一種天波雷達(dá)多徑擴(kuò)展多普勒雜波抑制方法

羅 歡 陳建文 鮑 拯

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一種天波雷達(dá)多徑擴(kuò)展多普勒雜波抑制方法

羅 歡*①陳建文②鮑 拯②

①(空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì) 武漢 430019)②(空軍預(yù)警學(xué)院三系 武漢 430019)

該文分析了天波超視距雷達(dá)(Over The Horizon Radar, OTHR)多徑擴(kuò)展多普勒雜波(Spread Doppler Clutter, SDC)的產(chǎn)生機(jī)理。由于陣列存在幅相誤差且期望信號(hào)的功率大于SDC功率，自適應(yīng)數(shù)字波束形成(Adaptive Digital Beam Forming, ADBF)將降低SDC抑制能力，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致信號(hào)對(duì)消，嚴(yán)重降低信噪比。針對(duì)以上問(wèn)題，該文提出一種自適應(yīng)抑制SDC的方法。該方法首先采用改進(jìn)噪聲子空間擬合自校正法消除陣列幅相誤差，得到期望信號(hào)和SDC準(zhǔn)確的到達(dá)仰角，然后采用正交投影權(quán)矢量進(jìn)行ADBF處理，避免了強(qiáng)期望信號(hào)條件下ADBF權(quán)矢量估計(jì)不準(zhǔn)的問(wèn)題。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠較徹底地抑制多徑SDC。

天波超視距雷達(dá)；多徑擴(kuò)展多普勒雜波；幅相誤差校正；自適應(yīng)數(shù)字波束形成

1 引言

天波超視距雷達(dá)(Over The Horizon Radar, OTHR)工作頻段為3~30 MHz，利用電離層對(duì)高頻電波的反射可實(shí)現(xiàn)對(duì)800~3500 km的海面和空中目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)[1,2]。在OTHR某些工作頻率，電磁波可能經(jīng)過(guò)不同層高的電離層折射，使得來(lái)自于不同距離的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)不同層高的電離層反射后，在同一時(shí)間到達(dá)接收陣列，由于群路徑相同，接收信號(hào)多普勒譜表現(xiàn)為幾組不同反射信號(hào)多普勒譜的疊加[2,3]。在實(shí)際工程中，由于電磁波傳播時(shí)受到非主選電離層(如F層)非線性擾動(dòng)的影響，經(jīng)其反射回來(lái)的多普勒譜被嚴(yán)重展寬的幾率很高，展寬的范圍也較大，甚至可覆蓋-40~40 Hz之間的多普勒區(qū)域[4]，將這種經(jīng)過(guò)非主選電離層傳播而被接收的重影回波稱(chēng)為多徑擴(kuò)展多普勒雜波(Spread Doppler Clutter, SDC)。如果穩(wěn)定電離層(一般為E層，主選電離層)回波與擾動(dòng)電離層(如F層)的SDC疊加在一起被OTHR陣列同時(shí)接收，則目標(biāo)將被SDC覆蓋。

本文主要研究由接收陣列旁瓣進(jìn)入的非主選電離層多徑SDC的抑制問(wèn)題。OTHR是大型陣列，不可避免的陣列幅相誤差將降低仰角DOA的估計(jì)精度和ADBF的性能；同時(shí)由于期望信號(hào)(經(jīng)主選層返回的海雜波)的功率大于SDC功率，嚴(yán)重影響協(xié)方差矩陣的性能，在進(jìn)行ADBF時(shí)將導(dǎo)致信號(hào)對(duì)消，嚴(yán)重降低信雜噪比[13]。本文首先提出了改進(jìn)的陣列幅相誤差自校正方法消除陣列誤差，然后利用正交投影權(quán)矢量進(jìn)行ADBF處理抑制多徑SDC，可以較好解決以上問(wèn)題。

2 問(wèn)題描述

2.1 多徑SDC產(chǎn)生機(jī)理分析

多徑SDC的產(chǎn)生原理可通過(guò)圖1來(lái)說(shuō)明。理想條件下，位于處的OTHR以穩(wěn)定的電離層E層為信道(主選信道)，經(jīng)由----探測(cè)位于處的艦船目標(biāo)和其上空的飛機(jī)目標(biāo)，記為E-E模式。不失一般性，以擾動(dòng)的F層為例，經(jīng)過(guò)F層傳播產(chǎn)生的多徑SDC有3種，一是發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)擾動(dòng)F層折射后產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展，在海面反射后經(jīng)過(guò)E層返回被接收，記為F-E模式，其傳輸路徑如圖1中----所示；二是發(fā)射信號(hào)經(jīng)E層折射到達(dá)海面，在海面反射后經(jīng)F層傳播產(chǎn)生多普勒擴(kuò)展后被接收，記為E-F模式，其傳輸路徑如圖1中----所示；三是發(fā)射和接收兩次都經(jīng)過(guò)F層傳播，經(jīng)過(guò)兩次展寬影響，記為F-F模式，其傳輸路徑如圖1中----所示。F-F模式的回波受擾動(dòng)影響大，但是強(qiáng)度較弱，而E-F和F-E模式的回波較強(qiáng)，對(duì)E-E模式穩(wěn)定的回波影響較大。

