天波超视距雷达多模传播抑制研究

李 雪 李吉宁 冯 静 蔚 娜 郭文玲

（中国电波传播研究所，山东青岛266107）

天波超视距雷达多模传播抑制研究

李 雪 李吉宁 冯 静 蔚 娜 郭文玲

（中国电波传播研究所，山东青岛266107）

电离层多模传播引起天波超视距雷达杂波频谱大幅展宽，严重制约海面慢速目标检测.给出了基于工作频率选择的多模传播抑制方法，指出该方法的核心问题是全频段电离层传播模式信息获取，可通过电离层返回散射探测传播模式区提取解决.结合电离层电波传播理论、信号处理、图像处理、统计分析、射线追踪等多类方法，以准抛物模型为基础，提出了一种多模传播下传播模式区域智能提取算法，实现针对某一指定探测区域的单模式工作频率选择，从而有效抑制多模传播.

适应频率选择；返回散射探测；多模传播；传播模式区

引 言

天波超视距雷达（Over-The-Horizon Radar，OTHR）利用电离层作为传输介质，可实现几千千米外的超视距目标探测.电离层是时变、随机、色散和各向异性的介质，影响雷达信号传播，特别是电离层的分层特性，使得不同地面距离地、海杂波回波落入同一距离单元（如图1所示），引起OTHR杂波频谱展宽，严重制约低速目标检测［1－3］.

针对以上问题，主要采用以下三类方法解决：1）基于二维天线阵列

OTHR采用二维天线阵列［4］，利用俯仰方向上的波束形成使雷达工作于单一传播模式，但为了满足一定的俯仰、方位分辨率，造价极高.

2）基于工作频率选择

OTHR电离层自适应诊断管理系统实时选择合适的工作频率，可以最大可能地避免多模式传播效应［5］.

3）基于信号处理技术

目前提出的算法主要有两种：一是基于多模-单模转换的方法.该方法受传播模式数目、各模式信号幅度、多普勒频移等估计误差影响较大［6］；二是海杂波循环对消法.该方法不将多模转化为单模，而是直接在多模条件下利用海杂波循环对消去除多个Bragg峰，从而发现目标.但该方法受各模式信号幅度、多普勒频率、初相等估计精度影响，通常需要多次对消以应对杂波剩余［7］.

当目标落在一阶杂波频谱内时，基于信号处理技术很难实现目标检测.然而，随着传播模式数目增加，增加了目标落在一阶杂波频谱内的机率，也增加了各传播模式杂波频谱参数估计难度，降低了估计精度，因此，应用基于信号处理技术进行多模抑制时也希望面对的传播模式尽可能地少.

上述三类方法中以基于频率选择的方法抑制多模式传播最为实际、有效，即使有时由于对探测目标覆盖及环境干扰等原因不存在单模工作频率，但若能选择传播模式较少的工作频率，也将降低后续采用基于信号处理技术的多模抑制难度.

本文给出了基于工作频率选择的多模传播抑制方法，指出该方法的核心问题是全频段电离层传播模式信息获取，可通过返回散射探测传播模式区提取解决.

结合电离层电波传播理论，信号处理、图像处理、统计分析等多类方法，以准抛物模型为基础，利用射线追踪技术，提出了一种基于电离层电子浓度反演的传播模式区提取算法，实现针对某一指定探测区域的单模式工作频率选择，从而有效抑制多模传播.

1 基于频率选择的多模传播抑制

1.1 电离层返回散射探测

OTHR通常采用电离层返回散射探测设备进行电波环境监测，用于提供雷达工作频段内的回波能量、传播模式、相位污染度等信息，为雷达工作频率选择提供支撑.返回散射探测包括定频探测和扫频探测两种.

返回散射定频探测与雷达探测方式相同，即在某一频点上驻留多个探测脉冲，利用相干积累技术获得多普勒频谱，从而分析电离层的频谱特性，获得电离层相位污染程度的评价.

返回散射扫频探测是指探测设备在较短时间内按照一定频率列表迅速完成整个频段的扫描，得到返回散射扫频电离图，其中包含了扫描频段内的传播模式、能量信息.而扫描频段内的传播模式信息通过各传播模式区域提取实现.

因此，若能实现返回散射传播模式区域提取，即可获得雷达全频段内的传播模式信息，从而实现基于频率选择的多模传播抑制.某一传播模式区域由前沿、后沿、尾沿组成，如图2所示.

1.2 OTHR单模工作频率选择流程

OTHR单模工作频率选择流程如下（如图3）：1）利用电离层返回散射扫频探测获得雷达覆盖区域返回散射电离图.

2）进行返回散射图形预处理，提取返回散射前沿、后沿、尾沿，实现返回散射传播模式区提取.

3）根据指定的探测区域确定单模式工作频段.

