CN105891796A - 一种x波段海杂波复数域时间相关模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X波段海杂波复数域时间相关模型。其特征在于：该模型是建立在复数域下的复数形式模型，由幅值模型和相位模型两部分组成，可表达海杂波时间相关函数的幅值、相位信息；该模型可反映海杂波时间相关性与风速、雷达视线与风向夹角的对应关系，模型具体形式可由实验雷达参数、海情参数确定。与传统海杂波实数域时间相关模型相比，本发明兼顾幅值、相位信息，对于海杂波时间相关性的描述更为准确、全面，为海杂波研究提供了一种新的思路。

Description

一种X波段海杂波复数域时间相关模型

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，综合利用海杂波幅度和相位信息进行相关性建模研究，涉及一种X波段海杂波复数域时间相关模型，兼顾海杂波时间相关特性的幅值、相位信息，可为海杂波相关特性研究提供新的思路。

背景技术

海杂波是指雷达照射海面所产生的后向散射回波，海杂波的存在使得海杂波中低可视目标检测变得非常困难。海杂波的产生过程是一个与雷达参数和海洋环境参数有关的复杂物理过程，与海洋环境参数如海面风速、风向、浪高、浪向等有关，同时又与雷达工作参数，如发射频率、极化方式、入射余角、分辨单元面积等有关。由于问题的复杂性和应用的重要性，海杂波的统计特性仍是该领域研究的热点问题之一。

海杂波的统计特性一般包括幅度特性、频率特性和相关特性。传统的雷达目标检测主要依据目标的回波幅度信息，因此关于海杂波的幅度分布特性的研究比较成熟。针对不同的雷达工作频率，已经通过统计分析的方法建立了诸如瑞利分布、对数正态分布、韦布尔分布等海杂波统计分布模型。

随着雷达发射频段的提高和分辨单元的减小，统计上的中心极限定理不再成立。根据海表面对电磁波的散射特性，一般认为海杂波产生机理一般包括了布拉格散射和非布拉格散射(白冠、泡沫和碎浪)。对于X频段，Warts等提出了的复合K分布等幅度分布模型。该模型认为，由海面重力波(长波)产生的纹理分量，毛细波产生散斑分量，海杂波是由纹理分量调制散斑分量复合而成，该模型已经得到广泛认可和应用。

关于海杂波的相关性，R.S.RAGHAVNA从K-分布出发通过理论分析了海杂波空间相关性。S.Watts明确提出了包含海面风速、风向和雷达视线夹角的海杂波空间相关模型，但是仅仅是海杂波幅度的空间相关性模型。

对于相参体制的雷达(具有正交I、Q正交接受分量)，一般雷达目标检测方法是利用相干积累的，期望通过相干积累提高待检测目标的信杂比。但是由于海杂波的影响，相干积累的性能将会比预期效果降低。前面提到的幅度分布特性和幅度相关特性，仅仅利用了海杂波的幅度信息。考虑到海杂波的相位信息应当具有与幅度信息同样重要的地位；从信息处理的角度，这种仅仅利用幅度信息相当于维数压缩的统计。在没有研究维数压缩所导致误差的情况下，仅仅利用幅度信息而放弃相位信息，至少是信息没有得到充分利用。综合利用海杂波幅度和相位信息的相关性建模研究，国际上尚未见有关报导。

发明内容

本发明的目的在于综合利用海杂波幅度和相位信息进行时间相关性建模研究，提出一种X波段海杂波复数域时间相关模型，模型兼顾海杂波时间相关的幅值、相位信息，可为海杂波相关特性研究提供新的思路。

本发明提出的X波段海杂波复数域时间相关模型由幅值模型f_abs(τ)和相位模型f_angle(τ)两部分组成。

其中，幅值模型f_abs(τ)为指数衰减形式，公式为：

$f_{\mathrm{abs}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\exp (-\frac{\mathrm{\τ}}{3\frac{g}{U}\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\α}+6}})$

幅值模型f_angle(τ)公式为：

f_angle(τ)＝(-0.01424cosα(0.25+0.13U)f/c-0.08566)τ

因此，本发明提出的X波段海杂波复数域时间相关模型公式为：

$\begin{array}{c}R\left(\mathrm{\τ}\right)=\exp (f_{\mathrm{abs}}\left(\mathrm{\τ}\right)+{\mathrm{if}}_{\mathrm{angle}}\left(\mathrm{\τ}\right))\\ =\exp \{-\mathrm{\τ}[{\left(3\frac{g}{U}\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\α}+6}\right)}^{-1}+(0.01424\cos \mathrm{\α}(0.25+0.13U)f/c+0.8566)i\left]\right\}\end{array}$

