行波擾動對天波雷達(dá)慢速目標(biāo)檢測影響研究

李 雪 李吉寧 婁 鵬 馮 靜

行波擾動對天波雷達(dá)慢速目標(biāo)檢測影響研究

李 雪 李吉寧 婁 鵬 馮 靜

（中國電波傳播研究所，山東青島266107）

利用電離層行波擾動（Traveling Ionospheric Disturbances，TIDs）模型，仿真分析了不同尺度TIDs引起的超視距雷達(dá)（Over the Horizon Radar，OTHR）地海雜波頻譜頻移、展寬以及對艦船目標(biāo)檢測的影響.結(jié)果表明：小尺度TIDs引起的附加多普勒頻移幅度較小，但隨時間變化較快，S形曲線扭曲較為嚴(yán)重，對OTHR影響主要表現(xiàn)為多普勒頻移；中尺度和大尺度TIDs引起的附加多普勒頻移相對于小尺度TIDs的有所增加，但隨時間變化減緩，S形曲線扭曲程度減小，除引起地海雜波多普勒頻移外，同時引起雜波頻譜展寬，影響艦船目標(biāo)檢測.同時，還給出了不同尺度TIDs引起的海雜波頻移、展寬抑制方法，經(jīng)仿真驗證，上述算法有效.

電離層行波擾動；天波超視距雷達(dá)；慢速目標(biāo)檢測

引 言

天波超視距雷達(dá)（Over－the－Horizon Radar，OTHR）利用電離層折射、返回散射傳播機(jī)理來實現(xiàn)超視距覆蓋，克服了地球曲率限制，作用距離達(dá)1000～4000km，覆蓋范圍幾百萬平方千米［1－2］，對敵方飛機(jī)、艦船和導(dǎo)彈目標(biāo)等具有早期預(yù)警的突出優(yōu)點［3－4］.電離層是隨機(jī)時變、色散、各向異性介質(zhì)，影響雷達(dá)信號傳播，特別是電離層不均勻結(jié)構(gòu)，將嚴(yán)重影響雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)檢測和坐標(biāo)配準(zhǔn).

電離層行波擾動（Traveling Ionospheric Disturbances，TIDs）是電離層F區(qū)一種類似波浪運動的大尺度不均勻結(jié)構(gòu)，通常由上層大氣的聲重力波激發(fā)［5］.按照擾動的幅度和尺度等參數(shù)，TIDs可分為大尺度、中尺度和小尺度3類［6］，如表1所示.

表1 TIDs分類

目前關(guān)于TIDs對OTHR的影響研究主要集中于坐標(biāo)配準(zhǔn)問題.文獻(xiàn)［7］考慮工程可行性，將TIDs做為電離層傾斜的一種來處理，分析了TIDs對OTHR坐標(biāo)配準(zhǔn)影響，但分析結(jié)果與真實情況偏差較大.文獻(xiàn)［6］建立了電離層TIDs電子濃度的物理模型，并通過三維數(shù)值型射線追蹤技術(shù)，研究了TIDs對OTHR坐標(biāo)配準(zhǔn)的影響，同時指出：小尺度TIDs對OTHR坐標(biāo)配準(zhǔn)影響較小；中尺度TIDs對電波高角射線影響較大；大尺度TIDs會改變原有的坐標(biāo)配準(zhǔn)關(guān)系，嚴(yán)重影響坐標(biāo)配準(zhǔn)精度.但文中未分析TIDs對OTHR信號處理、目標(biāo)檢測的影響.

經(jīng)電離層傳播的OTHR信號相位路徑P由式（1）給出

式中：μ為相折射指數(shù)；s為信號傳播路徑.電離層行波擾動可引起相折射指數(shù)和信號傳播路徑發(fā)生變化，從而引起一個相干積累時間（Coherent Integration Time，CIT）內(nèi)不同脈沖重復(fù)周期OTHR回波信號相位路徑發(fā)生變化，導(dǎo)致OTHR地、海雜波頻譜展寬，嚴(yán)重制約艦船等海面慢速目標(biāo)檢測.目前關(guān)于電離層TIDs對OTHR信號處理和目標(biāo)檢測影響研究尚未見相關(guān)報道，本文針對這一問題，對不同尺度TIDs引起的OTHR地、海雜波頻譜頻移和展寬進(jìn)行了仿真研究，給出了不同尺度TIDs對艦船目標(biāo)檢測的影響分析，并提出了相應(yīng)的抑制算法.

1 電離層行波擾動模型

文獻(xiàn)［8］給出了包含TIDs的電離層電子濃度模型表達(dá)式為

式中：N0是電離層電子濃度背景模型；r是距地心的距離；η是極角（η＝π／2－θ）；r0是地球半徑；Z0是最大波幅度對應(yīng)高度；H′是波幅度標(biāo)高；A是波擾動幅度；λx和λz是水平和垂直方向的波長；t′是波動周期.