1.3 返回散射传播模式区提取

图4为2010年3月30日某电离层返回散射探测站测得的返回散射电离图.该返回散射探测仪收发分置，相距约100km.采用线性调频脉冲工作方式，脉冲宽度6ms，调频带宽10kHz，脉冲重复周期50ms，换频周期250ms，采样率80kHz，频率扫描范围5～28MHz.由于硬件设备实现频率切换时需要一定稳定时间，通常换频后第1个脉冲回波数据不稳定，因此采用后4个脉冲数据进行相干积累得到杂波能量随距离的变化.

1.3.1 返回散射探测图形预处理

1）阈值法噪声抑制

电离层垂直探测电离图智能判读过程中，通常认为：电离图中信号的能量值远大于整幅图（含信号和噪声）各个采样点能量平均值.故可将整幅图的能量平均值作为噪声门限值依据，回波能量大于门限的判定为信号，否则，判定为噪声.然而，与垂直探测图形不同，返回散射图形同一频点有多个距离门回波，且不同距离回波能量不同；同时，返回散射图形不同频点电离层吸收不同，发射天线、接收天线、发射机等硬件设备带来的影响不同，噪声功率不同.因此，利用整幅图的幅度均值作为噪声门限依据效果不佳.根据实验数据，经过大量统计分析，本文提出针对不同频率点采用不同的噪声阈值，某一频点噪声门限值采用该频点所有距离门幅度平均值的修正值作为阈值进行噪声抑制，其值表示为

式中：H表示噪声抑制阈值；A表示相应频点所有距离门幅度均值；C表示修正值.

修正值C需通过对大量探测数据长期统计确定，本文取为10dB.同时，为了更好地抑制噪声，本文采用能量对比拉伸算法，提高信号和噪声之间的能量差异为

式中：r为输入回波能量；T（r）为输出回波能量；E为统计经验因子，控制该函数的斜率，这里取为20；m为噪声和杂波的能量分界线.

2）射频干扰抑制

天波返回散射探测所处的高频段电磁环境非常恶劣，密集的短波通信电台、广播和其他同频噪声形成强射频干扰，它们在返回散射探测回波图形（频率-距离）上沿距离轴呈条带状分布，这些干扰严重影响了返回散射探测图形质量，图4中贯穿所有距离门的竖线为同频干扰.

关于同频干扰的抑制目前比较常用的算法是从干扰的特性进行考虑，采用时域、空域、频域或多域联合的复杂信号处理手段进行抑制［8－9］.返回散射探测系统接收天线多为单副天线或较小阵面的阵列天线.由于接收天线形式简单，从而无法使用大口径阵列雷达中常用的自适应波束形成方法进行干扰抑制，因此须着重研究干扰的时频域特征，发展基于阵元的干扰检测、抑制方法.

●干扰检测

经过大量数据统计发现，射频干扰和有用回波信号在返回散射电离图中有如下差别：

a）在脉冲重复周期（50ms）内，射频干扰满足一定平稳性，反映在返回散射电离图中干扰随距离门的能量变化较小，而信号由于电离层吸收和自由空间扩散损耗原因，能量随距离门变化较大.

b）由于干扰与发射信号不相关，经过接收端匹配滤波器后干扰信号占满所有距离门，而回波信号由于电离层折射覆盖存在盲区不能占满整个信道，且远区回波能量较弱.

依据上述统计特征，给出同频干扰识别准则：a）某信道所有距离门能量方差小于预定门限值M1；b）某信道能量大于预定门限值M2的测量点数占该信道整个有效采样点数的百分比大于等于N%；c）某信道所有距离门能量均值低于预定门限值M3.

门限值M1、M2、M3及N%需通过大量试验数据长期统计确定.利用上述准则可准确、有效、快速识别射频干扰.

●干扰抑制

根据电离层传播特性，每一探测频点具有一定的探测距离盲区，在该区域内不存在有用的回波信号.因此，可通过选取探测盲区内信号作为参考信号，由参考距离段信号构造干扰信号子空间对各距离元信号进行正交投影滤波去除干扰［10］.实际应用中通常选取0～50km范围内信号作为参考信号，具体的距离单元个数根据不同的采用率而不同.

根据探测盲区内的干扰信号Sr（n）（距离门序号r＝1，…，L；n＝1，…，N，N为扫频周期数）构造干扰向量：

则干扰矩阵为

干扰信号的距离域相关矩阵为

对干扰相关矩阵R进行特征分解，取前K个主特征值λi（i＝1，…，K）相应的特征向量矩阵V＝［V1，…，VK］构成干扰子空间，对有效距离元上的信号Si（1≤i≤K）进行正交投影滤波实现射频干扰抑制，干扰抑制后的信号为

阈值法去噪、干扰抑制后结果如图5所示.

3）离散噪声抑制

经过上述处理后，电离图上还存在一些离散噪声，本文采用矩阵块去噪、连通域去噪和中值滤波算法级联应用实现离散噪声抑制.

4）准垂测信号剔除

图5中300km左右出现的信号为准垂测信号.理论而言，返回散射扫频探测电离图前沿线与垂测信号的二跳回波描迹相切，并交于距离-频率平面的“零点”.但OTHR通常关注的距离区域都在700 km以上，故根据距离特性，将准垂测信号滤除.经过离散噪声抑制和准垂测信号抑制后，处理结果如图6所示.

