X波段雷达实测海杂波的特性分析*

杨永生， 张宗杰

0 引言

海杂波通常是指雷达接收来自海表面散射的回波信号，它不仅与海面粗糙度密切相关，而且雷达波的极化、波段以及入射角度等系统参数对其也有较大的影响。舰载雷达和海岸警戒雷达在维护国家和地区安全方面发挥着重要的作用，其主要任务是在海杂波背景下实现目标的检测、识别与跟踪，如船只、低空掠海飞行的飞机和导弹等。因此，海杂波特性的研究已成为现代雷达系统设计与性能评估的重要课题[1-2]。

目前，已从多种角度对海杂波的特性进行了深入的研究，如海尖峰、多普勒谱、相关分析及统计建模等。在海杂波统计建模方面，已提出的模型有Weibull分布、log-normal分布、Gamma分布、复合高斯分布以及 K 分布等[1-5]。文献[6]，利用英国南部海岸某雷达海杂波数据来分析含有3个分量的多普勒谱模型，该模型是通过wavetank数据建立起来的。并进一步研究了海杂波数据中的去相关、多普勒、极化等特征；分析了Bragg与non-Bragg散射机理、海尖峰特性与风向之间的关系。文献[7]，从时间、幅度和频率3个角度，对海杂波的海尖峰进行了分析。

文中利用X波段极化雷达实测数据，对海杂波进行了功率谱密度和相关分析，得到了一些有益的结果。

1 实验数据

研究中所采用的实测海杂波数据是 McMaster IPIX雷达采集的，该数据可在互联网上下载，其网址 为 http：//soma.crl.mcmaster.ca/ipix/dartmouth/datasets.html#download。McMaster IPIX 位于加拿大的Dartmouth, 它架设在高于海平面25～30 m处的陆地上，这是典型舰载雷达的安装高度。McMaster IPIX雷达天线指向固定，仅可对一片海域进行低掠射角探测。发射机峰值功率为 8 kW，采用的是行波电子管放大器。接收机为相干接收方式，它的瞬时动态范围已达到50 dB。抛物面天线的直径为2.4 m，波束宽度为1.1 deg，天线增益为45.7 dB。McMaster IPIX雷达具有4个极化接收通道（HH，VV，HV，VH），其中，V表示垂直极化，H表示水平极化。

文中所使用的海杂波数据是1993年11月11日McMaster IPIX雷达接收到的海杂波数据，当时海面波高为0.7 m。雷达波的载频为9.39 GHz，脉冲重复频率 PRF为1 000 Hz，脉宽为200 ns，波束宽度为0.9 deg，距向分辨率为30 m。McMaster IPIX 雷达总共有14个距离门，相邻的距离门间距为15 m，每个距离门采样的样本数为172 ，即131 072。因此，海杂波持续时间大约为130 s。

图1为X-波段海杂波实测数据，其中，图1(a)为HH极化的海杂波幅度，图1(b)为VV极化的海杂波幅度，水平轴为时间；纵轴为海杂波幅度。从图1可以看出，HH和VV极化的海杂波在幅度上变化均较剧烈，都表现出了一定的随机性和海尖峰特性，而且HH极化海杂波的海尖峰特性要比VV极化的更显著。表1为高于n倍均值样本的百分比，其中，μ为均值，HH极化的均值为0.635 5，VV极化的均值为0.734 3。从表1同样可以看出，HH极化的海尖峰特比VV极化的更明显，如HH极化海杂波高于3倍均值样本占比为4.75%，而VV极化海杂波的占比仅为3.57%。

图1 X-波段海杂波实测数据

表1 高于n倍均值样本的百分比

2 海杂波的特性分析

2.1 功率谱密度

为了避免直流分量的影响，首先从原始数据中去掉直流分量，即信号的均值。周期图法是典型的功率谱估计方法之一。它是基于数据的Fourier变换来估计平稳过程的功率谱密度。因此，它具有较高的计算效率。利用周期图法估计平稳过程 (x)n的功率谱密度 (S)ω，其表达式为：

海杂波的功率谱密度是采用改进的周期图谱方法来估计的，其中数据加矩形窗，矩形窗为256点。为了减少频谱的泄漏，对数据进行50%的重叠。图2(a)和图2(b)分别为HH和VV极化的海杂波功率谱密度，HH和VV极化海杂波的功率谱密度主要分布在100 Hz以内。从图2可以看出，VV极化海杂波的功率谱密度具有更窄的带宽，且衰减的更快。

图2 海杂波的功率谱密度

2.2 相关性

为了更好地研究海杂波的特性，需要进行相关分析。就二维海杂波而言，相关性包括空间相关分析和时间相关分析。由于McMaster IPIX雷达的距离门数仅为14，数目太少。因此，在这里不对海杂波进行空间相关方面的分析和研究。自相关函数R(τ)的定义为：

式中， P (t)为海杂波的幅度，τ为时延， ⋅为期望运算，‘*’为复共轭运算。根据Wiener-Khintchine定理，平稳过程的自相关函数 R (τ)与功率谱密度S(ω)之间的关系为：

图3(a)和图3(b)分别为HH和VV极化的海杂波自相关函数。从图3可以看出，HH和VV极化海杂波相关性具有相似的变化趋势。HH和VV极化海杂波在大约20 ms以后，自相关函数 ()Rτ基本保持不变，VV极化的相关系数在0.2附近波动，而HH极化的相关系数在0.1附近波动，这表明HH极化的海杂波相关性要比VV极化的相关性要小一些。

图3 海杂波的自相关函数

3 结语

文中对 X波段雷达实测海杂波进行了功率谱密度和相关分析。与HH极化相比，VV极化海杂波的功率谱密度具有更窄的带宽，且衰减的更快。而 HH和 VV极化海杂波具有相似的相关性，但HH极化的相关系数要比 VV极化的要小。由于McMaster IPIX雷达在空间探测范围的有限性，限制了海杂波在空间相关性的分析。此外，还需要深入研究海洋环境对海杂波的影响，这也是下一步研究工作的重点。

[1] 孙方,康士峰,王红光. 海杂波中的超视距雷达探测性能分析[J]. 通信技术，2012，45(04)：50-53.

[2] 姜斌,王宏强,黎湘,等.S波段雷达实测海杂波混沌分形特性分析[J].电子与信息学报,2009,29(08)：1809-1812.

[3] 孙宁，柳卫平.一种 UWB信号快速捕获算法的研究[J].信息安全与通信保密,2009(04)：59-61.

[4] 曲秀凤，种劲松，吴秀娟，等.海洋雨团的全极化 SAR回波信号仿真研究[J]. 通信技术，2010，43(02)：31-34.

[5] 郭伟，张会生，李立欣.基于 PN序列相关检测的MIMO-OFDM信道估计[J]. 信息安全与保密技术，2010(06)：48-50.

[6] WALKER D. Doppler Modelling of Radar Sea Clutter[J]. IEE Proc.Radar Sonar Navig., 2001,148 (02)：73-80.

[7] 杨俊岭，李大治，万建伟.海杂波尖峰特性研究及仿真分析[J]. 系统仿真学报，2007，19(08)：1836-1840.