天波超視距雷達(dá)多模傳播抑制研究

李 雪 李吉寧 馮 靜 蔚 娜 郭文玲

（中國電波傳播研究所，山東青島266107）

天波超視距雷達(dá)多模傳播抑制研究

李 雪 李吉寧 馮 靜 蔚 娜 郭文玲

（中國電波傳播研究所，山東青島266107）

電離層多模傳播引起天波超視距雷達(dá)雜波頻譜大幅展寬，嚴(yán)重制約海面慢速目標(biāo)檢測.給出了基于工作頻率選擇的多模傳播抑制方法，指出該方法的核心問題是全頻段電離層傳播模式信息獲取，可通過電離層返回散射探測傳播模式區(qū)提取解決.結(jié)合電離層電波傳播理論、信號處理、圖像處理、統(tǒng)計分析、射線追蹤等多類方法，以準(zhǔn)拋物模型為基礎(chǔ)，提出了一種多模傳播下傳播模式區(qū)域智能提取算法，實現(xiàn)針對某一指定探測區(qū)域的單模式工作頻率選擇，從而有效抑制多模傳播.

適應(yīng)頻率選擇；返回散射探測；多模傳播；傳播模式區(qū)

引 言

天波超視距雷達(dá)（Over-The-Horizon Radar，OTHR）利用電離層作為傳輸介質(zhì)，可實現(xiàn)幾千千米外的超視距目標(biāo)探測.電離層是時變、隨機(jī)、色散和各向異性的介質(zhì)，影響雷達(dá)信號傳播，特別是電離層的分層特性，使得不同地面距離地、海雜波回波落入同一距離單元（如圖1所示），引起OTHR雜波頻譜展寬，嚴(yán)重制約低速目標(biāo)檢測［1－3］.

針對以上問題，主要采用以下三類方法解決：1）基于二維天線陣列

OTHR采用二維天線陣列［4］，利用俯仰方向上的波束形成使雷達(dá)工作于單一傳播模式，但為了滿足一定的俯仰、方位分辨率，造價極高.

2）基于工作頻率選擇

OTHR電離層自適應(yīng)診斷管理系統(tǒng)實時選擇合適的工作頻率，可以最大可能地避免多模式傳播效應(yīng)［5］.

3）基于信號處理技術(shù)

目前提出的算法主要有兩種：一是基于多模-單模轉(zhuǎn)換的方法.該方法受傳播模式數(shù)目、各模式信號幅度、多普勒頻移等估計誤差影響較大［6］；二是海雜波循環(huán)對消法.該方法不將多模轉(zhuǎn)化為單模，而是直接在多模條件下利用海雜波循環(huán)對消去除多個Bragg峰，從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo).但該方法受各模式信號幅度、多普勒頻率、初相等估計精度影響，通常需要多次對消以應(yīng)對雜波剩余［7］.

當(dāng)目標(biāo)落在一階雜波頻譜內(nèi)時，基于信號處理技術(shù)很難實現(xiàn)目標(biāo)檢測.然而，隨著傳播模式數(shù)目增加，增加了目標(biāo)落在一階雜波頻譜內(nèi)的機(jī)率，也增加了各傳播模式雜波頻譜參數(shù)估計難度，降低了估計精度，因此，應(yīng)用基于信號處理技術(shù)進(jìn)行多模抑制時也希望面對的傳播模式盡可能地少.

上述三類方法中以基于頻率選擇的方法抑制多模式傳播最為實際、有效，即使有時由于對探測目標(biāo)覆蓋及環(huán)境干擾等原因不存在單模工作頻率，但若能選擇傳播模式較少的工作頻率，也將降低后續(xù)采用基于信號處理技術(shù)的多模抑制難度.

本文給出了基于工作頻率選擇的多模傳播抑制方法，指出該方法的核心問題是全頻段電離層傳播模式信息獲取，可通過返回散射探測傳播模式區(qū)提取解決.

結(jié)合電離層電波傳播理論，信號處理、圖像處理、統(tǒng)計分析等多類方法，以準(zhǔn)拋物模型為基礎(chǔ)，利用射線追蹤技術(shù)，提出了一種基于電離層電子濃度反演的傳播模式區(qū)提取算法，實現(xiàn)針對某一指定探測區(qū)域的單模式工作頻率選擇，從而有效抑制多模傳播.

1 基于頻率選擇的多模傳播抑制

1.1 電離層返回散射探測

OTHR通常采用電離層返回散射探測設(shè)備進(jìn)行電波環(huán)境監(jiān)測，用于提供雷達(dá)工作頻段內(nèi)的回波能量、傳播模式、相位污染度等信息，為雷達(dá)工作頻率選擇提供支撐.返回散射探測包括定頻探測和掃頻探測兩種.