圖1 多徑SDC的產(chǎn)生機(jī)理示意圖

由于主選和非主選電離層的高度差異使得不同多徑信號(hào)的DOD或者DOA差異明顯。具體來(lái)講，E-E與E-F發(fā)射路徑經(jīng)過(guò)相同的電離層(E層)，對(duì)應(yīng)的仰角DOD近乎相同；接收路徑經(jīng)過(guò)不同電離層，對(duì)應(yīng)的仰角DOA差異較大。E-E與F-E發(fā)射路徑經(jīng)過(guò)不同電離層，對(duì)應(yīng)的仰角DOD差異較大；接收路徑經(jīng)過(guò)相同電離層，對(duì)應(yīng)的仰角DOA幾乎相同。F-F模式與E-E模式的DOD和DOA都有明顯差異。DOD差異明顯的SDC可采用發(fā)射自適應(yīng)空域處理進(jìn)行抑制；DOA差異明顯的SDC可采用接收自適應(yīng)空域處理進(jìn)行抑制。本文研究的由接收陣列旁瓣進(jìn)入的非主選層多徑SDC屬于DOA差異明顯的SDC抑制問(wèn)題，即抑制E-F傳播模式下的SDC。

2.2 陣列模型

2.3 存在陣列幅相誤差時(shí)的多徑SDC抑制問(wèn)題

若陣列不存在幅相誤差且快拍數(shù)據(jù)只含SDC和噪聲時(shí)，采用常規(guī)ADBF方法即可抑制SDC，例如最小方差無(wú)失真響應(yīng)(MVDR)自適應(yīng)波束形成法[15]。但是，當(dāng)陣列存在幅相誤差且快拍數(shù)據(jù)中還含有期望信號(hào)時(shí)，SDC對(duì)目標(biāo)遮蓋明顯，而且期望信號(hào)(主瓣海雜波)的功率一般大于SDC(旁瓣雜波)的功率，直接使用含有期望信號(hào)的數(shù)據(jù)構(gòu)造的協(xié)方差矩陣會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相消。另外，陣列幅相誤差不僅會(huì)影響DOA估計(jì)精度，還會(huì)導(dǎo)致ADBF性能下降。下面對(duì)此進(jìn)行說(shuō)明。

當(dāng)陣列存在幅相誤差時(shí)，式(1)可寫(xiě)為

3 多徑SDC抑制方法

從第2節(jié)的分析可見(jiàn)，OTHR陣列幅相誤差以及期望信號(hào)功率較大的現(xiàn)實(shí)情況均會(huì)造成SDC抑制效果嚴(yán)重降低，本節(jié)在消除陣列幅相誤差的基礎(chǔ)上，采用基于到達(dá)仰角DOA估計(jì)的正交權(quán)矢量ADBF算法，能夠較徹底地抑制SDC，且不會(huì)導(dǎo)致期望信號(hào)對(duì)消。

3.1 OTHR陣列幅相誤差自校正

陣列幅相誤差校正常用的方法主要有有源校正法和自校正法。有源校正法通過(guò)在空間設(shè)置方位精確已知的輔助源對(duì)陣列誤差進(jìn)行離線估計(jì)，而自校正方法通常根據(jù)優(yōu)化函數(shù)對(duì)陣列誤差進(jìn)行在線估計(jì)。有源校正法需要輔助信源的方位精確已知，如果輔助源的方位信息出現(xiàn)偏差，會(huì)降低陣列校正效果，對(duì)于天波雷達(dá)還必須部署相應(yīng)的專(zhuān)用有源校正目標(biāo)，因此成本較高且難以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)校正[16]；而自校正方法不需要輔助源，最經(jīng)典的屬文獻(xiàn)[17]提出的噪聲子空間擬合(Noise Subspace Fitting, NSF)自校正法，但該方法對(duì)誤差矩陣迭代初值的選取有較高要求，若選擇的迭代初值與實(shí)際陣列幅相誤差差異較大，NSF法將失效。針對(duì)NSF自校正法的實(shí)際問(wèn)題，本節(jié)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到穩(wěn)健校正OTHR陣列幅相誤差的目的。

(4)進(jìn)行MUSIC空間譜估計(jì)

