基于原始頻譜的天波超視距雷達回波特性分析方法

余陳鋼，陳志堅

(南京電子技術研究所，　南京 210039)

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基于原始頻譜的天波超視距雷達回波特性分析方法

余陳鋼，陳志堅

(南京電子技術研究所，南京 210039)

摘要：天波超視距雷達工作環境復雜，受外部干擾和雜波的影響較大，使得超視距雷達目標回波特性十分復雜。為了對目標進行判別和有效跟蹤，就必須分析掌握雷達各種回波和目標特性。文中設計了一種基于雷達原始頻譜的回波特性分析方法，該方法以原始頻譜為基礎，將回波點跡及跟蹤航跡數據與頻譜數據進行同步對比分析，同時對頻譜信息進行噪聲基底、雜波展寬、覆蓋率等統計評估，有效地分析超視距雷達回波特性以及對目標跟蹤進行有效地分析和驗證。

關鍵詞：超視距雷達；回波特性；覆蓋率；原始頻譜

0引言

天波超視距雷達(OTHR)是我國一種新型體制的雷達，通過電離層折射來實現目標探測。與常規雷達相比，天波超視距雷達具有其得天獨厚的優勢。一方面天波超視距雷達探測距離遠，覆蓋區域廣，可探測800～3 500 km范圍視距外的飛機、艦船和導彈目標；另一方面作為遠程預警雷達，它可以發現常規微波雷達難以發現的目標，例如低空、超低空目標、隱形飛機等，同時還可應用于核爆炸監測、海洋及高空電離層環境監測與預報[1-3]。

但是與常規視距雷達不同，天波超視距雷達的工作環境復雜，容易受到電離層條件、外界噪聲和雜波干擾等因素影響[4-7]。天波超視距雷達的傳輸媒質電離層具有周期性、時變性和非平穩性，在工作過程中電離層會對目標探測帶來許多不利影響。例如，電離層時變性會引起目標多普勒的漂移與擴展，電離層多模會引起多徑效應等。這些探測環境導致的不穩定性給天波雷達的回波特性分析帶來很大的困難。

常規雷達一般探測環境狀態穩定，回波信號也相

對穩定。根據目標點跡的位置和運動趨勢，較容易判別目標信號或雜波干擾信號[8]。超視距雷達由于受電離層的狀態影響，回波信號起伏較大。而且由于寬波束的連續波經電離層折射，目標信號在距離、方位、多普勒頻率上均展寬嚴重。如果像常規雷達一樣利用目標回波點跡來分析目標特性，很難直觀了解天波超視距雷達目標信號特性和運動特征。

本文描述了一種基于頻譜的超視距雷達信號特性分析方法，以超視距雷達探測目標回波的原始頻譜信息為基礎，結合目標回波點跡、跟蹤航跡等信息綜合分析超視距雷達回波信號特性。只有充分認識了目標特性和運動特征，才能有效研制相應的跟蹤處理算法，提高目標跟蹤性能。按照此方法將頻譜、原始點跡以及航跡數據進行同步對比，同時進行雜波基底、雜噪比、覆蓋率等指標統計分析以及各項信息的綜合分析，從時域、頻域、空域不同角度掌握目標信號特性和運動特征[9-10]，對目標跟蹤處理提供有力支撐。

1方法介紹

1.1技術特點

首先是對超視距雷達目標探測回波的原始頻譜信息進行顯示和分析，然后在此基礎上將目標回波點跡

以及目標航跡等信息進行疊加，進行對比統計分析，分別以全景和空間單元形式分析目標回波特性，從時域、頻域、空域直觀有效的分析和掌握回波信號特性以及目標運動特征。分析流程如圖1所示。

圖1　分析流程圖

1.2分析過程

1.2.1從原始頻譜信息對噪聲基底、雜噪比、覆蓋率等進行統計分析

對原始頻譜信息按照“距離、方位、多普勒頻移、幅度強弱”等多維信息顯示，另外連續多幀滑窗顯示分析，實現時域、頻域、空域的頻譜顯示；并對噪聲基底、雜噪比、覆蓋率等指標進行統計分析，直觀掌握和評估雷達回波信號的質量。

1)頻譜信息顯示

原始頻譜信息包括距離、方位、多普勒濾波器號、幅度信息。假設距離單元數RN，方位通道數AN，多普勒濾波器號最大值(即相干積累點數)為CN，信號幅度為U。

則空間單元數為

CellN=RN×AN×CN

(1)

幅度值進行歸一化

U′=lg(U/107)×20+50

(2)

對歸一化等預處理后的頻譜數據按照距離、方位、多普勒濾波器號、幅度等多維信息，將頻譜按空間分布及幅度顏色等信息進行顯示。

2)噪聲基底統計

先刨除±XHz內的雜波區內M個單元，統計剩余所有空間單元內的噪聲平均值。X為雜波區統計門限。

每個方位子波束噪聲基底Nk(k=1,2,…,AN)為

(3)

噪聲基底統計值Ns為

(4)

3)覆蓋率統計

假設第j方位通道±XHz內RN個距離單元中滿足覆蓋率門限的距離單元數有Rj個，則第j方位通道的距離覆蓋率為

(5)

覆蓋率均值Cova為

(6)

4)雜噪比統計

參與統計的距離范圍設定為探測波位距離覆蓋范圍。計算同一方位波束、所有滿足距離范圍距離單元內±AHz內的雜波極大值與±BHz外范圍噪聲基底均值之差超過覆蓋率統計門限。A、B均為某設定門限。

統計同一距離單元±AHz內的雜波極大值X；

計算同一距離單元±BHz外的噪聲基底均值Y。

統計滿足(X-Y)≥M1 (M1統計門限值 )條件的所有距離單元的雜噪比均值為

(7)