返回散射定頻探測與雷達(dá)探測方式相同，即在某一頻點(diǎn)上駐留多個探測脈沖，利用相干積累技術(shù)獲得多普勒頻譜，從而分析電離層的頻譜特性，獲得電離層相位污染程度的評價.

返回散射掃頻探測是指探測設(shè)備在較短時間內(nèi)按照一定頻率列表迅速完成整個頻段的掃描，得到返回散射掃頻電離圖，其中包含了掃描頻段內(nèi)的傳播模式、能量信息.而掃描頻段內(nèi)的傳播模式信息通過各傳播模式區(qū)域提取實現(xiàn).

因此，若能實現(xiàn)返回散射傳播模式區(qū)域提取，即可獲得雷達(dá)全頻段內(nèi)的傳播模式信息，從而實現(xiàn)基于頻率選擇的多模傳播抑制.某一傳播模式區(qū)域由前沿、后沿、尾沿組成，如圖2所示.

1.2 OTHR單模工作頻率選擇流程

OTHR單模工作頻率選擇流程如下（如圖3）：1）利用電離層返回散射掃頻探測獲得雷達(dá)覆蓋區(qū)域返回散射電離圖.

2）進(jìn)行返回散射圖形預(yù)處理，提取返回散射前沿、后沿、尾沿，實現(xiàn)返回散射傳播模式區(qū)提取.

3）根據(jù)指定的探測區(qū)域確定單模式工作頻段.

1.3 返回散射傳播模式區(qū)提取

圖4為2010年3月30日某電離層返回散射探測站測得的返回散射電離圖.該返回散射探測儀收發(fā)分置，相距約100km.采用線性調(diào)頻脈沖工作方式，脈沖寬度6ms，調(diào)頻帶寬10kHz，脈沖重復(fù)周期50ms，換頻周期250ms，采樣率80kHz，頻率掃描范圍5～28MHz.由于硬件設(shè)備實現(xiàn)頻率切換時需要一定穩(wěn)定時間，通常換頻后第1個脈沖回波數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，因此采用后4個脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行相干積累得到雜波能量隨距離的變化.

1.3.1 返回散射探測圖形預(yù)處理

1）閾值法噪聲抑制

電離層垂直探測電離圖智能判讀過程中，通常認(rèn)為：電離圖中信號的能量值遠(yuǎn)大于整幅圖（含信號和噪聲）各個采樣點(diǎn)能量平均值.故可將整幅圖的能量平均值作為噪聲門限值依據(jù)，回波能量大于門限的判定為信號，否則，判定為噪聲.然而，與垂直探測圖形不同，返回散射圖形同一頻點(diǎn)有多個距離門回波，且不同距離回波能量不同；同時，返回散射圖形不同頻點(diǎn)電離層吸收不同，發(fā)射天線、接收天線、發(fā)射機(jī)等硬件設(shè)備帶來的影響不同，噪聲功率不同.因此，利用整幅圖的幅度均值作為噪聲門限依據(jù)效果不佳.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過大量統(tǒng)計分析，本文提出針對不同頻率點(diǎn)采用不同的噪聲閾值，某一頻點(diǎn)噪聲門限值采用該頻點(diǎn)所有距離門幅度平均值的修正值作為閾值進(jìn)行噪聲抑制，其值表示為

式中：H表示噪聲抑制閾值；A表示相應(yīng)頻點(diǎn)所有距離門幅度均值；C表示修正值.

修正值C需通過對大量探測數(shù)據(jù)長期統(tǒng)計確定，本文取為10dB.同時，為了更好地抑制噪聲，本文采用能量對比拉伸算法，提高信號和噪聲之間的能量差異為

式中：r為輸入回波能量；T（r）為輸出回波能量；E為統(tǒng)計經(jīng)驗因子，控制該函數(shù)的斜率，這里取為20；m為噪聲和雜波的能量分界線.

2）射頻干擾抑制

天波返回散射探測所處的高頻段電磁環(huán)境非常惡劣，密集的短波通信電臺、廣播和其他同頻噪聲形成強(qiáng)射頻干擾，它們在返回散射探測回波圖形（頻率-距離）上沿距離軸呈條帶狀分布，這些干擾嚴(yán)重影響了返回散射探測圖形質(zhì)量，圖4中貫穿所有距離門的豎線為同頻干擾.

關(guān)于同頻干擾的抑制目前比較常用的算法是從干擾的特性進(jìn)行考慮，采用時域、空域、頻域或多域聯(lián)合的復(fù)雜信號處理手段進(jìn)行抑制［8－9］.返回散射探測系統(tǒng)接收天線多為單副天線或較小陣面的陣列天線.由于接收天線形式簡單，從而無法使用大口徑陣列雷達(dá)中常用的自適應(yīng)波束形成方法進(jìn)行干擾抑制，因此須著重研究干擾的時頻域特征，發(fā)展基于陣元的干擾檢測、抑制方法.