3.2 基于正交投影權(quán)矢量的自適應(yīng)波束形成方法

綜上所述，本文提出的抑制由OTHR接收旁瓣進(jìn)入的多徑SDC的方法流程為：

(2)采用改進(jìn)NSF自校正方法消除陣列幅相誤差，并得到期望信號(hào)和SDC的DOA估計(jì)值；

(3)采用式(17)的正交投影權(quán)矢量進(jìn)行自適應(yīng)波束形成抑制SDC。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真分析

對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行脈沖壓縮和常規(guī)DBF后得到的距離-多普勒譜如圖2所示，圖3是2250 km處的多普勒頻譜圖。從圖2和圖3可以看出位于2235~2265 km處的SDC能量較強(qiáng)，完全遮蓋了位于2250 km處的多普勒頻率為0.8 Hz的艦船目標(biāo)，另外，由于陣列幅相誤差和期望信號(hào)的影響，噪聲基底抬高明顯，期望信號(hào)中的海雜波被削弱，這驗(yàn)證了2.3節(jié)的分析結(jié)論。

圖2 常規(guī)處理后的距離-多普勒譜

圖4是分別采用NSF法與改進(jìn)NSF法對(duì)陣列幅相誤差進(jìn)行校正的結(jié)果圖，圖4(a)是采用常規(guī)MUSIC法和經(jīng)過(guò)Toeplitz預(yù)處理得到新的協(xié)方差矩陣后再進(jìn)行MUSIC估計(jì)得到的DOA初值估計(jì)。由圖4(a)可見(jiàn)，陣列幅相誤差導(dǎo)致MUSIC譜分辨率嚴(yán)重下降且出現(xiàn)多個(gè)偽峰，使得估計(jì)的DOA初值與真實(shí)值差異較大，而且估計(jì)出的DOA個(gè)數(shù)多于真實(shí)DOA個(gè)數(shù)；采用Toeplitz預(yù)處理后的協(xié)方差矩陣估計(jì)的MUSIC譜性能得到很大提升，沒(méi)有出現(xiàn)偽峰，DOA初值估計(jì)也比較準(zhǔn)確，分別為31.6°和44.0°。圖4(b)是分別采用NSF法與改進(jìn)NSF法消除幅相誤差后估計(jì)的期望信號(hào)與SDC的DOA值，可以看出NSF法校正失效，采用改進(jìn)NSF法能夠比較準(zhǔn)確地估計(jì)出DOA值(經(jīng)過(guò)4次迭代后停止)，分別為29.7°和44.8°。

圖3 2250 km處的多普勒譜

圖4 NSF法與改進(jìn)NSF法的校正結(jié)果比較

圖5 ADBF后的距離-多普勒譜()

圖6 ADBF后的距離-多普勒譜()

圖7 ADBF后的距離-多普勒譜()

圖8 ,和對(duì)應(yīng)的方向圖

表1不同仰角估計(jì)誤差時(shí)的信雜噪比改善量(dB)

仰角仰角估計(jì)誤差(°) 0.20.40.60.81.01.21.41.61.8 目標(biāo)到達(dá)仰角18.017.617.216.916.616.416.116.015.8 SDC到達(dá)仰角17.616.415.514.813.912.912.111.811.6 目標(biāo)、SDC到達(dá)仰角17.116.014.714.113.312.311.210.610.2

5 結(jié)論

電離層是OTHR進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)時(shí)必須依靠的媒質(zhì)，電離層多層結(jié)構(gòu)和時(shí)變特性會(huì)產(chǎn)生多徑SDC，影響OTHR對(duì)慢速目標(biāo)的檢測(cè)，如何有效抑制多徑SDC是OTHR面臨的難題之一。本文綜合考慮陣列存在幅相誤差和回波數(shù)據(jù)中含有強(qiáng)期望信號(hào)的實(shí)際情況，提出了一種抑制從接收陣列旁瓣進(jìn)入的多徑SDC的方法。該方法采用改進(jìn)NSF自校正法消除陣列幅相誤差，然后采用正交投影ADBF方法能夠在完整保留期望信號(hào)的同時(shí)較好地抑制多徑SDC，易于工程實(shí)現(xiàn)。理論分析和實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明本文方法可有效抑制多徑SDC，改善慢速艦船目標(biāo)檢測(cè)性能。

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羅 歡： 男，1986年生，博士生，研究方向?yàn)樘觳ǔ暰嗬走_(dá)信號(hào)處理.

陳建文： 男，1964年生，教授，博士生導(dǎo)師，從事天波超視距雷達(dá)信號(hào)處理、陣列信號(hào)處理等的研究.

鮑 拯： 男，1977年生，博士，講師，從事天波超視距雷達(dá)信號(hào)處理、陣列信號(hào)處理等的研究.

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

羅歡 luohuan5566@sina.com

2013-12-06收到，2014-03-31改回

國(guó)家自然科學(xué)基金(61072132)資助課題