天波超视距雷达杂波属性判别方法研究

冯国彬，陈斯文，凌　牧，陈　栋

(1. 南京电子技术研究所,　南京 210039)(2. 海军驻南京地区电子设备军事代表室，　南京 210039)



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天波超视距雷达杂波属性判别方法研究

冯国彬1，陈斯文2，凌牧1，陈栋1

(1. 南京电子技术研究所,南京 210039)(2. 海军驻南京地区电子设备军事代表室，南京 210039)

提出了一种基于天波超视距雷达地、海杂波频谱特性，采用空间单元杂波幅度峰值检测结果判别地、海及地海交界线杂波属性的方法，可判别出具有多普勒频率偏移的地海杂波，并利用某雷达实测数据对该方法进行了验证。采用该方法绘制出的某区域海岸线地海杂波分布图与地图形状基本吻合。

天波超视距雷达；峰值检测；杂波属性；多普勒频率；海岸线

0　引　言

天波超视距雷达(OTHR)探测目标的过程依赖于对电离层折射区高度和射线传播路径的认知，当电离层模型与实际分布情况存在差异时，雷达定位精度将显著降低。目前，比较成熟的方法是通过复杂的电离层监测与重构系统对电离层分布进行实时监测，并根据监测结果对雷达定位误差进行修正[1]。文献[2]利用探测的机场位置信息与所在的地图坐标比较，进行OTHR目标定位修正。但是机场分布零星，而海岸线十分漫长，通过与地图坐标可进行比较，对OTHR目标定位修正可利用的价值比较大，但陆海分界线的判别是难点。因此，本文提出了一种基于地、海杂波频谱特性，采用空间单元杂波幅度峰值检测结果判别地、海及地海交界线杂波属性的方法,解决了具有多普勒频率偏移的地、海杂波属性判别正确率低的问题,并利用雷达实测数据对该方法进行了验证。

1　地海杂波特性分析

OTHR发射信号通过电离层折射到地海表面，回波信号沿原路返回至接收机形成地海杂波。根据海杂波谐振理论，由海面散射的雷达回波信号具有特定的频谱特征分布结构，该结构可用于识别和区分地海特征。本节将深入研究地海杂波频谱特性，分析地海杂波属性判别方法。

1.1地杂波频谱特性

岛屿和陆地回波无明显的运动起伏特征，其多普勒频率位于零频附近，且在距离上有较大扩展，根据以上特征可在回波频谱图上提取出岛屿和陆地杂波信息。图1为某雷达的地杂波频谱信息，雷达三个波束全距离段回波在-3 Hz～+3 Hz范围内的频谱特征及某空间单元回波的频谱特性，地杂波分布在零频附近。

图1　某雷达的地杂波频谱特性

1.2海杂波频谱特性

海杂波一阶Bragg峰由海浪与雷达波长谐振的分量所产生，为相对于零频对称的两根离散谱线，其多普勒频率与雷达工作频率(波长)和入射角有关[3-6]，即

(1)

式中：fd为多普勒频率，单位为Hz；f0为雷达工作频率，单位为MHz；θ为电磁波与海面法线间的夹角，单位为(°)。

对于朝向或离开雷达的能引起Bragg谐振的一组海浪，将在多普勒频移为fd处有一阶Bragg尖峰，但在实际工作中由于受电离层传播和海面洋流影响，实际fd海杂波回波信号频率与理想相比会发生偏移，海杂波谱会展宽[7]。

图2为根据某雷达实测数据得到的某波束全距离的频谱图(图2a))及某空间单元的频谱分布(图2b))，可以看出零频两侧各有一个一阶Bragg尖峰。

1.3地海交界线杂波频谱特性

根据1.1节和1.2节的分析可知，雷达接收的地海交接带回波频谱具有地、海杂波的特性，即地杂波分布在多普勒零频附近，海杂波在零频两侧呈现两个多普勒频率为fd的一阶Bragg尖峰。

图3为根据某雷达的实测数据得到的回波频谱分布图，图3a)表明地海交接带回波在-1 Hz～1 Hz内展宽；图3b)表明在某空间单元，回波频谱上有三个峰，零频处为地杂波谱峰，零频对称的两个峰为一阶Bragg尖峰。

图3　地海交界处频谱分布图

2　地、海及交界线杂波属性判别方法

根据地海杂波和目标的特性，对每个空间单元的多帧频谱数据进行峰值检测处理，对检测结果进行统计分析，得到地海杂波的多普勒判别区间，依次判别海杂波、地海交界线及地杂波属性，详细方法和判别步骤如下：

(1)在多普勒频率(-3 Hz，3 Hz)区间内，对同一波位的多帧数据进行幅度峰值检测，得到所有空间单元每帧的杂波幅度最大值和次大值及其对应的多普勒频率值。

根据OTHR海杂波的频谱特性和统计规律，只对多普勒频率(-3 Hz，3 Hz)内的数据进行检测处理，可缩短处理时间、提高处理能力。对(-3 Hz，3 Hz)内的数据划定若干局部区域并检测出每个区域的最大值，最后得到该帧杂波幅度-多普勒分布情况，如图4所示。

图4　某空间单元杂波幅度-多普勒分布(局部检测后)

