天波超视距雷达海杂波模型修正与特性分析

关泽文 陈建文 鲍 拯



天波超视距雷达海杂波模型修正与特性分析

关泽文*陈建文 鲍 拯

(空军预警学院 武汉 430019)

因受电离层调制影响，传统的高频海杂波模型难以全面描述天波超视距雷达海杂波的空域非均匀性和时域非平稳性。该文首先基于传统的Walsh 高频海杂波模型分析了洋流的影响，提出电离层子反射面模型的概念，揭示了相干处理间隔内电离层对高频信号频谱的调制机理；然后通过建立电离层等效反射面，并将其分解为多个子反射面的方式，给出可以综合反映不同海态、不同电离层状态的天波超视距雷达海杂波修正模型。最后结合数学描述，利用该文修正模型反演分析了由电离层的空域非均匀、时域非平稳引起的典型高频海杂波多普勒偏移、展宽、分裂和多径复杂现象的实测数据多普勒谱，仿真与实测数据多普勒谱验证了所提修正模型的准确性与鲁棒性。

天波超视距雷达；海杂波模型；电离层子反射面模型；电离层等效反射面

1 引言

天波超视距雷达(OTHR)海杂波是影响慢速舰船目标检测的主要因素，其受电离层调制的影响，因此比传统的高频(HF)海杂波更加复杂多变。1955年，Crombie[1]首次用试验的方法分析了HF海杂波回波多普勒谱，试验结果显示在零多普勒频率两侧各有一个很高的谱峰，运用光栅理论中的“Bragg散射”，该谱峰得到了很好的物理解释，因此也称它们为一阶Bragg峰或一阶海杂波。1972年，Barrick[2,3]运用电磁场理论推导出一阶和二阶海杂波散射截面积方程，从数学的角度定量描述了幅度，表达式中的变量包含了有向浪高谱、海洋表面阻抗、海面风速以及雷达工作频率等，通过和实测数据多普勒谱的比较，验证了模型的准确性。1987年Walsh基于归一化函数理论，将一阶Bragg峰描述为抽样函数平方的最大值，使Bragg峰的宽度有了量化描述。文献[4]和Gill等人[5]考虑了雷达收发双站分离的情况，进一步完善了二阶海杂波回波谱模型。2011年，Walsh等人[6]推导了调频连续波(FMCW)波形的高频海杂波多普勒谱模型，该模型更加贴近当前HF天波超视距雷达的实际情况。

2 考虑洋流影响的Walsh HF海杂波模型

根据Bragg散射原理和水动力学理论，并考虑到洋流对一阶海杂波的多普勒频率有搬移的作用，一阶海杂波多普勒频率为[1]

以上得到的是HF海杂波的多普勒谱模型，为便于分析，将其变换到时域，同时加入相位噪声和时域的高斯白噪声得

3 相干积累时间内电离层对HF信号的调制

图1 OTHR信号传播路径模型

相位路径差为

故由电离层运动引起的多普勒偏移为

4 OTHR海杂波修正模型

然而，由于电离层的非平稳特性，以上给出的多普勒偏移在数十秒的CIT过程中不再可以认为是不变的，事实上也正因为如此，大量的实测数据显示电离层对海杂波回波多普勒谱的调制除了表现为多普勒偏移外，还有多普勒展宽、谱峰分裂和多径传播。

可见，这时回波整体发生了多普勒偏移。

综合以上分析，OTHR的海杂波模型可以表示为式(14)的形式，其可以模拟由电离层引起的多普勒偏移、展宽、多径，以及受洋流影响的海杂波多普勒谱。

5 海杂波多普勒谱电离层影响因素分析及模型仿真验证

5.1电离层等效反射面高度及大圆距离对回波多普勒谱的影响

5.2 洋流的影响

图2 高度和大圆距离对参数的影响

5.3电离层等效反射面的运动对回波多普勒谱的影响

图3 洋流对海杂波多普勒谱的影响

图4 电离层引起的海杂波多普勒偏移

图5 电离层引起的海杂波多普勒展宽

5.4 多径传播

由于多径传播情况的发生可能会伴随本节中前文描述的其他情况，表现形式复杂多变。本节结合实测数据，分别对伴随多普勒偏移的多径传播情况和伴随多普勒偏移和分裂的多径传播情况下的实测多普勒谱进行分析，然后给出应用本文所提的修正海杂波模型的仿真结果，进一步验证模型的准确性和鲁棒性。

图6 电离层引起的海杂波多普勒分裂

图7 多径伴随多普勒偏移的海杂波多普勒谱

图8 多径伴随多普勒偏移、分裂的海杂波多普勒谱

以上分别给出了多种典型情况下OTHR实测海杂波多普勒谱和本文提出的修正OTHR海杂波模型的仿真多普勒谱，多种情况下多普勒谱中特征参数的比较验证了本文模型的准确性和鲁棒性。