●干擾檢測

經(jīng)過大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，射頻干擾和有用回波信號在返回散射電離圖中有如下差別：

a）在脈沖重復(fù)周期（50ms）內(nèi)，射頻干擾滿足一定平穩(wěn)性，反映在返回散射電離圖中干擾隨距離門的能量變化較小，而信號由于電離層吸收和自由空間擴(kuò)散損耗原因，能量隨距離門變化較大.

b）由于干擾與發(fā)射信號不相關(guān)，經(jīng)過接收端匹配濾波器后干擾信號占滿所有距離門，而回波信號由于電離層折射覆蓋存在盲區(qū)不能占滿整個信道，且遠(yuǎn)區(qū)回波能量較弱.

依據(jù)上述統(tǒng)計特征，給出同頻干擾識別準(zhǔn)則：a）某信道所有距離門能量方差小于預(yù)定門限值M1；b）某信道能量大于預(yù)定門限值M2的測量點(diǎn)數(shù)占該信道整個有效采樣點(diǎn)數(shù)的百分比大于等于N%；c）某信道所有距離門能量均值低于預(yù)定門限值M3.

門限值M1、M2、M3及N%需通過大量試驗數(shù)據(jù)長期統(tǒng)計確定.利用上述準(zhǔn)則可準(zhǔn)確、有效、快速識別射頻干擾.

●干擾抑制

根據(jù)電離層傳播特性，每一探測頻點(diǎn)具有一定的探測距離盲區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)不存在有用的回波信號.因此，可通過選取探測盲區(qū)內(nèi)信號作為參考信號，由參考距離段信號構(gòu)造干擾信號子空間對各距離元信號進(jìn)行正交投影濾波去除干擾［10］.實際應(yīng)用中通常選取0～50km范圍內(nèi)信號作為參考信號，具體的距離單元個數(shù)根據(jù)不同的采用率而不同.

根據(jù)探測盲區(qū)內(nèi)的干擾信號Sr（n）（距離門序號r＝1，…，L；n＝1，…，N，N為掃頻周期數(shù)）構(gòu)造干擾向量：

則干擾矩陣為

干擾信號的距離域相關(guān)矩陣為

對干擾相關(guān)矩陣R進(jìn)行特征分解，取前K個主特征值λi（i＝1，…，K）相應(yīng)的特征向量矩陣V＝［V1，…，VK］構(gòu)成干擾子空間，對有效距離元上的信號Si（1≤i≤K）進(jìn)行正交投影濾波實現(xiàn)射頻干擾抑制，干擾抑制后的信號為

閾值法去噪、干擾抑制后結(jié)果如圖5所示.

3）離散噪聲抑制

經(jīng)過上述處理后，電離圖上還存在一些離散噪聲，本文采用矩陣塊去噪、連通域去噪和中值濾波算法級聯(lián)應(yīng)用實現(xiàn)離散噪聲抑制.

4）準(zhǔn)垂測信號剔除

圖5中300km左右出現(xiàn)的信號為準(zhǔn)垂測信號.理論而言，返回散射掃頻探測電離圖前沿線與垂測信號的二跳回波描跡相切，并交于距離-頻率平面的“零點(diǎn)”.但OTHR通常關(guān)注的距離區(qū)域都在700 km以上，故根據(jù)距離特性，將準(zhǔn)垂測信號濾除.經(jīng)過離散噪聲抑制和準(zhǔn)垂測信號抑制后，處理結(jié)果如圖6所示.

1.3.2 返回散射電離圖前沿、后沿、尾沿提取

返回散射傳播模式區(qū)提取分前沿提取和后沿提取.

1）返回散射前沿提取

文獻(xiàn)［11］給出了一種有效的且工程適用的多模式前沿提取算法，本文采用這一算法對圖6中的前沿進(jìn)行提取，結(jié)果如圖7中紅色線條所示.

2）返回散射后沿提取

本文首次提出綜合應(yīng)用返回散射反演、數(shù)字射線追蹤技術(shù)，并結(jié)合實測圖形實現(xiàn)返回散射電離圖后沿、尾沿提取.其具體實現(xiàn)步驟為

1）利用獲得的返回散射前沿數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層電子濃度反演，獲得電離層電子濃度剖面；

2）根據(jù)獲得的電離層電子濃度剖面，利用數(shù)字射線追蹤技術(shù)，結(jié)合實測圖形獲得返回散射后沿、尾沿.