(2)对同一空间单元的多帧杂波幅度比较，得到该空间单元杂波幅度最大值AL和次大值AB，两者对应的多普勒频率值分别为fL和fB。

(3)确定地、海杂波多普勒频率判别区间。假设(2)中得到的最大值为地杂波的幅度值，次大值为海杂波的幅度值，分别取幅度最大值和次大值下降MdB和NdB(M、N是雷达长期统计或多帧杂波数据统计的结果)所对应的幅度值分别AL-M和AB-N，相应的多普勒频率值为fL-M和fB-N，令ΔfdM=|fL-fLM|、ΔfdN=|fB-fBN|。则地、海杂波的多普勒判别区间分别为：(-ΔfdM，+ΔfdM)、(fB-ΔfdN,fB+ΔfdN)。

(4)判断地、海及地海交界线杂波属性

若(1)中某空间单元的杂波幅度最大值对应的多普勒频率在地杂波的多普勒判别区间内，则暂时判为地海交界线杂波，此时若次大值的多普勒频率值也在海杂波的多普勒判别区间内，则可判为地海交界线杂波；若幅度最大值对应的多普勒频率在地杂波判别区间，次大值对应的多普勒频率不在海杂波的判决、别区间，则判为地杂波；若幅度最大值和次大值对应的多普勒频率在海杂波的判别区间内，则判为海杂波。如图5所示，某空间单元杂波的两个峰值对应的多普勒频率均在海杂波的多普勒判别区间内，按照判别准则判断为海杂波。

图5　判断出的海杂波效果图

(5)标识地、海杂波区

按照以上方法，判断其他所有空间单元的地、海杂波特征，并置地、海标识。若某一空间单元单元判为地时，需对相邻两个空间单元都进行搜索查看，如相邻单元都判为地时，则此单元的判地置信度标志加1；若某空间单元判为海时，需对相邻两个距离单元都进行搜索查看，如相邻两个单元都判的是地，则对此单元的判海置信度标志减1。通过对多帧数据积累和统计得到较为吻合的形状分布。

基于以上方法，录取某雷达数据，处理得到和地图基本相符的海岸线分布。如图6所示，判别的地(黑色)、海杂波及交界线，与地图坐标(黑色曲线为地图上标示的海岸线)比较，形状吻合。

图6　地海杂波及分界线与客观地图比较结果

3　结束语

本文基于地、海杂波频谱特性，利用杂波幅度峰值检测方法，确定了地、海杂波的多普勒检测区间，判别出杂波的属性。通过实测数据分析，该方法在基于特定场景的地、海及地海交接线杂波属性判别上，取得良好的效果，但在实际工作中经常受到电离层传播和海面洋流影响，海杂波回波信号频率会发生偏移以及频谱展宽,海杂波频谱图会形成多个峰，对海杂波属性存在误判的可能性。因此，后续还需要对大量的实测数据进行统计分析，不断完善海杂波属性判别分析算法。

[1]沈一鹰, 李宏博, 郭鹏. 天波超视距海态遥感的电离层干扰去除算法[J]. 现代雷达，2006, 28(2)：28-31.

SHEN Yiying, LI Hongbo, GUO peng. Algorithm for decontamination of ionospheric slow phase-path disturbance to sea-state remote sensing in HF skywave OTH radar[J]. Modern Radar, 2006, 28(2)：28-31.

[2]韩彦明. 天波超视距雷达无源信标修正方法研究[D]. 南京: 南京理工大学，2010.

HAN Yanming. Research on passive beacon correcting method of OTH radar[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2010.

[3]冀振元, 孟宪德, 袁业术. 高频地波OTH雷达二阶海杂波分析及模拟[J]. 现代雷达, 2003, 25(4): 4-6.JI Zhenyuan, MENG Xiande, YUAN Yeshu. Analysis and emulation for second order sea clutter in HF ground wave over-the-horizon radar[J]. Modern Radar, 2003,25(4): 4-6.

[4]杨龙泉, 凡俊梅, 蔚娜,等. 天波/地波组合传播模式下一阶海杂波特性分析[J]. 电波科学学报, 2012, 27(4): 703-708, 847.

YANG Longquan, FAN Junmei, WEI Na, et al. Study on characteristic of first order sea-clutter in the hybrid sky-surface wave propagation mode[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2012,27(4): 703-708,847.

[5]毛媛. 天波超视距雷达海面回波多普勒谱研究[D]. 西安：西安电子科技大学，2012.MAO Yuan. Study on the sea-echo Doppler spectrum of the over-the-horizon radar[D]. Xi′an: Xidian University, 2012.

[6]孟泽, 孙合敏. 天波超视距雷达海洋回波谱特性研究[J]. 舰船电子对抗, 2009, 32(6): 66-70.

MENG Ze, SUN Hemin. Study of sea echo spectrum characteristics for sky-wave over-the-horizon radar[J]. Shipboard Electronic Countermeasure, 2009, 32(6): 66-70.

[7]周晨, 赵正予, 邓峰. 电离层行进式扰动对天波超视距雷达坐标配准的影响[J]. 系统工程与电子技术, 2011,33(10): 2222-2225.

ZHOU Chen, ZHAO Zhengyu, DENG Feng. Effects of the travelling ionospheric disturbance on skyvave OTHR coordinate registration[J]. Systems Engineering and Electronics, 2011,33(10): 2222-2225.

冯国彬男，1982年生，硕士，工程师。研究方向为雷达系统技术。

陈斯文男，1986年生，本科，工程师。研究方向为雷达监造与管理。

凌牧男，1985年生，硕士，工程师。研究方向为雷达系统技术。

陈栋男，1970年生，本科，研究员级高级工程师。研究方向为雷达系统技术。

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

冯国彬Email：011998@nriet.com

2016-04-29

2016-07-01

TN957.52

A

1004-7859(2016)08-0051-03