CN106959442B - 基于多域信息的强干扰环境下地波雷达一阶回波谱提取方法 - Google Patents

Abstract

基于多域信息的强干扰环境下地波雷达一阶回波谱提取方法，包括利用多通道地波雷达距离‑多普勒谱在经过波束形成及选择契比雪夫加权后，形成地波雷达距离域‑多普勒‑方位多域谱，在距离域、多普勒域以及方位域设置必要的窗口和约束条件，在多域取值窗口和约束条件下计算一阶回波谱功率，增强一阶回波谱并削弱干扰功率，达到抗干扰目的。最终，通过最大信干噪比搜寻，获取一阶回波谱峰值频率以及谱展宽量，实现一阶回波谱提取。本发明克服了一阶回波谱提取方法在强干扰环境下失效的缺陷，通过构造的地波雷达多维谱，综合考虑一阶回波与电离层及船只回波干扰在多域中的不同特性并制定了相应的抗干扰提取策略，实现地波雷达一阶回波谱的有效提取。

Description

基于多域信息的强干扰环境下地波雷达一阶回波谱提取方法

技术领域

本发明涉及一种一阶回波谱的检测与提取方法，具体涉及一种基于多域信息的强干扰环境下地波雷达一阶回波谱提取方法。

背景技术

地波雷达海杂波是该雷达发射的高频无线电波与海浪相互作用而散射回来的信号，分为一阶、二阶及高阶海洋回波。其中，一阶回波是雷达接收的与其辐射的电磁波波长一半的海浪产生的一次谐振回波。一阶回波谱为该回波的多普勒谱，在谱中表现为一对展宽的双峰，能量很强，是海洋回波最常见的主要成分。其对地波雷达应用造成的影响分为两大方面：1.在海面船只探测方面，造成检测盲区，降低了对船只的探测能力，是一种需要提取并去除的杂波；2.在海态遥感方面，可以从中提取风场、浪场、流场等海态信息，需要精确提取并为海态反演提供依据。因而，有效的一阶回波谱提取在地波雷达应用中至关重要。

目前，国内外发展的多种地波雷达一阶回波谱提取方法可以分为基于多普勒域信息的方法和基于距离域和多普勒域信息的方法两大类。在基于多普勒域信息类的提取方法中，起始阶段采用一阶回波的强回波功率及在多普勒域的展宽特性(Miller,et al,1982)，利用信噪比作为量测，将局部高于信噪比阈值的信号当做一阶回波谱。为消除二阶回波对一阶回波谱提取的影响(Leise,et al,1984)，在计算信噪比的过程中也将二阶频谱范围涵盖在内，但二阶频谱范围的界定和信噪比阈值的选择对一阶回波谱提取的影响较大。为提高基于多普勒域信息的一阶回波谱提取效果，一阶回波谱正负峰值共振频率的间距是二倍理论布拉格频率的特点(Martin,et al,1997)以及一阶回波谱的陡峭特征(杨绍麟,等,2001)得到了应用。为进一步提高一阶回波谱的提取效果，另一维度的信息被集成应用到相关新方法中即基于距离域和多普勒域信息的方法(纪永刚,等,2015)。一阶回波在距离项的连续特性的加入，利用了一阶回波谱在多普勒域及距离域均具有展宽的特点，提高了对其频谱提取的有效性。

但目前已有方法普遍抗干扰能力不强。以电离层干扰及船只回波为例，他们在地波雷达接收信号的多普勒域及距离域也均具有展宽的特点并且回波功率较强。在他们干扰下，难以准确提取一阶回波谱。实际上，由于产生一阶回波谱、电离层干扰以及船只回波的反射媒介及媒介空间分布与运动状态也不相同，通过对相应的差异挖掘并体现在地波雷达接收数据的多普勒域、距离域以及方位域等多域中，在发展一阶回波谱提取方法时将干扰因素考虑在内，将极大的提高一阶回波谱提取的有效性。进而，促进地波雷达在海态遥感和海面船只探测方面的应用效能。

相关的参考文献如下：

[1]P.A.Miller,J.A.Leise,"Radar Doppler detection methods withapplications to CODAR.,Boulder CO,"NOAA Tech.Memo.ERL WPL-94,1982.

