余陳鋼，陳志堅(jiān)

(南京電子技術(shù)研究所，　南京 210039)

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基于原始頻譜的天波超視距雷達(dá)回波特性分析方法

余陳鋼，陳志堅(jiān)

(南京電子技術(shù)研究所，南京 210039)

摘要：天波超視距雷達(dá)工作環(huán)境復(fù)雜，受外部干擾和雜波的影響較大，使得超視距雷達(dá)目標(biāo)回波特性十分復(fù)雜。為了對(duì)目標(biāo)進(jìn)行判別和有效跟蹤，就必須分析掌握雷達(dá)各種回波和目標(biāo)特性。文中設(shè)計(jì)了一種基于雷達(dá)原始頻譜的回波特性分析方法，該方法以原始頻譜為基礎(chǔ)，將回波點(diǎn)跡及跟蹤航跡數(shù)據(jù)與頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行同步對(duì)比分析，同時(shí)對(duì)頻譜信息進(jìn)行噪聲基底、雜波展寬、覆蓋率等統(tǒng)計(jì)評(píng)估，有效地分析超視距雷達(dá)回波特性以及對(duì)目標(biāo)跟蹤進(jìn)行有效地分析和驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：超視距雷達(dá)；回波特性；覆蓋率；原始頻譜

0引言

天波超視距雷達(dá)(OTHR)是我國(guó)一種新型體制的雷達(dá)，通過(guò)電離層折射來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)。與常規(guī)雷達(dá)相比，天波超視距雷達(dá)具有其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。一方面天波超視距雷達(dá)探測(cè)距離遠(yuǎn)，覆蓋區(qū)域廣，可探測(cè)800～3 500 km范圍視距外的飛機(jī)、艦船和導(dǎo)彈目標(biāo)；另一方面作為遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)，它可以發(fā)現(xiàn)常規(guī)微波雷達(dá)難以發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，例如低空、超低空目標(biāo)、隱形飛機(jī)等，同時(shí)還可應(yīng)用于核爆炸監(jiān)測(cè)、海洋及高空電離層環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)[1-3]。

但是與常規(guī)視距雷達(dá)不同，天波超視距雷達(dá)的工作環(huán)境復(fù)雜，容易受到電離層條件、外界噪聲和雜波干擾等因素影響[4-7]。天波超視距雷達(dá)的傳輸媒質(zhì)電離層具有周期性、時(shí)變性和非平穩(wěn)性，在工作過(guò)程中電離層會(huì)對(duì)目標(biāo)探測(cè)帶來(lái)許多不利影響。例如，電離層時(shí)變性會(huì)引起目標(biāo)多普勒的漂移與擴(kuò)展，電離層多模會(huì)引起多徑效應(yīng)等。這些探測(cè)環(huán)境導(dǎo)致的不穩(wěn)定性給天波雷達(dá)的回波特性分析帶來(lái)很大的困難。

常規(guī)雷達(dá)一般探測(cè)環(huán)境狀態(tài)穩(wěn)定，回波信號(hào)也相

對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)跡的位置和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，較容易判別目標(biāo)信號(hào)或雜波干擾信號(hào)[8]。超視距雷達(dá)由于受電離層的狀態(tài)影響，回波信號(hào)起伏較大。而且由于寬波束的連續(xù)波經(jīng)電離層折射，目標(biāo)信號(hào)在距離、方位、多普勒頻率上均展寬嚴(yán)重。如果像常規(guī)雷達(dá)一樣利用目標(biāo)回波點(diǎn)跡來(lái)分析目標(biāo)特性，很難直觀了解天波超視距雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)特性和運(yùn)動(dòng)特征。