雜噪比統計值CNRs為

(8)

1.2.2對回波信號的信號強度、信號類型等特性進行分析

1) 信號強度

通過噪聲基底、覆蓋率、雜噪比的統計信息以及回波信號的分布可以判斷回波信號的強弱，進而判斷當前波位選頻的優劣。

2) 目標信號

根據信號的測量距離、方位、多普勒、目標信號強弱、信號分布形狀等判別真實目標信號，如圖2所示；根據某目標隨時間在多普勒域的突變，判斷目標的加速特性；而且可判斷目標多模多徑現象，如圖3所示，三個點跡群實際上是一個目標因不同電離層折射產生的不同路徑的回波信號；當出現多徑現象時，可以結合電離層數據分析當前目標位置上空電離層的狀態，包括層數、各層相對強度等。

3) 電源雜散信號

以零頻為中心對稱的信號，且在固定位置產生，沒有運動特征，經分析判斷為電源雜散信號，不是真實目標，如圖4所示。

圖2　目標信號特征圖

圖3　目標多徑特征圖

圖4　電源雜散特征圖

4) 風車、風場信號

在某個距離段出現的成鋸齒狀的帶狀信號，且在固定位置產生，沒有運動特征，經分析為遠端風場產生的回波信號，如圖5所示。

圖5　風車風場特征圖

5) 其他信號特性

其他信號包括島嶼產生的海面區域強地雜波信號等。

1.2.3將錄取點跡與頻譜進行對比分析

將目標錄取獲取的回波點跡與頻譜信息疊加顯示，如圖6所示，分析目標點跡特性。

圖6　頻譜、點跡同步圖

1)分析判斷信號處理目標檢測的正確性，分析具有典型目標特征的信息是否漏檢；

2)干擾信息是否被抗干擾過程處理掉，是否被當作目標檢測出；

3)通過觀察相鄰周期的多幀信息，分析目標信號是否被穩定檢測到，目標信號是否穩定。

1.2.4將航跡信息、頻譜以及點跡同步進行對比，分析目標的跟蹤效果

從航跡起始前到航跡終止連續多幀數據按照時序先后全程分析某條航跡的跟蹤過程，如圖7所示。

圖7　頻譜/點跡/航跡同步圖

主要可以從以下7個方面進行分析：

1)目標回波信號何時出現并檢測到目標點跡；

2)目標何時建批；

3)目標跟蹤過程是否穩定、連續，跟蹤過程中是否有丟幀；

4)目標是否具有多徑特征，跟蹤過程中是否進行過傳播模式的切換；

5)目標具有多徑特征時，數據處理模式匹配是否正確，是否有效消除多模多徑航跡；

6)目標是否具有多普勒速度模糊的特征，航跡解模糊處理是否正確；

7)目標何時終結，是因目標信號丟失而正常終結還是因干擾誤關聯或其他原因導致丟批等等。

2結束語

以原始頻譜信息為基礎，結合目標回波點跡、跟蹤航跡、電離層環境信息等信息綜合分析超視距雷達回波特性的方法具有以下特點：

1) 通過從原始頻譜信息對信號強度、噪聲基底、雜噪比、雜波寬度、覆蓋率等特征參量的統計提取，評估雷達回波信號質量；

2) 通過信號特性分析，經過積累，掌握各種目標、干擾、雜波等信號的特性，目標的運動特征；

3) 通過回波點跡與頻譜信息對比分析目標信號的穩定狀態、加速特性、電離層模式等；

4) 通過航跡與頻譜信息的對比分析，直觀了解目標跟蹤狀態，包括航跡起始、維持、終結、丟點、多普勒模糊特性、電離層模式匹配狀態等。

采用本方法能有效的對原始頻譜數據、原始回波點跡數據、跟蹤航跡數據進行綜合的對比分析，直觀地從時域、頻域、空域上把握目標的信息和特征，對更清楚地認識天波超視距雷達的回波特性、目標運動特征以及針對不同特征目標改進完善跟蹤算法都具有很大的幫助。該方法在天波超視距雷達大量的回波特性分析、跟蹤算法驗證過程中發揮極其重要的作用，大大節省了數據分析的人力和時間，提高了分析和驗證效果。

參 考 文 獻

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余陳鋼男，1975年生，碩士，高級工程師。研究方向為雷達系統軟件及數據處理。

陳志堅男，1963年生，碩士,研究員。研究方向為雷達系統軟件及數據處理。

王文濤男，1989年生，碩士研究生。研究方向為雷達抗主瓣干擾技術。

周青松男，1982年生，講師，博士。研究方向為雷達信號處理、陣列信號處理。

劉興華男，1993年生，碩士研究生。研究方向為空間信息處理。

李磊男，1976年生，講師，碩士。研究方向為雷達信號處理。

A Method of Analyzing the Echo Characteristic of OTHR

Based on the Original Spectrum

YU Chengang，CHEN Zhijian

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：The work environment of the sky-wave over-the-horizon radar (OTHR) is complex, so the echo characteristic is also very complex. In order to distinguish the targets and track them effectively, it's the first to hold the target characteristic. So a valid method of analyzing the echo characteristic of the OTHR based on the original spectrum is proposed, and it can analyze the plot data, track data and the spectrum data synchronously, evaluate the fundus of the noise, the width of the clutter, and the covering rate. Thereby, we can hold the echo characteristic of OTHR effectively and validate the tracking process.

Key words：OTHR; echo characteristic; covering rate; original spectrum

DOI：·信號/數據處理· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.010

收稿日期：2015-07-22

修訂日期：2015-09-20

通信作者：余陳鋼Email：janehoe@126.com

中圖分類號：TN958.95

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2015)12-0045-04