[2]J.Leise,"The analysis and digital signal processing of NOAA'ssurface current mapping system,"in IEEE Journal of Oceanic Engineering,vol.9,no.2,pp.106-113,Apr 1984.

[3]R.J.Martin and M.J.Kearney,"Remote sea current sensing using HFradar:an autoregressive approach,"in IEEE Journal of Oceanic Engineering,vol.22,no.1,pp.151-155,Jan 1997.

[4]杨绍麟,柯亨玉,侯杰昌,吴世才.Music算法提取海洋表面径向流方位的信号预处理.现代雷达,2001,23(4),49-54.

[5]纪永刚,张杰,王彩玲,楚晓亮,王祎鸣,杨龙泉.基于信噪比方法的天地波混合体制雷达一阶回波谱提取.电子与信息学报,2015,37(9),2177-2182.

发明内容

本发明的目的是提供一种基于多域信息的强干扰环境下地波雷达一阶回波谱提取方法，该方法将干扰因素考虑在内，能够充分利用产生一阶回波谱、电离层干扰以及船只回波的反射媒介及媒介空间分布与运动状态的不同，通过对相应的差异挖掘并体现在地波雷达接收数据的多普勒域、距离域以及方位域等多域中，实现强干扰环境下地波雷达一阶回波谱的提取。

为了实现上述目的，本发明的一种基于多域信息的强干扰环境下地波雷达一阶回波谱提取方法的技术方案，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：利用雷达数据形成地波雷达多域(距离域、多普勒域、方位域)谱：

首先，多通道距离-多普勒谱由对雷达各通道采集的下变频时域数字信号分别进行脉冲压缩和相干积累得到；该多通道距离-多普勒谱在经过选择适合一阶回波谱提取的契比雪夫加权的空域加权方式后，形成地波雷达距离域-多普勒-方位谱，记为s(r,f,θ)，其物理量为幅度值，单位dB，并基于此来提取一阶回波谱；

步骤2：制定初始值和提取约束条件：

从高频电磁散射理论中的理论正、负一阶布拉格频率计算公式，得到无海流时的一阶回波正、负峰值，并将该值作为将要提取的一阶回波峰值频率的初始值A，记为及其物理量为频率值，单位Hz，一阶回波的初始谱展宽量设为谱展宽量约束条件的最大值，然后制定一阶回波谱峰值频率提取约束条件和关于A的谱展宽量约束条件：

(1)根据上述初始值A、地波雷达探测海区的年季最大海流值制定峰值提取约束条件；

(2)根据探测海区年季最大海流值和雷达多普勒分辨率，制定海流影响下的一阶回波谱展宽提取量约束条件；

步骤3：增强一阶回波谱功率，即通过在距离域、多普勒域以及方位域设置必要的窗口和约束条件，在多域窗口和约束条件下计算一阶回波谱的功率，实现一阶回波谱的增强：

其中，距离域窗口的低值为雷达距离分辨率，高值为雷达相干积累时间内船只航行的最远径向距离；多普勒域窗口由步骤2约束条件给出的一阶回波谱峰值频率和谱展宽量决定，窗口低值为峰值频率减去谱展宽量的二分之一，窗口高值为峰值共振频率加上谱展宽量的二分之一；方位域窗口的低值及高值覆盖雷达有效探测的角度范围；

步骤4：信干噪比计算：

信号功率为步骤3获取的增强的一阶回波谱功率，干扰及噪声功率通过在多域设置的窗口计算，其中多普勒域窗口为步骤3给出的窗口左右边界各延伸半个窗口的宽度，距离及方位域窗口为步骤3给出的窗口；将信号功率除以干扰及噪声功率得到信干噪比，该信干噪比在正、负多普勒两端分别计算，得到相应的两个信干噪比SINR_P和SINR_N；