本文中，背景電離層模型采用水平均勻分層的準(zhǔn)拋物電離層電子濃度背景模型，即

式中：fc為臨界頻率；ym為層的半厚度；rm為最大電子濃度高度；rb為電離層底高（相對于地心），rb和r相差不大，因此（rb／r）2≈1.

2 TIDs對OTHR回波信號相干積累影響分析

基于式（2）所示的TIDs電子濃度模型，選取了不同尺度TIDs典型參數(shù)值（如表2所示），獲得電子濃度分布剖面.在此基礎(chǔ)上，利用三維射線追蹤技術(shù)，分析了不同尺度TIDs對天波超視距雷達(dá)慢速目標(biāo)檢測的影響.

圖1為采用表2中典型TIDs參數(shù)獲得的電離層附加多普勒頻移隨時間變化曲線，曲線呈現(xiàn)S形狀，且不同尺度TIDs下S形曲線扭曲程度不同.小尺度TIDs引起的附加多普勒頻移幅度較小，但隨時間變化較快，S形扭曲較為嚴(yán)重，出現(xiàn)同一時刻附加多普勒頻移多值現(xiàn)象.中尺度TIDs引起的附加多普勒頻移相對于小尺度TIDs有所增加，但隨時間變化變緩，S形曲線扭曲程度減小.大尺度TIDs引起的附加多普勒頻移幅度最大，但隨時間變化也最為緩慢.

表2 不同尺度TIDs典型參數(shù)

為進(jìn)一步分析TIDs對OTHR艦船目標(biāo)檢測影響，將TIDs引起的附加多普勒頻移添加到OTHR海面回波中進(jìn)行分析.

圖1 不同尺度TIDs引起的多普勒頻移

圖2 給出了仿真的OTHR海面回波，包括一階海雜波、目標(biāo)信號和噪聲.仿真參數(shù)如下：雷達(dá)工作頻率為15MHz，脈沖重復(fù)周期為50ms，積累次數(shù)1 024，積累時間為51.2s，一階海雜波利用正弦信號模擬，多普勒頻率為±0.39Hz，高階雜波利用高斯噪聲模擬.艦船目標(biāo)信號位于0.52Hz處，同樣采用正弦信號模擬.

從圖1可看出，相同尺度TIDs在不同時刻引起的附加多普勒頻移不同，因此仿真過程中分別按照不同尺度、不同時間位置添加TIDs引起的附加多普勒頻移.為方便起見，將典型多普勒頻移數(shù)據(jù)定義為I類型頻移、II類型頻移和III類型頻移，分別對應(yīng)圖1中0Hz附近數(shù)據(jù)、中等頻移附近數(shù)據(jù)和最大頻移附近數(shù)據(jù).以大尺度TIDs為例，圖3給出了仿真過程中選取的多普勒頻移數(shù)據(jù).

將不同尺度TIDs下不同類型多普勒頻移數(shù)據(jù)添加到OTHR回波數(shù)據(jù)中，其頻譜圖如圖4所示.從圖4可以看出，TIDs對雷達(dá)回波頻譜造成的主要影響包括頻移和展寬，其中：

1）針對小尺度TIDs，添加I、II、III類型頻移數(shù)據(jù)對回波頻譜展寬均影響不大，但會引起回波Bragg頻率和目標(biāo)信號產(chǎn)生一定頻偏.

圖2 仿真的OTHR回波頻譜

圖3 大尺度典型時間位置多普勒頻移

圖4 添加不同尺度TIDs的海雜波頻譜

2）針對中尺度TIDs，添加I類型頻移數(shù)據(jù)，引起回波頻譜頻移較小，但會使海雜波頻譜產(chǎn)生較大的多普勒展寬，遮蔽臨近的艦船信號，造成信雜比降低，影響檢測性能；添加II類型頻移數(shù)據(jù)，將同時引起回波頻譜展寬和頻移，嚴(yán)重影響艦船目標(biāo)檢測和關(guān)聯(lián)跟蹤；添加III類型頻移數(shù)據(jù)，會引起回波頻譜產(chǎn)生較大的頻移，但展寬較小，對目標(biāo)檢測影響不大.

3）針對大尺度TIDs，添加I、II、III類型頻移數(shù)據(jù)對回波頻譜影響情況與中尺度TIDs基本一致，頻移和展寬較中尺TIDs度更大一些，對目標(biāo)檢測影響更嚴(yán)重.