本文描述了一種基于頻譜的超視距雷達(dá)信號(hào)特性分析方法，以超視距雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)回波的原始頻譜信息為基礎(chǔ)，結(jié)合目標(biāo)回波點(diǎn)跡、跟蹤航跡等信息綜合分析超視距雷達(dá)回波信號(hào)特性。只有充分認(rèn)識(shí)了目標(biāo)特性和運(yùn)動(dòng)特征，才能有效研制相應(yīng)的跟蹤處理算法，提高目標(biāo)跟蹤性能。按照此方法將頻譜、原始點(diǎn)跡以及航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行同步對(duì)比，同時(shí)進(jìn)行雜波基底、雜噪比、覆蓋率等指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析以及各項(xiàng)信息的綜合分析，從時(shí)域、頻域、空域不同角度掌握目標(biāo)信號(hào)特性和運(yùn)動(dòng)特征[9-10]，對(duì)目標(biāo)跟蹤處理提供有力支撐。

1方法介紹

1.1技術(shù)特點(diǎn)

首先是對(duì)超視距雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)回波的原始頻譜信息進(jìn)行顯示和分析，然后在此基礎(chǔ)上將目標(biāo)回波點(diǎn)跡

以及目標(biāo)航跡等信息進(jìn)行疊加，進(jìn)行對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析，分別以全景和空間單元形式分析目標(biāo)回波特性，從時(shí)域、頻域、空域直觀有效的分析和掌握回波信號(hào)特性以及目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征。分析流程如圖1所示。

圖1　分析流程圖

1.2分析過(guò)程

1.2.1從原始頻譜信息對(duì)噪聲基底、雜噪比、覆蓋率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)原始頻譜信息按照“距離、方位、多普勒頻移、幅度強(qiáng)弱”等多維信息顯示，另外連續(xù)多幀滑窗顯示分析，實(shí)現(xiàn)時(shí)域、頻域、空域的頻譜顯示；并對(duì)噪聲基底、雜噪比、覆蓋率等指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，直觀掌握和評(píng)估雷達(dá)回波信號(hào)的質(zhì)量。

1)頻譜信息顯示

原始頻譜信息包括距離、方位、多普勒濾波器號(hào)、幅度信息。假設(shè)距離單元數(shù)RN，方位通道數(shù)AN，多普勒濾波器號(hào)最大值(即相干積累點(diǎn)數(shù))為CN，信號(hào)幅度為U。

則空間單元數(shù)為

CellN=RN×AN×CN

(1)

幅度值進(jìn)行歸一化

U′=lg(U/107)×20+50

(2)

對(duì)歸一化等預(yù)處理后的頻譜數(shù)據(jù)按照距離、方位、多普勒濾波器號(hào)、幅度等多維信息，將頻譜按空間分布及幅度顏色等信息進(jìn)行顯示。

2)噪聲基底統(tǒng)計(jì)

先刨除±XHz內(nèi)的雜波區(qū)內(nèi)M個(gè)單元，統(tǒng)計(jì)剩余所有空間單元內(nèi)的噪聲平均值。X為雜波區(qū)統(tǒng)計(jì)門(mén)限。

每個(gè)方位子波束噪聲基底Nk(k=1,2,…,AN)為

(3)

噪聲基底統(tǒng)計(jì)值Ns為

(4)

3)覆蓋率統(tǒng)計(jì)

假設(shè)第j方位通道±XHz內(nèi)RN個(gè)距離單元中滿足覆蓋率門(mén)限的距離單元數(shù)有Rj個(gè)，則第j方位通道的距離覆蓋率為

(5)

覆蓋率均值Cova為

(6)

4)雜噪比統(tǒng)計(jì)

參與統(tǒng)計(jì)的距離范圍設(shè)定為探測(cè)波位距離覆蓋范圍。計(jì)算同一方位波束、所有滿足距離范圍距離單元內(nèi)±AHz內(nèi)的雜波極大值與±BHz外范圍噪聲基底均值之差超過(guò)覆蓋率統(tǒng)計(jì)門(mén)限。A、B均為某設(shè)定門(mén)限。

統(tǒng)計(jì)同一距離單元±AHz內(nèi)的雜波極大值X；

計(jì)算同一距離單元±BHz外的噪聲基底均值Y。

統(tǒng)計(jì)滿足(X-Y)≥M1 (M1統(tǒng)計(jì)門(mén)限值 )條件的所有距離單元的雜噪比均值為

(7)