6 结束语

本文基于Walsh HF海杂波模型，提出了电离层子反射面模型，并给出了能够反映多种复杂海态、电离层调制影响的海杂波修正模型。结合数学分析，利用该模型解释并反演了由电离层的空域非均匀特性和时域非平稳特性导致的海杂波多普勒偏移、展宽、分裂和多径的复杂现象，与多种典型情况下的实测数据进行了对比分析，结果表明本文提出的修正OTHR海杂波模型具有良好的一致性和鲁棒性，同时有以下结论：

(1)洋流和电离层等效反射面在垂直向做匀速运动都可以引起的海杂波多普勒偏移。但两者又有所区别，洋流对一阶海杂波有作用，而电离层等效反射面的运动对包含一阶海杂波在内的整个海杂波均有作用。

(2)电离层等效反射面在垂直向的运动和多径的情况均可以引起海杂波多普勒谱峰分裂，整体上看，多普勒谱可以视为若干子海杂波多普勒谱的叠加。但两者又有所区别，与电离层等效反射面在垂直向运动对应的若干子海杂波多普勒谱具有极强的相似性，因为它们仅是一个海面分辨单元的后向散射信号经剧烈运动的电离层调制的结果，但与多径对应的若干子海杂波多普勒谱是不同海面分辨单元的后向散射信号经不同电离层调制的结果。相比之下，由于多径现象中子多普勒谱对应的海况、电离层状况均不同，所以多普勒谱更加复杂多变。

(3)受电离层等效反射面垂直向匀速运动或受洋流影响时，一阶和二阶海杂波的多普勒频率范围的大小不变，但在海杂波多普勒谱频率偏移、谱峰展宽、分裂以及多径现象中，均有所展宽。

子等效面模型的提出，使得电离层对OTHR信号的频谱调制层面上有了方便简洁的数学描述，所得的修正OTHR海杂波模型，对OTHR海态监测、海面低可探测舰船目标检测等领域的理论研究和工程应用都具有重要意义。本文未讨论电离层对OTHR信号幅度的调制，如何从时域、空域的角度综合考虑电离层中的电子浓度模型，利用电磁场和统计的理论方法，给出随时间、空间变化的HF信号衰减模型，有待深入研究。

[1] CROMBIE D. Doppler spectrum of sea echo at 13.5 MHz[J]., 1955, 175(4): 681-682. doi: 10.1038/175681a0.

[2] BARRICK D. First-order theory and analysis of MF/HF/ VHF scatter from the sea[J]., 1972, 20(1): 2-10. doi: 10.1109/TAP.1972. 1140123.

[3] BARRICK D. Remote sensing of sea state by radar[C]. IEEE International Conference on Engineering in the Ocean Environment, Rhode Island, USA, 1972: 186-192. doi: 10.1109/OCEANS.1972.1161190.

[4] HISAKI Y and TOKUDA M. “VHF and HF sea echo Doppler spectrum for a finite illuminated area”[J]., 2001, 36(3): 425-440. doi: 10.1029/2000RS002343.

[5] GILL E, HUANG W, and WALSH J. On the development of a second-order bistatic radar cross section of the ocean surface: Ahigh-frequency result for a finite scattering patch [J]., 2006, 31(4): 740-750. doi: 10.1109/JOE.2006.886228.

[6] WALSH J, ZHANG J, and GILL E. High-frequency radar cross section of the ocean surface for an FMCW waveform[J]., 2011, 36(4): 615-626. doi: 10.1109/JOE.2011.2161706.

[7] 刘玉鑫. 高频地波雷达海面风场反演研究[D]. [硕士论文], 哈尔滨工业大学, 2015: 7-20.

LIU Y X. Experimental research on the inversion of wind fields over the sea with HF radar[D].[Master dissertation], Harbin Institute of Technology, 2015: 7-20.

[8] 蔡文涵. 船载HFSWR海杂波截面积方程研究与仿真[D]. [硕士论文], 哈尔滨工业大学, 2015: 6-42.

CAI W H. A study and simulation of the sea clutter high-frequency radar cross sections for a moving platform[D].[Master dissertation], Harbin Institute of Technology, 2015: 6-42.

[9] 丁峰, 李吉宁, 杨龙泉, 等. 高频天/地波雷达海面风向、洋流反演试验研究[J]. 电波科学学报, 2016, 31(4): 755-759. doi: 10.13443/j.cjors.2015091001.

DING F, LI J N, YANG L Q,. The experimental research on remote the wind direct and radial current in HF hybrid sky-surface wave radar[J]., 2016, 31(4): 755-759. doi: 10.13443/j.cjors.2015091001.

[10] HOU C Y, KE G, and FU Y L. The sky-wave radar detection performance computing based on the dynamic ionospheric model[J]., 2015, 151, 1305-1315. doi: 10.1016 /j.neucom.2014.10.073.

[11] BILITZA D. International reference ionosphere 2000: Examples of improvements and new features[J]., 2003, 31(3): 757-767. doi: 10.1016/S0273- 1177(03)00020-6.

[12] 蔚娜, 柳文, 鲁转侠, 等. F1层未充分发展时的电离层剖面反演[J]. 地球物理学报, 2016: 59(3): 778-790. doi: 10.6038/ cjg20160302.