步骤5：最大信干噪比搜寻：

将两个信干噪比SINR_P和SINR_N取和，然后在A的谱展宽量给定的范围内选择初始取值B，且A≠B；

使关于B的多普勒域窗口的取值等于A的谱展宽量的一个子集，并根据新的初始值B重复步骤3、4的操作，以计算B的增强一阶回波谱功率以及关于该子集的信干噪比和；然后依次使关于B的多普勒域窗口的取值等于A的谱展宽量的各个子集，重复上述操作，得到B的关于所有谱展宽量子集的信干噪比和；

然后在上述谱展宽量给定范围内遍历所有值，得到各个值关于各个谱展宽量子集的信干噪比的和；搜寻上述和的最大值，将该最大值所对应的初始值记为C，并作为一阶回波谱的峰值频率，将该最大值对应的谱展宽量的子集作为一阶回波谱的谱展宽量；

由上述一阶回波谱的峰值频率以及一阶回波谱的谱展宽量即可实现一阶回波谱的提取。

此搜寻最大信干噪比的过程受步骤2的一阶回波谱峰值提取约束条件和展宽量约束条件限制，保证一阶回波谱在此条件下功率相对于干扰及噪声更强。

与现有技术相比，本发明的创新之处体现在以下方面：

1.利用更高的维度信息提取地波雷达一阶回波谱，提高了一阶回波的可区分度。不同于常规基于单一多普勒维度或者多普勒-距离维度的方法，本发明利用了多普勒-距离-方位的更高维度信息，构造了用于一阶回波谱提取的多维谱。该过程中还需结合天线方向图，从贴近雷达实际情况的角度选取适合一阶回波谱提取的通道加权方式。另外，采用多维谱后，也增加了一阶回波的信息量。

2.提取方法具备了抗强干扰能力。常规方法对干扰因素较少考虑，尤其是地波雷达接收的电离层干扰及船只回波在幅度较强的情况下，严重影响了一阶回波谱提取的有效性。本发明在经分析干扰因素在多普勒、距离以及方位等多域中的特点后，结合这些特点与一阶回波在多域中的差异，制定了一阶回波谱提取约束和不同的多域信号采集窗口，增强了提取一阶回波谱过程中的干扰抵抗力。

3.融入地波雷达探测海区的海态参数及船只运动特性，提升一阶回波谱提取能力。将海区的历史海流极值参数化，融入到多普勒域提取约束条件中；将船只的最大径向运动速度作为参数，提出距离域信号采集窗口，减少船只回波对一阶回波谱提取结果的影响。通过对雷达回波对象自身暗含信息的利用，更加贴近实际应用。

4.首次将信干噪比的概念引入到方法流程中，突出了对干扰因素的重视；另外，提取过程中所用的加权方式和取值，以及具体采集窗口所需设置的参数种类，均经过了地波雷达实测数据的分析和验证。

本发明克服了现有地波雷达一阶回波谱提取方法在强干扰环境下失效的缺陷。通过构造的地波雷达多维谱，综合考虑一阶回波与电离层及船只回波干扰在多域中的不同特性并制定了相应的提取策略，实现地波雷达一阶回波谱的有效提取。

附图说明

图1为本发明的基本流程示意图。

图2为构造的地波雷达多域谱。

图3为天线方向图的不同通道加权方式对比。

图4为本发明的一阶回波谱提取结果及与常规方法的比对。

图5为在二维谱提取结果的比对。

具体实施方式

下面结合公式和附图，对本发明的方法做进一步说明：

如图1所示，利用高频地波雷达多域信息的强干扰环境下的一阶回波谱提取方法，主要包括构造多域谱并制定约束条件，增强一阶回波谱功率，通过搜寻最大信干噪比的方式提取一阶回波谱，其具体步骤如下：

步骤1：利用周期为T秒(附图4、5中以300s为例)的地波雷达多通道下变频信号，经匹配滤波和相干积累处理后，将该多通道距离-多普勒谱采用空域加权并在每一方位取最大值的方式，形成距离域-多普勒-方位谱，记为s(r,f,θ)，其物理量为幅度值，单位dB，其形式如图2所示；经比较结合天线方向图的契比雪夫加权、均匀加权、汉明加权以及汉宁加权等方式后，并权衡空域区分度和旁瓣干扰后，选取有利于一阶回波谱提取的-20dB契比雪夫加权的空域加权方式，不同通道加权方式的对比如图3所示。