式中，τ为时间延时，且τ≥0；

g为重力加速度；

U为风速；

α为雷达视线与风向夹角；

f为雷达发射频率；

c为光速；

i为虚数单位。

本发明在实际应用中有如下优点：

(1)本发明综合利用海杂波幅度和相位信息进行时间相关性建模，对雷达信号研究更为充分，对海杂波时间相关性描述更为全面；

(2)本发明提出的模型参数仅涉及雷达参数、海情参数，模型形式容易确定，降低了模型应用难度。

附图说明

图1是模型形式确定流程图；

图2是IPIX实验320#海杂波数据模型验证图；

图3是IPIX实验280#海杂波数据模型验证图；

图4是IPIX实验40#海杂波数据模型验证图；

图5是IPIX实验17#海杂波数据模型验证图。

具体实施方式

以国际上公开的加拿大McMaster大学网站1993年IPIX实验X波段雷达数据为研究对象，说明模型具体形式确定方法，并验证模型的有效性。

以320#海杂波数据为例，实验雷达发射频率f＝9.39GHz，雷达天线方向171°，风向317°，风速7.5m/s，因此可确定该数据海杂波复数域时间相关模型为：

$\begin{array}{c}R\left(\mathrm{\τ}\right)=\exp \{-\mathrm{\τ}[{\left(3\frac{g}{U}\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\α}+6}\right)}^{-1}+(0.01424\cos \mathrm{\α}(0.25+0.13U)f/c+0.08566)i\left]\right\}\\ =\exp (-\mathrm{\τ}(0.0898-0.3674i))\end{array}$

模型有效性可通过320#海杂波数据相关时间统计来进行验证，步骤如下：

步骤1，将320#海杂波数据某一纯杂波距离单元的131072个脉冲分为512段长度为256的短序列，并对各段序列分别进行复相关计算，归一化的复相关函数计算公式如下：

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{\underset{k=1}{\overset{N-\mathrm{\τ}}{\mathrm{\Σ}}}z\left(k\right)z^{*}(k+\mathrm{\τ})}{\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}z\left(k\right)z^{*}\left(k\right)},\mathrm{\τ}=\mathrm{0,1,2},...,\≤N$

式中x(□)为零均值化的海杂波序列，(□)^*为取共轭运算，τ为延迟量，N为数据长度，R(□)为复相关系数。

步骤2，统计海杂波时间相关函数分布，以极坐标形式显示如附图2中灰色曲线所示，可以看出极坐标中的海杂波复数域时间相关曲线呈螺旋状分布，以(1，0deg.)为起点，沿一定角度旋转，逐渐逼近点(0，0deg.)，而且海杂波时间相关函数分布较为集中。

步骤3，将本发明提出的相关模型与实测海杂波数据时间相关函数进行对比，如附图2所示。图中黑色曲线是本发明提出的模型曲线，灰色曲线是实测数据计算曲线。可以看出，黑色曲线大体位于灰色曲线的中心位置，说明模型曲线可以很好地反映实测海杂波数据时间相关函数变化趋势，从而验证了模型的有效性。

本发明的有效性与适用性可通过不同海情下实测海杂波数据来进一步验证。

利用本发明提出的X波段海杂波复数域相关函数模型，对1993年IPIX实验17#(风速3.06m/s，夹角0.8029rad)、40#(风速2.50m/s，夹角1.4137rad)、280#(风速2.78m/s，夹角3.000rad)数据进行模型验证，步骤同上，验证结果参照图3～5，可以看出模型曲线与实测数据相关曲线变化趋势吻合较好，从而验证了本发明对于X波段不同海情下海杂波数据复数域时间相关建模都是有效和适用的。

Claims (1)

1.一种X波段海杂波复数域时间相关模型，其特征在于该模型是建立在复数域下的复数形式模型，由幅值模型和相位模型两部分组成，可表达海杂波时间相关函数的幅值、相位信息；该模型可反映海杂波时间相关性与风速、雷达视线与风向夹角的对应关系，该模型具体形式为：

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\exp \{-\mathrm{\τ}[{\left(3\frac{g}{U}\sqrt{3{\cos }^2\mathrm{\α}+6}\right)}^{-1}+(0.01424\cos \mathrm{\α}(0.25+0.13U)f/c+0.08566)i\left]\right\}$

式中，τ为时间延时，且τ≥0；

g为重力加速度；

U为风速；

α为雷达视线与风向夹角；

f为雷达发射频率；

c为光速；

i为虚数单位。