雜噪比統(tǒng)計(jì)值CNRs為

(8)

1.2.2對(duì)回波信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度、信號(hào)類(lèi)型等特性進(jìn)行分析

1) 信號(hào)強(qiáng)度

通過(guò)噪聲基底、覆蓋率、雜噪比的統(tǒng)計(jì)信息以及回波信號(hào)的分布可以判斷回波信號(hào)的強(qiáng)弱，進(jìn)而判斷當(dāng)前波位選頻的優(yōu)劣。

2) 目標(biāo)信號(hào)

根據(jù)信號(hào)的測(cè)量距離、方位、多普勒、目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)弱、信號(hào)分布形狀等判別真實(shí)目標(biāo)信號(hào)，如圖2所示；根據(jù)某目標(biāo)隨時(shí)間在多普勒域的突變，判斷目標(biāo)的加速特性；而且可判斷目標(biāo)多模多徑現(xiàn)象，如圖3所示，三個(gè)點(diǎn)跡群實(shí)際上是一個(gè)目標(biāo)因不同電離層折射產(chǎn)生的不同路徑的回波信號(hào)；當(dāng)出現(xiàn)多徑現(xiàn)象時(shí)，可以結(jié)合電離層數(shù)據(jù)分析當(dāng)前目標(biāo)位置上空電離層的狀態(tài)，包括層數(shù)、各層相對(duì)強(qiáng)度等。

3) 電源雜散信號(hào)

以零頻為中心對(duì)稱的信號(hào)，且在固定位置產(chǎn)生，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)特征，經(jīng)分析判斷為電源雜散信號(hào)，不是真實(shí)目標(biāo)，如圖4所示。

圖2　目標(biāo)信號(hào)特征圖

圖3　目標(biāo)多徑特征圖

圖4　電源雜散特征圖

4) 風(fēng)車(chē)、風(fēng)場(chǎng)信號(hào)

在某個(gè)距離段出現(xiàn)的成鋸齒狀的帶狀信號(hào)，且在固定位置產(chǎn)生，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)特征，經(jīng)分析為遠(yuǎn)端風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的回波信號(hào)，如圖5所示。

圖5　風(fēng)車(chē)風(fēng)場(chǎng)特征圖

5) 其他信號(hào)特性

其他信號(hào)包括島嶼產(chǎn)生的海面區(qū)域強(qiáng)地雜波信號(hào)等。

1.2.3將錄取點(diǎn)跡與頻譜進(jìn)行對(duì)比分析

將目標(biāo)錄取獲取的回波點(diǎn)跡與頻譜信息疊加顯示，如圖6所示，分析目標(biāo)點(diǎn)跡特性。

圖6　頻譜、點(diǎn)跡同步圖

1)分析判斷信號(hào)處理目標(biāo)檢測(cè)的正確性，分析具有典型目標(biāo)特征的信息是否漏檢；

2)干擾信息是否被抗干擾過(guò)程處理掉，是否被當(dāng)作目標(biāo)檢測(cè)出；

3)通過(guò)觀察相鄰周期的多幀信息，分析目標(biāo)信號(hào)是否被穩(wěn)定檢測(cè)到，目標(biāo)信號(hào)是否穩(wěn)定。

1.2.4將航跡信息、頻譜以及點(diǎn)跡同步進(jìn)行對(duì)比，分析目標(biāo)的跟蹤效果

從航跡起始前到航跡終止連續(xù)多幀數(shù)據(jù)按照時(shí)序先后全程分析某條航跡的跟蹤過(guò)程，如圖7所示。

圖7　頻譜/點(diǎn)跡/航跡同步圖

主要可以從以下7個(gè)方面進(jìn)行分析：

1)目標(biāo)回波信號(hào)何時(shí)出現(xiàn)并檢測(cè)到目標(biāo)點(diǎn)跡；

2)目標(biāo)何時(shí)建批；

3)目標(biāo)跟蹤過(guò)程是否穩(wěn)定、連續(xù)，跟蹤過(guò)程中是否有丟幀；

4)目標(biāo)是否具有多徑特征，跟蹤過(guò)程中是否進(jìn)行過(guò)傳播模式的切換；

5)目標(biāo)具有多徑特征時(shí)，數(shù)據(jù)處理模式匹配是否正確，是否有效消除多模多徑航跡；

6)目標(biāo)是否具有多普勒速度模糊的特征，航跡解模糊處理是否正確；

7)目標(biāo)何時(shí)終結(jié)，是因目標(biāo)信號(hào)丟失而正常終結(jié)還是因干擾誤關(guān)聯(lián)或其他原因?qū)е聛G批等等。