1.3.2 返回散射电离图前沿、后沿、尾沿提取

返回散射传播模式区提取分前沿提取和后沿提取.

1）返回散射前沿提取

文献［11］给出了一种有效的且工程适用的多模式前沿提取算法，本文采用这一算法对图6中的前沿进行提取，结果如图7中红色线条所示.

2）返回散射后沿提取

本文首次提出综合应用返回散射反演、数字射线追踪技术，并结合实测图形实现返回散射电离图后沿、尾沿提取.其具体实现步骤为

1）利用获得的返回散射前沿数据进行电离层电子浓度反演，获得电离层电子浓度剖面；

2）根据获得的电离层电子浓度剖面，利用数字射线追踪技术，结合实测图形获得返回散射后沿、尾沿.

本文采用R.J.Norman提出的反演方法实现返回散射电离图反演［12］.该方法假设电离层电子浓度符合准抛物模型，其表达式为

式中：fc为临界频率；rm为最大电子浓度高度；ym为层的半厚度；rb为电离层底高（相对于地心）；r为电离层中某一点的高度.

假设一组电离层特性参数初值fc、rb、rm，将该初值代入准抛物模型中计算最小群路径P′1，P′2，…，Pn′，令ΔPn′，ΔPn′，…，ΔPn′表示计算值与真实值之间的差别，Δfc、Δrb、Δrm为电离层特性参数fc、rb、rm的调整量，则ΔP′1，ΔP′2，…，ΔP′n应为由下式给出的最小值：

用矩阵形式重写为

或

令

式（10）可化简为

则

式（14）右侧乘［ST］－1ST得

式中：ST是矩阵S的转置；STS是可逆方阵.

假设的电离层特性参数fc、rb、rm增加了Δfc、Δrb、Δrm后，整个过程又开始于新的假设值，当群路径的差值ΔP′1，ΔP′2，…，ΔP′n收敛于某一指定的最小值范围内时运算停止，并从而得到了电离层参数fc、rb、rm的最后解.

将上述参数代入准抛物模型即获得了电离层电子浓度剖面，利用数字射线追踪技术结合实测图形即可获得返回散射电离图后沿和尾沿信息，如图7中绿色线条所示.

1.4 单模传播频段确定

显然，获得传播模式区域后，根据指定探测距离，即可从返回散射电离图中直接确定单模工作频段.

2 结 论

基于工作频率选择的多模传播抑制算法是解决OTHR电离层多模传播引起地海杂波频谱展宽的最有效方法，该方法通过引入电离层返回散射探测手段，通过各传播模式区域提取，获得全频段传播模式信息，实现指定区域的单模工作频率选择，从而实现多模传播有效抑制.该问题的成功解决，将大幅提升OTHR对海面舰船目标检测能力.

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OTHR multi-mode propagation suppression

LI Xue LI Jining FENG Jing WEI Na GUO Wenling
（China Research Institute of Radio Wave Propagation，Qingdao Shandong266107，China）

Over-the-horizon radar（OTHR）clutter spectrum broadening caused by ionospheric multi-mode propagation considerably restricts the detection of low-speed target on sea surface.A multi-mode propagation suppression method based on working frequency selection is presented，the key point of which is to acquire the ionospheric propagation mode information of full frequency range that can be solved by backscattering detection propagation mode extracting.Combined with methods of ionospheric radio propagation theory，signal processing，image processing，statistical analysis and ray tracing，a novel algorithm to extract backscattering ionogram frontier，retral and caudal based on the quasi parabolic model is proposed，using which the regional propagation mode intelligent extraction under the multi-mode propagation is implemented and thereby the single-mode working frequency selection aiming at the specified region is finally actualized.

adaptive frequency selection；backscattering detection；multi-mode propagation；propagation mode zone

TN011＋.2

A

1005-0388（2015）01-0057-06

李 雪 （1981－），男，黑龙江人，博士，目前主要研究方向为天波返回散射电离图模拟和判读以及电离层回波信号处理、雷达信号处理等.

李吉宁 （1982－），男，山东人，中国电波传播研究所工程师，主要研究方向为电离层电波传播、高频雷达海态反演、雷达信号处理.

冯 静 （1981－），女，山东人，硕士，目前主要研究方向为返回散射电离图智能判读、电波环境参数预测.

蔚 娜 （1981－），女，山东人，高级工程师，博士，目前主要从事雷达信号处理和电波传播研究工作.

郭文玲 （1986－），女，山东人，工程师，目前主要研究方向为电离层电波传播、雷达信号处理.

李 雪，李吉宁，冯 静，等.天波超视距雷达多模传播抑制研究［J］.电波科学学报，2015，30（1）：57-62.

10.13443／j.cjors.2014010601

LI Xue，LI Jining，FENG Jing，et al.OTHR multi-mode propagation suppression［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：57-62.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014010601

2014-01-06

国家自然科学基金青年基金（No.61302006）；中国电科技术创新基金（No.JJ-QN-2013-28）联系人：李雪E-mail：lixue1201＠126.com