对消去除多个Bragg峰，从而发现目标，但该方法受各模式信号幅度、多普勒频率、初相等估计精度影响。文献[14]提出依据OTHR配置的电波环境探测系统，利用自适应频率选择实现多模传播抑制，但文献中未提及具体实现方法。文献[6]提出一种基于特征分解的传播模式数目提取算法，实现了全频段下传播模式数目分布提取，从而最终实现单模式工作频率选择．经仿真研究和试验数据验证，该方法有效。

当相位扰动和多模传播同时存在时，多普勒谱的污染通常很严重。一般的方法是首先补偿相位扰动，锐化多普勒谱，然后估计多模参数。文献[17]从理论仿真的角度，采用高分辨线性时频分析方法对多模和相位污染并存的情况进行了初步研究，取得了一定的解污染效果。本文基于对高分辨线性时频分析方法的研究，对高频电离层返回散射探测的单模、多模实测数据开展了实际的解污染效果分析，结果显示该方法不只在单模情况下取得了较理想的效果，针对复杂的多模情况也比其它方法具有更高的频谱锐化度，因此具有很高的工程应用价值。

1高分辨线性时频分析方法

在时频分析技术中，线性算子如短时Fourier变换当多个信号分量存在时，它们的短时Fourier变换中没有交叉项，但存在时间分辨力和频率分辨力之间的矛盾，对信号的估计精度不高。然而双线性算子如经典的Wigner-Ville分布，尽管其可以达到较好的时频分辨能力，但是当多个信号分量存在时，它会产生交叉项，这些交叉项将严重掩盖微弱的目标信号，特别是在高频天波超视距雷达(OTHR)中，信号回波相对于强大的外部噪声以及地/海杂波来说非常弱。因此双线性的时频分析技术在单分量的情况下可以达到非常好的性能，但对于OTHR回波信号，往往存在着多个信号分量，不适合OTHR回波信号的分析处理。

(1)

改进的协方差频谱估计方法[18-19]是基于自回归(AR)模型的一种参数估计法，这种方法中，AR模型参数

(2)

可通过求解以下改进的协方差方程组而得到

(3)

其中

(4)

x(n)(n=0,1,…,N)是需要分析的信号，N是该信号的时间长度。白噪声方差由下式得到

(5)

(6)

2解电离层单模相位污染

利用高频天波返回散射机制研制了OTHR，高频电离层返回散射探测与OTHR工作于相同频段，并且经过相同的电离层传播信道，受电离层影响完全相同。为了比较算法的效果，采用高频电离层返回散射探测实验数据(单模和多模情况下电离层污染不明显)，人为添加相位扰动以比较算法解污染前后的效果。

针对单个传播模式情况，采用高频天波返回散射电离层探测实验数据，其工作频率22.826 MHz，脉冲重复周期为100毫秒，相干积累时间25.6秒。其中某一个海面单元散射的回波功率谱如图1所示，两个强大的一阶Bragg峰非常突出。人为添加相位污染如图2所示，其扰动函数为

φ(t)=sin(0.1484πt)

(7)

图1　高频返回散射电离层探测频谱(单模)

图2　添加的污染相位

受到污染后的信号功率谱如图3所示，两个一阶Bragg峰明显展宽。使用时域估计补偿方法相位梯度法去污染效果不理想，如图4所示(实线为未添加污染的探测频谱，虚线为相位梯度法解污染的结果)。而利用本文算法估计的结果如图5和图6所示，明显可见较好的估计了两个突出的一阶Bragg峰。

图3　添加电离层相位污染后的频谱(单模)

图4　探测频谱(实线)与相位梯度法解污染结果(虚线)(单模)

图5　高分辨线性时频分析方法时频域分析结果(单模)

图6　探测频谱(实线)与高分辨线性时频分析方法估计结果(虚线)(单模)

3解电离层多模相位污染

以上单个电离层传播模式的情况下，高分辨线性时频分析方法取得了较好的估计结果，能够有效地抑制电离层污染。

图7　高频返回散射电离层探测频谱(多模)

针对多个传播模式情况，采用高频天波返回散射电离层探测实验数据，其工作参数与以上单个传播模式相同。其中某一个海面单元散射的回波功率谱如图7所示，两个传播模式形成的四个突出的一阶Bragg峰非常明显。人为添加如图2所示的相位污染，受到污染后的信号功率谱如图8所示，四个一阶Bragg峰严重展宽，且出现多峰现象，给多模的识别和参数估计带来极大困难，相比单个传播模式情况更加复杂。使用典型的时域估计补偿方法相位梯度法不但不能有效地抑制电离层污染，而且使频谱污染更加恶化，如图9所示(实线为未添加污染的探测频谱，虚线为相位梯度法解污染的结果)。利用本文算法估计的结果如图10和图11所示，明显可见较好地估计了多个传播模式请况下的四个明显的一阶Bragg峰。

