X波段雷達(dá)實(shí)測海雜波的特性分析*

楊永生， 張宗杰

0 引言

海雜波通常是指雷達(dá)接收來自海表面散射的回波信號，它不僅與海面粗糙度密切相關(guān)，而且雷達(dá)波的極化、波段以及入射角度等系統(tǒng)參數(shù)對其也有較大的影響。艦載雷達(dá)和海岸警戒雷達(dá)在維護(hù)國家和地區(qū)安全方面發(fā)揮著重要的作用，其主要任務(wù)是在海雜波背景下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測、識別與跟蹤，如船只、低空掠海飛行的飛機(jī)和導(dǎo)彈等。因此，海雜波特性的研究已成為現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與性能評估的重要課題[1-2]。

目前，已從多種角度對海雜波的特性進(jìn)行了深入的研究，如海尖峰、多普勒譜、相關(guān)分析及統(tǒng)計(jì)建模等。在海雜波統(tǒng)計(jì)建模方面，已提出的模型有Weibull分布、log-normal分布、Gamma分布、復(fù)合高斯分布以及 K 分布等[1-5]。文獻(xiàn)[6]，利用英國南部海岸某雷達(dá)海雜波數(shù)據(jù)來分析含有3個(gè)分量的多普勒譜模型，該模型是通過wavetank數(shù)據(jù)建立起來的。并進(jìn)一步研究了海雜波數(shù)據(jù)中的去相關(guān)、多普勒、極化等特征；分析了Bragg與non-Bragg散射機(jī)理、海尖峰特性與風(fēng)向之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]，從時(shí)間、幅度和頻率3個(gè)角度，對海雜波的海尖峰進(jìn)行了分析。

文中利用X波段極化雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)，對海雜波進(jìn)行了功率譜密度和相關(guān)分析，得到了一些有益的結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

研究中所采用的實(shí)測海雜波數(shù)據(jù)是 McMaster IPIX雷達(dá)采集的，該數(shù)據(jù)可在互聯(lián)網(wǎng)上下載，其網(wǎng)址 為 http：//soma.crl.mcmaster.ca/ipix/dartmouth/datasets.html#download。McMaster IPIX 位于加拿大的Dartmouth, 它架設(shè)在高于海平面25～30 m處的陸地上，這是典型艦載雷達(dá)的安裝高度。McMaster IPIX雷達(dá)天線指向固定，僅可對一片海域進(jìn)行低掠射角探測。發(fā)射機(jī)峰值功率為 8 kW，采用的是行波電子管放大器。接收機(jī)為相干接收方式，它的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)范圍已達(dá)到50 dB。拋物面天線的直徑為2.4 m，波束寬度為1.1 deg，天線增益為45.7 dB。McMaster IPIX雷達(dá)具有4個(gè)極化接收通道（HH，VV，HV，VH），其中，V表示垂直極化，H表示水平極化。

文中所使用的海雜波數(shù)據(jù)是1993年11月11日McMaster IPIX雷達(dá)接收到的海雜波數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)海面波高為0.7 m。雷達(dá)波的載頻為9.39 GHz，脈沖重復(fù)頻率 PRF為1 000 Hz，脈寬為200 ns，波束寬度為0.9 deg，距向分辨率為30 m。McMaster IPIX 雷達(dá)總共有14個(gè)距離門，相鄰的距離門間距為15 m，每個(gè)距離門采樣的樣本數(shù)為172 ，即131 072。因此，海雜波持續(xù)時(shí)間大約為130 s。

圖1為X-波段海雜波實(shí)測數(shù)據(jù)，其中，圖1(a)為HH極化的海雜波幅度，圖1(b)為VV極化的海雜波幅度，水平軸為時(shí)間；縱軸為海雜波幅度。從圖1可以看出，HH和VV極化的海雜波在幅度上變化均較劇烈，都表現(xiàn)出了一定的隨機(jī)性和海尖峰特性，而且HH極化海雜波的海尖峰特性要比VV極化的更顯著。表1為高于n倍均值樣本的百分比，其中，μ為均值，HH極化的均值為0.635 5，VV極化的均值為0.734 3。從表1同樣可以看出，HH極化的海尖峰特比VV極化的更明顯，如HH極化海雜波高于3倍均值樣本占比為4.75%，而VV極化海雜波的占比僅為3.57%。

圖1 X-波段海雜波實(shí)測數(shù)據(jù)

表1 高于n倍均值樣本的百分比

2 海雜波的特性分析

2.1 功率譜密度

為了避免直流分量的影響，首先從原始數(shù)據(jù)中去掉直流分量，即信號的均值。周期圖法是典型的功率譜估計(jì)方法之一。它是基于數(shù)據(jù)的Fourier變換來估計(jì)平穩(wěn)過程的功率譜密度。因此，它具有較高的計(jì)算效率。利用周期圖法估計(jì)平穩(wěn)過程 (x)n的功率譜密度 (S)ω，其表達(dá)式為：

海雜波的功率譜密度是采用改進(jìn)的周期圖譜方法來估計(jì)的，其中數(shù)據(jù)加矩形窗，矩形窗為256點(diǎn)。為了減少頻譜的泄漏，對數(shù)據(jù)進(jìn)行50%的重疊。圖2(a)和圖2(b)分別為HH和VV極化的海雜波功率譜密度，HH和VV極化海雜波的功率譜密度主要分布在100 Hz以內(nèi)。從圖2可以看出，VV極化海雜波的功率譜密度具有更窄的帶寬，且衰減的更快。

圖2 海雜波的功率譜密度

2.2 相關(guān)性

為了更好地研究海雜波的特性，需要進(jìn)行相關(guān)分析。就二維海雜波而言，相關(guān)性包括空間相關(guān)分析和時(shí)間相關(guān)分析。由于McMaster IPIX雷達(dá)的距離門數(shù)僅為14，數(shù)目太少。因此，在這里不對海雜波進(jìn)行空間相關(guān)方面的分析和研究。自相關(guān)函數(shù)R(τ)的定義為：

式中， P (t)為海雜波的幅度，τ為時(shí)延， ?為期望運(yùn)算，‘*’為復(fù)共軛運(yùn)算。根據(jù)Wiener-Khintchine定理，平穩(wěn)過程的自相關(guān)函數(shù) R (τ)與功率譜密度S(ω)之間的關(guān)系為：

圖3(a)和圖3(b)分別為HH和VV極化的海雜波自相關(guān)函數(shù)。從圖3可以看出，HH和VV極化海雜波相關(guān)性具有相似的變化趨勢。HH和VV極化海雜波在大約20 ms以后，自相關(guān)函數(shù) ()Rτ基本保持不變，VV極化的相關(guān)系數(shù)在0.2附近波動(dòng)，而HH極化的相關(guān)系數(shù)在0.1附近波動(dòng)，這表明HH極化的海雜波相關(guān)性要比VV極化的相關(guān)性要小一些。

圖3 海雜波的自相關(guān)函數(shù)

3 結(jié)語

文中對 X波段雷達(dá)實(shí)測海雜波進(jìn)行了功率譜密度和相關(guān)分析。與HH極化相比，VV極化海雜波的功率譜密度具有更窄的帶寬，且衰減的更快。而 HH和 VV極化海雜波具有相似的相關(guān)性，但HH極化的相關(guān)系數(shù)要比 VV極化的要小。由于McMaster IPIX雷達(dá)在空間探測范圍的有限性，限制了海雜波在空間相關(guān)性的分析。此外，還需要深入研究海洋環(huán)境對海雜波的影響，這也是下一步研究工作的重點(diǎn)。

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