步骤2：将地波雷达一阶回波在多普勒谱中的正、负峰值位置作为提取的初始值，记为及该值可设为无海流时的理论正一阶布拉格频率f_B+：

其中，f₀为地波雷达发射频率，g为重力加速度，λ为雷达波长。

根据初始值、地波雷达探测海区的年季最大海流值和理论布拉格峰值频率制定峰值提取约束条件：

其中，是正、负峰值共振频率,V_cmax是探测海区的年季最大径向海流值。

根据探测海区年季最大海流值和雷达多普勒分辨率，制定海流影响下的一阶回波谱展宽f_sd的提取量约束条件：

其中，f_res是雷达频率分辨率。

步骤3：通过在距离域、多普勒域以及方位域设置必要的取值窗口和约束条件，在多域取值窗口和约束下计算功率，实现正、负一阶回波谱的增强。

其中，Σ及其下标代表沿着距离、多普勒频率以及角度取值窗口提取多域谱幅度值。

距离窗口Δr、多普勒频率窗口Δf^±以及角度窗口Δφ由以下方式得到：

其中，min(φ)，max(φ)分别代表雷达有效探测的最小和最大角度边界值，r_st代表产生一阶回波的当前距离，V_smax是船只最大的航行速度，T是雷达积累周期，R_res是雷达距离分辨率。

步骤3的意义在于：在一阶回波提取过程中，可能会受到较强的电离层干扰及船只回波影响。因此，需要根据一阶回波与电离层干扰及船只回波在各个域的特性差异，设置适当的取值窗口，增强一阶回波谱功率。具体体现为：在距离域，一阶回波在距离域具有延展性但连续一致性不强，目标由于运动速度限制，相干积累时间内跨越的距离有限，电离层距离延展性和连续一致性较好，因而距离窗口不易太大，避免收入太多电离层干扰。在方位域，产生的一阶回波的海面宽广，较船只及产生特定频率反射的电离层覆盖的空间范围更大，因此方位取值可以放开。在多普勒域，电离层干扰的多普勒拓展最大，一阶回波谱和船只回波次之，因而多普勒窗口应收紧，取值受海流施加的最大展宽量及峰值多普勒约束。

步骤4：在实现正、负一阶回波谱信号的增强后，干扰及噪声功率通过在多域设置取值窗口计算。其中多普勒域窗口为步骤3给出的增强一阶回波谱的多普勒域窗口左右各加一阶回波谱展宽量的一半，距离及方位域窗口为步骤3给出的窗口。将信号功率除以干扰及噪声功率得到信干噪比，该信干噪比在正、负多普勒两端按式(6)分别计算，得到相应的两个信干噪比SINR_P和SINR_N。

注：在无船只、电离层等干扰的情况下，步骤4计算的是信噪比(SNR)，即一阶回波与雷达内外部噪声的功率比值，本发明对此情况同样适用。而当干扰存在时，因融入了一阶回波谱与干扰因素的差异，更能够提高信干噪比。

步骤5：将两个信干噪比SINR_P和SINR_N取和，然后搜寻两部分之和的最大信干噪比。此搜寻最大信干噪比的过程受步骤2的一阶回波谱提取约束条件限制，保证一阶回波谱在此条件下功率相对于干扰及噪声更强。最终从最大信干噪比的情况所对应的信号多普勒谱含量中，获得一阶回波谱的谱峰值共振频率和谱展宽量。

其中，maximum(...)代表求最大值，subject to Eq.(2)代表服从公式(2)给出的约束条件，代表给出一阶回波谱正、负峰值多普勒频率及谱展宽量。

图4(a)(b)分别给出了实测数据中船只及电离层干扰情况下的提取结果及与常规信噪比方法的对比。图4(a)中位于正、负多普勒的两条黑色竖直点线标出了本发明方法提取的一阶回波谱，点线为常规信噪比方法提取的结果，椭圆标出的是船只回波谱。可见常规方法受强船只回波的影响，将其也提取为一阶回波谱。图4(b)电离层干扰被提取为一阶回波谱，而本发明的方法能够有效抵抗电离层干扰的影响。