2結(jié)束語(yǔ)

以原始頻譜信息為基礎(chǔ)，結(jié)合目標(biāo)回波點(diǎn)跡、跟蹤航跡、電離層環(huán)境信息等信息綜合分析超視距雷達(dá)回波特性的方法具有以下特點(diǎn)：

1) 通過(guò)從原始頻譜信息對(duì)信號(hào)強(qiáng)度、噪聲基底、雜噪比、雜波寬度、覆蓋率等特征參量的統(tǒng)計(jì)提取，評(píng)估雷達(dá)回波信號(hào)質(zhì)量；

2) 通過(guò)信號(hào)特性分析，經(jīng)過(guò)積累，掌握各種目標(biāo)、干擾、雜波等信號(hào)的特性，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征；

3) 通過(guò)回波點(diǎn)跡與頻譜信息對(duì)比分析目標(biāo)信號(hào)的穩(wěn)定狀態(tài)、加速特性、電離層模式等；

4) 通過(guò)航跡與頻譜信息的對(duì)比分析，直觀了解目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，包括航跡起始、維持、終結(jié)、丟點(diǎn)、多普勒模糊特性、電離層模式匹配狀態(tài)等。

采用本方法能有效的對(duì)原始頻譜數(shù)據(jù)、原始回波點(diǎn)跡數(shù)據(jù)、跟蹤航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的對(duì)比分析，直觀地從時(shí)域、頻域、空域上把握目標(biāo)的信息和特征，對(duì)更清楚地認(rèn)識(shí)天波超視距雷達(dá)的回波特性、目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特征以及針對(duì)不同特征目標(biāo)改進(jìn)完善跟蹤算法都具有很大的幫助。該方法在天波超視距雷達(dá)大量的回波特性分析、跟蹤算法驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)揮極其重要的作用，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)分析的人力和時(shí)間，提高了分析和驗(yàn)證效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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余陳鋼男，1975年生，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)處理。

陳志堅(jiān)男，1963年生，碩士,研究員。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)軟件及數(shù)據(jù)處理。

王文濤男，1989年生，碩士研究生。研究方向?yàn)槔走_(dá)抗主瓣干擾技術(shù)。

周青松男，1982年生，講師，博士。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、陣列信號(hào)處理。

劉興華男，1993年生，碩士研究生。研究方向?yàn)榭臻g信息處理。

李磊男，1976年生，講師，碩士。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

A Method of Analyzing the Echo Characteristic of OTHR

Based on the Original Spectrum

YU Chengang，CHEN Zhijian

(Nanjing Research Institute of Electronics Technology,Nanjing 210039, China)

Abstract：The work environment of the sky-wave over-the-horizon radar (OTHR) is complex, so the echo characteristic is also very complex. In order to distinguish the targets and track them effectively, it's the first to hold the target characteristic. So a valid method of analyzing the echo characteristic of the OTHR based on the original spectrum is proposed, and it can analyze the plot data, track data and the spectrum data synchronously, evaluate the fundus of the noise, the width of the clutter, and the covering rate. Thereby, we can hold the echo characteristic of OTHR effectively and validate the tracking process.

Key words：OTHR; echo characteristic; covering rate; original spectrum

DOI：·信號(hào)/數(shù)據(jù)處理· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2015.12.010

收稿日期：2015-07-22

修訂日期：2015-09-20

通信作者：余陳鋼Email：janehoe@126.com

中圖分類(lèi)號(hào)：TN958.95

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2015)12-0045-04