图8　添加电离层相位污染后的频谱(多模)

图9　探测频谱(实线)与相位梯度法解污染结果(虚线)(多模)

图10　高分辨线性时频分析方法时频域分析结果(多模)

图11　探测频谱(实线)与高分辨线性时频分析方法估计结果(虚线)(多模)

4结语

目前广泛使用的解电离层污染的算法，多采用时域估计补偿方法，以电离层相位污染的瞬时频率估计为重点，假设能准确提取完整包含污染信息的一阶Bragg峰信号，对信噪比要求严格，使用固定带宽的带通滤波器提取杂波特征。但实际情况往往不能准确获得包含污染信息的一阶Bragg峰，对电离层污染估计不理想，无法有效完成时域估计补偿。多个传播模式和相位污染同时存在时解污染效果便会更差，甚至失效。

国内外针对电离层多模和相位污染并存这种复杂情况的解污染研究分析成果较少，基本采用仿真构建多模信号和相位污染，然后基于此进行污染抑制研究。因此解污染条件苛刻，要求符合仿真实验假定的参数设置。

本文研究的基于改进协方差方法的高分辨线性时频分析方法，对信号加较短的时窗，然后利用改进协方差方法代替Fourier变换，换言之即采用短时Fourier变换的思想，结合高分辨的修正来实现频谱的高质量锐化。改进协方差方法基本上克服了谱线分裂、谱峰偏移和出现伪峰等缺点。这种方法解决了时间分辨力和频率分辨力之间的矛盾，在二维时、频域上均可达到较好的分辨能力。国内外学者通过仿真和实测高频雷达数据已验证，改进协方差算法是高分辨谱估计技术中最有效和可靠的方法。

本文通过对高分辨线性时频分析方法的短时窗尺度、自回归模型稳定性、阶数选择等特性分析的基础上，创新性地将该方法应用于高频电离层返回散射探测的单模、多模实测数据解污染研究。结果该方法不只在单模情况下取得了准确的频谱估计；在目前棘手的多模和相位污染并存的复杂情况下，该方法也比其它方法具有更高的频谱锐化度。因此对于工程应用来讲，基于改进协方差方法的高分辨线性时频分析方法，具有很高的工程使用价值，特别可为电离层严重污染情况下的多模参数估计方法研究提供更可靠的数据支撑，对OTHR舰船等低速目标检测具有重要意义。

针对这种基于改进协方差方法的高分辨线性时频分析方法，进一步需要研究的是自回归(AR)模型的稳定性、阶数的确定，以及针对不同分布特性的电离层污染的抑制效果，较大的运算量也是其不可忽视的缺点。

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鲁转侠 (1978—)，女，陕西人，高级工程师，主要研究方向为天波斜向探测电离图数值分析、模拟、判读、电离层回波信号处理、传播模式分析；

E-mail：zhuanxialu@163.com

凡俊梅(1964—)，女，河南人，研究员，主要研究方向为电离层传播特性、数据处理；

柳文(1973—)，男，湖南人，研究员，主要研究方向为电离层物理及电波传播理论；

李雪(1981—)，男，黑龙江人，高级工程师，主要研究方向为电离层回波信号处理、雷达信号处理。

Study on Ionospheric Phase Contamination Correction Based on High resolution Time-Frequency Analysis

LU Zhuan-xia,FAN Jun-mei,LIU Wen,LI Xue

(China Research Institute of Radio Wave Propagation, Qingdao 266107,China)

Abstract:The high resolution time-frequency method has carried on the theoretical analysis and simulation study in this paper.And this method was applied to high frequency ionospheric back-scattering detection data that have ionospheric single mode propagation state and multimode propagation state.Results show that this method has better effect, especially for the case of ionospheric multi-mode propagation state, and phase contamination exist at the same time, this method can make spectrum more sharpening than other methods.Thus proves that the method has high engineering application value. For sky-wave over-the-horizon radar(OTHR) detection of low speed targets like ships,the method is of great significance.

Key words:ionosphere; multi-mode propagation; back-scattering detection; modified covariance

作者简介

中图分类号：TJ01

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)01-088-06

基金项目：国家自然科学基金项目(61302006)；国家自然科学基金项目(61331012)

收稿日期：2015-12-10

修订日期：2016-01-10

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.017