图5(a)(b)给出了本发明方法与常规方法的提取结果(用竖向黑线标出边界)在距离-多普勒二维谱中的比对。这包含了噪声背景、船只及电离层干扰情况下的提取结果。在噪声背景下(无船只及电离层干扰)，本发明方法与常规方法的均正确提取了一阶回波谱。但是，在电离层干扰(覆盖60到70,80到90距离单元的横向条带)以及船只干扰(第70距离单元附近的点状回波)下，只有本发明方法能够正确提取一阶回波谱，充分体现了其抗干扰能力。

Claims (1)

1.基于多域信息的强干扰环境下地波雷达一阶回波谱提取方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：利用雷达数据形成地波雷达多域谱：

首先，多通道距离-多普勒谱由对雷达各通道采集的下变频时域数字信号分别进行脉冲压缩和相干积累得到；该多通道距离-多普勒谱在经过选择适合一阶回波谱提取的契比雪夫加权的空域加权方式后，形成地波雷达距离域-多普勒-方位谱，记为s(r,f,θ)，其物理量为幅度值，单位dB，并基于此来提取一阶回波谱；

步骤2：制定初始值和提取约束条件：

从高频电磁散射理论中的理论正、负一阶布拉格频率计算公式，得到无海流时的一阶回波正、负峰值，并将该值作为将要提取的一阶回波峰值频率的初始值A，记为及其物理量为频率值，单位Hz，一阶回波的初始谱展宽量设为一阶回波谱展宽提取量约束条件的最大值，然后制定一阶回波谱峰值频率提取约束条件和关于A的一阶回波谱展宽提取量约束条件：

(1)根据上述初始值A、地波雷达探测海区的年季最大海流值制定一阶回波谱峰值频率提取约束条件；

(2)根据探测海区年季最大海流值和雷达多普勒分辨率，制定海流影响下的一阶回波谱展宽提取量约束条件；

步骤3：增强一阶回波谱功率，即通过在距离域、多普勒域以及方位域设置必要的窗口和约束条件，在多域窗口和约束条件下计算一阶回波谱的功率，实现一阶回波谱的增强：

其中，距离域窗口的低值为雷达距离分辨率，高值为雷达相干积累时间内船只航行的最远径向距离；多普勒域窗口由步骤2约束条件给出的一阶回波谱峰值频率和谱展宽量决定，窗口低值为峰值频率减去谱展宽量的二分之一，窗口高值为峰值频率加上谱展宽量的二分之一；方位域窗口的低值及高值覆盖雷达有效探测的角度范围；

步骤4：信干噪比计算：

信号功率为步骤3获取的增强的一阶回波谱功率，干扰及噪声功率通过在多域设置的窗口计算，其中多普勒域窗口为步骤3给出的窗口左右边界各延伸半个窗口的宽度，距离及方位域窗口为步骤3给出的窗口；将信号功率除以干扰及噪声功率得到信干噪比，该信干噪比在正、负多普勒两端分别计算，得到相应的两个信干噪比SINR_P和SINR_N；

步骤5：最大信干噪比搜寻：

将两个信干噪比SINR_P和SINR_N取和，然后在A的谱展宽量给定的范围内选择初始取值B，且A≠B，

使关于B的多普勒域窗口的取值等于A的谱展宽量的一个子集，并根据新的初始值B重复步骤3、4的操作，以计算B的增强一阶回波谱功率以及关于该子集的信干噪比和；然后依次使关于B的多普勒域窗口的取值等于A的谱展宽量的各个子集，重复步骤3、4的操作，得到B的关于所有谱展宽量子集的信干噪比和；

然后在上述谱展宽量给定范围内遍历所有值，得到各个值关于各个谱展宽量子集的信干噪比的和；搜寻各个值关于各个谱展宽量子集的信干噪比的和的最大值，将该最大值所对应的谱展宽量给定范围内的频率值记为C，并作为一阶回波谱的峰值频率，将该最大值对应的谱展宽量的子集作为一阶回波谱的谱展宽量；

由上述一阶回波谱的峰值频率以及一阶回波谱的谱展宽量即可实现一阶回波谱的提取。