WEI N, LIU W, LU Z X,. The electron density profile inversion for incompletely developed case of F1layer[J]., 2016: 59(3): 778-790. doi: 10.6038/cjg20160302.

[13] 牛瑞朝, 郭承军, 张奕然. 顾及二阶项影响的电离层延迟模型研究[J]. 计算机工程, 2016: 42(1): 300-303. doi: 10.3969/ j.issn.1000-3428.2016.01.053.

NIU R C, GUO C J, and ZHANG Y R. Study of ionospheric delay model considering second-order effects[J]., 2016: 42(1): 300-303. doi: 10.3969/j.issn.1000- 3428.2016.01.053.

[14] BAKER D and LAMBERT S. Range estimation for SSL HFDF system by means of a multi-quasi parabolic ionosphere model[J].-,, 1989, 136(2): 120-125. doi: 10.1049/ip-h-2.1989. 0022.

[15] 冯静, 倪彬彬, 赵正予, 等. 利用高频天波返回散射反演电离层水平不均匀结构[J]. 地球物理学报, 2016, 59(9): 3135-3147. doi: 10.6038/cjg20160901.

FENG J, NI B B, ZHAO Z Y,. Reconstruction of horizontally-inhomogeneous ionospheric structure using HF skywave backscattering ionograms[J]., 2016, 59(9): 3135-3147. doi: 10.6038/ cjg20160901.

[16] 张佳智. 混合传播模式下目标定位修正方法研究[D]. [硕士论文], 哈尔滨工业大学, 2016: 8-18

ZHANG J Z. Research on target location correction methods under the mixes propagation mode[D]. [Master dissertation], Harbin Institute of Technology, 2016: 8-18.

[17] DYSON P and BENNETT J. A model of the vertical distribution of the electron concentration in the ionosphere and its application to oblique propagation studies[J].&, 1988, 50: 251-262. doi: 10.1016/0021-9169(88)90074-8.

[18] MARESCA J and BARNUM J. Theoretical limitation of the sea on the detection of low Doppler targets by over-the- horizon radar[J]., 1982, 30(5): 837-845. doi: 10.1109/TAP.1982. 1142910.

[19] 罗欢, 陈建文. 天波超视距雷达电离层相位污染典型校正方法综合性能评估[J]. 宇航学报, 2013, 34(2): 262-269. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2013.02.016.

LUO H and CHEN J W. Performance evaluation of ionospheric phase contamination correction approaches for over-the-horizon radar[J]., 2013, 34(2): 262-269. doi: 10.3873/j.issn.1000-1328.2013.02.016.

[20] 游伟, 何子述, 陈绪元, 等. 基于三次相位建模的天波雷达污染校正[J]. 电波科学学报, 2012, 27(5): 875-880. doi: 10.13443 /j.cjors.2015.05.016.

YOU W, HE Z S, CHEN X Y,Skywave radar decontamination based on the cubic phase model[J]., 2012, 27(5): 875-880. doi: 10.13443 /j.cjors.2015.05.016.

[21] 马宏伟. 高频雷达海杂波特性研究与仿真分析[D]. [硕士论文], 哈尔滨工业大学, 2011: 10-12.

MA H W. Research and simulation analysis for sea cluster character of high frequency radar[D]. [Master dissertation], Harbin Institute of Technology, 2011: 10-12.

关泽文： 男，1989年生，博士生，研究方向为天波超视距雷达信号处理研究.

陈建文： 男，1964年生，教授，博士生导师，从事天波超视距雷达信号处理、机载预警雷达信号处理、阵列信号处理等研究.

鲍 拯： 男，1977年生，博士，讲师，从事天波超视距雷达信号处理、阵列信号处理等研究.

Model Modifying and Characteristics Analyzing of OceanClutter in Skywave Over-the-horizon Radar

GUAN Zewen CHEN Jianwen BAO Zheng

(,430019,)

As modulated by the ionosphere, the classical High-Frequency (HF) model of ocean clutter can not describe the HF scatterings from sea surface approvingly in view of skywave Over-The-Horizon Radar (OTHR). In this paper, ocean current is taken into consideration based on the Walsh HF sea clutter model. An equivalent ionospheric reflecting screen model is established which can be resolved into several sub screens, based on which the ionospheric modulation on frequency is discussed. Incorporating with Walsh model, a normalized sea clutter model for skywave OTHR is presented. Using the presented model, the spectrums in different cases involving Doppler shift, spectrum broadening, splitting and multipath propagation are simulated, and comparing with the measured data, the model’s validity and robustness are verified.

Skywave Over-The-Horizon Radar (OTHR); Sea clutter model; Ionospheric sub reflecting screen; Equivalent ionospheric reflecting screen

TN958.93

A

1009-5896(2017)12-2881-08

10.11999/JEIT170224

2017-03-17；

2017-06-05；

2017-06-30

国家自然科学基金(61471391, 61072132)

通讯作者：关泽文 guanzewen2008@163.com

: The National Natural Science Foundation of China (61471391, 61072132)