本文采用R.J.Norman提出的反演方法實現(xiàn)返回散射電離圖反演［12］.該方法假設(shè)電離層電子濃度符合準(zhǔn)拋物模型，其表達(dá)式為

式中：fc為臨界頻率；rm為最大電子濃度高度；ym為層的半厚度；rb為電離層底高（相對于地心）；r為電離層中某一點(diǎn)的高度.

假設(shè)一組電離層特性參數(shù)初值fc、rb、rm，將該初值代入準(zhǔn)拋物模型中計算最小群路徑P′1，P′2，…，Pn′，令ΔPn′，ΔPn′，…，ΔPn′表示計算值與真實值之間的差別，Δfc、Δrb、Δrm為電離層特性參數(shù)fc、rb、rm的調(diào)整量，則ΔP′1，ΔP′2，…，ΔP′n應(yīng)為由下式給出的最小值：

用矩陣形式重寫為

或

令

式（10）可化簡為

則

式（14）右側(cè)乘［ST］－1ST得

式中：ST是矩陣S的轉(zhuǎn)置；STS是可逆方陣.

假設(shè)的電離層特性參數(shù)fc、rb、rm增加了Δfc、Δrb、Δrm后，整個過程又開始于新的假設(shè)值，當(dāng)群路徑的差值ΔP′1，ΔP′2，…，ΔP′n收斂于某一指定的最小值范圍內(nèi)時運(yùn)算停止，并從而得到了電離層參數(shù)fc、rb、rm的最后解.

將上述參數(shù)代入準(zhǔn)拋物模型即獲得了電離層電子濃度剖面，利用數(shù)字射線追蹤技術(shù)結(jié)合實測圖形即可獲得返回散射電離圖后沿和尾沿信息，如圖7中綠色線條所示.

1.4 單模傳播頻段確定

顯然，獲得傳播模式區(qū)域后，根據(jù)指定探測距離，即可從返回散射電離圖中直接確定單模工作頻段.

2 結(jié) 論

基于工作頻率選擇的多模傳播抑制算法是解決OTHR電離層多模傳播引起地海雜波頻譜展寬的最有效方法，該方法通過引入電離層返回散射探測手段，通過各傳播模式區(qū)域提取，獲得全頻段傳播模式信息，實現(xiàn)指定區(qū)域的單模工作頻率選擇，從而實現(xiàn)多模傳播有效抑制.該問題的成功解決，將大幅提升OTHR對海面艦船目標(biāo)檢測能力.

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OTHR multi-mode propagation suppression

LI Xue LI Jining FENG Jing WEI Na GUO Wenling
（China Research Institute of Radio Wave Propagation，Qingdao Shandong266107，China）

Over-the-horizon radar（OTHR）clutter spectrum broadening caused by ionospheric multi-mode propagation considerably restricts the detection of low-speed target on sea surface.A multi-mode propagation suppression method based on working frequency selection is presented，the key point of which is to acquire the ionospheric propagation mode information of full frequency range that can be solved by backscattering detection propagation mode extracting.Combined with methods of ionospheric radio propagation theory，signal processing，image processing，statistical analysis and ray tracing，a novel algorithm to extract backscattering ionogram frontier，retral and caudal based on the quasi parabolic model is proposed，using which the regional propagation mode intelligent extraction under the multi-mode propagation is implemented and thereby the single-mode working frequency selection aiming at the specified region is finally actualized.

adaptive frequency selection；backscattering detection；multi-mode propagation；propagation mode zone

TN011＋.2

A

1005-0388（2015）01-0057-06

李 雪 （1981－），男，黑龍江人，博士，目前主要研究方向為天波返回散射電離圖模擬和判讀以及電離層回波信號處理、雷達(dá)信號處理等.

李吉寧 （1982－），男，山東人，中國電波傳播研究所工程師，主要研究方向為電離層電波傳播、高頻雷達(dá)海態(tài)反演、雷達(dá)信號處理.

馮 靜 （1981－），女，山東人，碩士，目前主要研究方向為返回散射電離圖智能判讀、電波環(huán)境參數(shù)預(yù)測.

蔚 娜 （1981－），女，山東人，高級工程師，博士，目前主要從事雷達(dá)信號處理和電波傳播研究工作.

郭文玲 （1986－），女，山東人，工程師，目前主要研究方向為電離層電波傳播、雷達(dá)信號處理.

李 雪，李吉寧，馮 靜，等.天波超視距雷達(dá)多模傳播抑制研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2015，30（1）：57-62.

10.13443／j.cjors.2014010601

LI Xue，LI Jining，F(xiàn)ENG Jing，et al.OTHR multi-mode propagation suppression［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：57-62.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014010601

2014-01-06

國家自然科學(xué)基金青年基金（No.61302006）；中國電科技術(shù)創(chuàng)新基金（No.JJ-QN-2013-28）聯(lián)系人：李雪E-mail：lixue1201＠126.com