3 不同類型TIDs影響抑制研究

3.1多普勒頻移校正

由前面的分析看出，不同尺度TIDs均會引起回波頻譜頻移，雖對目標(biāo)檢測影響較小，但對目標(biāo)速度參數(shù)估計影響較大.比較簡單的方法是根據(jù)載波頻率估算正負(fù)Bragg峰偏移零點的位置，直接將其中心移至零點.但當(dāng)Bragg峰譜發(fā)生展寬時，由于無法精確地確定譜峰的位置，該方法無法實現(xiàn)頻移校正.

本文采用文獻(xiàn)［9］中提出的雙濾波器平滑方法來估計Bragg峰的漂移量，其實現(xiàn)步驟如下：

1）根據(jù)工作頻率計算海雜波的兩個Bragg峰之間的頻率間距2fb；

2）設(shè)計兩個載波相互關(guān)聯(lián)的濾波器，濾波器的帶寬等于Bragg峰的3dB寬度，其中心頻率相隔2fb；

3）從低到高遍歷雙濾波器中心載頻，計算海雜波數(shù)據(jù)通過兩個濾波器的輸出功率之和，當(dāng)濾波器輸出的功率最大時，中心載頻即為Bragg峰漂移量.

圖5給出了小尺度TIDs、III類型頻移，中尺度TIDs、II類型頻移，大尺度TIDs、II類型頻移下多普勒頻移校正結(jié)果.

圖5 不同尺度TIDs多普勒頻移校正結(jié)果

3.2頻譜展寬抑制

從圖4的仿真結(jié)果可以看出，中尺度TIDs和大尺度TIDs還引起了海雜波頻譜展寬，影響了艦船目標(biāo)檢測.本文采用相位梯度法［10］針對上述頻譜展寬進(jìn)行了抑制，圖6給出了添加大尺度TIDs、II類型頻移的海雜波頻譜展寬校正結(jié)果，顯然雜波頻譜明顯銳化，艦船目標(biāo)清晰可見.

圖6 大尺度TIDs多普勒譜展寬校正結(jié)果

4 結(jié) 論

不同尺度TIDs引起的OTHR地海雜波頻譜頻移、展寬不同.小尺度TIDs引起OTHR回波頻譜產(chǎn)生頻移，提出采用雙濾波器平滑算法進(jìn)行解決.中尺度和大尺度TIDs除引起地海雜波多普勒頻移外，同時引起雜波頻譜展寬，影響艦船目標(biāo)檢測，提出采用相位梯度法進(jìn)行抑制.該問題的成功解決，將大幅提升電離層發(fā)生行波擾動情況下OTHR對海面艦船目標(biāo)檢測能力.

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TIDs effect on low speed target detection of OTHR

LI Xue LI Jining LOU Peng FENG Jjing
（China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao Shandong266107，China）

Using the model of travelling ionospheric disturbances（TIDs），the Doppler shift causing by different scales TIDs is simulated，and the spread of land or sea clutter spectrum and its effects on ship detection for over－the－h(huán)orizon radar（OTHR）are analyzed.The result indicates that for small－scale TIDs，the amplitude of Doppler shift is small but changes rapidly，and the S－shaped distortion is obvious，which have an impact on OTHR mainly presented the Doppler shift.Doppler shift caused by mesoscale and large－scale TIDs is slightly larger than that caused by small－scale TIDs，but it is changed meditatively with time，and the S－shaped distortion is weakened.Besides the sea clutter Doppler shift，it causes clutter spectral spread and affects the ship detection.Meanwhile，the suppression method for frequency shift and spread caused by different scale TIDs is simulated.And the simulation results show that the algorithm is effective.

traveling ionospheric disturbances（TIDs）；sky wave over the horizon radar（OTHR）；low speed target detection

TN01

A

1005－0388（2015）02－0295－05

李 雪（1981－），男，黑龍江人，高級工程師，博士，中國電波傳播研究所高級工程師，主要研究方向為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，碩士，中國電波傳播研究所工程師，主要研究方向為電離層回波信號處理、雷達(dá)信號處理等.

婁 鵬（1982－），男，河南人，碩士，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、數(shù)據(jù)處理等.

馮 靜（1982－），男，河南人，碩士，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、數(shù)據(jù)處理等.

李 雪，李吉寧，婁 鵬，等.行波擾動對天波雷達(dá)慢速目標(biāo)檢測影響研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報，2015，30（2）：295－299.

10.13443／j.cjors.2014032701

LI Xue，LI Jining，LOU Peng，et al.TIDs effect on low speed target detection of OTHR［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：295－299.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014032701

2014－03－27

國家自然科學(xué)基金青年基金（61302006）；中國電科技術(shù)創(chuàng)新基金（JJ－QN－2013－28）

聯(lián)系人：李雪E－mail：lixue1201＠126.com