楚曉亮, 張 杰, 紀(jì)永剛, 王祎鳴,于長(zhǎng)軍

(1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，山東 威海 264209)

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基于RD譜輪廓線的高頻地波雷達(dá)二階譜提取*

楚曉亮1,2, 張 杰1, 紀(jì)永剛1, 王祎鳴1,于長(zhǎng)軍3

(1.國(guó)家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.中國(guó)海洋大學(xué)，山東 青島 266100；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)，山東 威海 264209)

雷達(dá)回波譜中的噪聲和目標(biāo)回波會(huì)對(duì)二階譜的提取造成困難。基于地波雷達(dá)海面回波譜特性，提出了一種采用距離-多普勒譜(RD譜)輪廓線結(jié)合一階和二階譜特點(diǎn)的二階譜提取方法。此方法可以通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)二階譜的提取，有利于大批數(shù)據(jù)的分析和工程化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理。利用該方法對(duì)典型實(shí)測(cè)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析。結(jié)果表明，RD譜輪廓線能夠反映一階譜和二階譜的特征，并且不易受噪聲和目標(biāo)的影響；從RD譜輪廓線獲得的二階譜分界點(diǎn)，可以為一維多普勒回波譜中的二階譜提取提供參考，能夠較好地避免由于目標(biāo)和噪聲的影響而導(dǎo)致的二階譜邊界誤判問題，準(zhǔn)確地分離二階譜。

高頻地波雷達(dá)(HFSWR)；RD譜； 海態(tài)；二階譜

高頻超視距雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)海上船只和低空飛機(jī)等目標(biāo)的超視距探測(cè)及海洋動(dòng)力過程的連續(xù)觀測(cè)，具有觀測(cè)距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大、工作全天候等優(yōu)點(diǎn)。高頻地波雷達(dá)的回波譜中含有豐富的海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)信息，因此可以從回波譜中提取海面流場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)和海浪譜等信息，這為海洋動(dòng)力學(xué)環(huán)境探測(cè)提供了新的手段。20世紀(jì)70年代Barrick等[1-3]提出了高頻地波雷達(dá)一階和二階散射截面方程，為高頻地波雷達(dá)海態(tài)反演提供了理論基礎(chǔ)，由此人們開展了大量的海態(tài)信息提取工作[4-11]。由于海態(tài)信息主要包含在高頻地波雷達(dá)多普勒回波譜中的一階譜和二階譜中，故利用回波譜反演海態(tài)信息時(shí)，需先從回波譜中分離出一階譜和二階譜。目前，從雷達(dá)回波多普勒連續(xù)譜中提取一階譜用于流場(chǎng)的反演，已有相關(guān)的研究[12-13]。而風(fēng)浪等海態(tài)信息主要包含在高頻地波雷達(dá)回波譜的二階譜中，人們通常對(duì)二階譜進(jìn)行提取并分析處理來獲得風(fēng)速、有效波高和海浪譜[4-11]。相對(duì)于一階譜，二階譜的信噪比較低，并且展寬明顯，易受目標(biāo)信號(hào)的影響。尤其是實(shí)測(cè)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中的噪聲和目標(biāo)信號(hào)會(huì)影響二階譜范圍的確定，從而影響風(fēng)速、有效波高等海態(tài)信息的反演結(jié)果。因而，如何有效地從回波譜中分離出二階譜顯得尤為重要。通常情況下，通過目視解譯結(jié)合經(jīng)驗(yàn)等人工方法可以從回波譜中分離出二階譜，但這種方法不利于大批數(shù)據(jù)的分析和工程化系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理，因此需要建立從回波譜中提取二階譜的程序化方法。本文基于地波雷達(dá)的海洋回波譜特性，提出了采用距離-多普勒譜(Range Doppler Spectrum， RD譜)輪廓線結(jié)合一階和二階譜特點(diǎn)提取二階譜的方法，利用此方法針對(duì)典型的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了二階譜的提取,以期避免目標(biāo)回波對(duì)二階譜提取的影響，從而通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)二階譜的準(zhǔn)確提取。

1 高頻地波雷達(dá)回波譜分析

高頻地波雷達(dá)回波譜中的一階譜是由海浪與雷達(dá)電磁波發(fā)生布拉格散射后回波信號(hào)相互累加而產(chǎn)生的，在回波譜中占主導(dǎo)地位。在無海流的情況下，一階譜表現(xiàn)為頻率上的沖激函數(shù)，但在實(shí)際中由于雷達(dá)散射區(qū)域內(nèi)變化的海流導(dǎo)致一階譜展寬。

Barrick模型用2個(gè)沖擊函數(shù)表示返回的一階譜[1]，其散射截面方程可表示為

(1)

根據(jù)電磁波海面的作用理論，在無海流的情況下，一階譜的譜峰位于±ωB處，而ωB與k0之間滿足深水色散關(guān)系：

(2)

式中，g為重力加速度。若存在海流時(shí)，可根據(jù)一階峰偏移±ωB的大小來求出海流的流速。

高頻無線電波與海浪還存在高階作用，Barrick[2]將無海流情況下的二階散射截面用一個(gè)方程表示為

(3)

圖1 頻率為13.02 MHz的地波雷達(dá)的一維多普勒譜

不同距離單元處的一維多普勒譜構(gòu)成了二維RD譜，圖2給出了頻率為13.02 MHz的地波雷達(dá)的實(shí)測(cè)RD譜圖。從圖中看出，RD譜圖中出現(xiàn)明顯的一階譜和二階譜特征，并且一階和二階譜隨距離分布趨勢(shì)與回波功率分布趨勢(shì)相似。因此，如對(duì)RD譜進(jìn)行邊緣檢測(cè)，勾勒出RD譜中的一階、二階多普勒的輪廓，就能確定二階譜大概位置?；谶@一思路，可先提取RD譜中的一階譜和二階譜的輪廓線，確定一階譜和二階譜大致的范圍，然后再精確確定二階譜邊界。

圖2 頻率為13.02 MHz的雷達(dá)RD譜及其輪廓線

2 二階譜提取的方法

二階譜的提取流程如圖3所示。首先選取RD譜，利用參考單元的噪聲估計(jì)值作為門限，可以得到RD譜的二值化圖像。在只含有“0”和“1”的二值圖像中，值全為“1”的像素點(diǎn)將相互連接在一起成為一個(gè)連通域，提取這個(gè)連通區(qū)域的輪廓，就可以得到圖像的輪廓曲線，如圖2所示。從圖2中可以看出，輪廓線的趨勢(shì)、峰值基本能夠反映出RD譜一階譜和二階譜的特征，即輪廓線起伏趨勢(shì)實(shí)際上也具備了多普勒回波譜的特征。接著對(duì)輪廓線進(jìn)行勻滑，以防止由噪聲等造成的抖動(dòng)而加大尋找邊界難度。再結(jié)合二階譜的特征，通過搜索判斷獲得輪廓線中二階譜的分界點(diǎn)。

圖3 二階譜提取流程

搜索輪廓線中的二階譜分界點(diǎn)是相對(duì)比較關(guān)鍵的操作，因?yàn)橛纱丝纱_定二階譜的大致范圍，為后續(xù)的一維多普勒譜中的二階譜分界點(diǎn)搜索提供依據(jù)。具體操作步驟：1)確定左右一階譜峰的大致位置。2)選擇二階譜的大致范圍。考慮到能夠滿足反演海浪譜需要的二階譜區(qū)域通常為0.6ωB<|ω|<0.9ωB和1.1ωB<|ω|<1.4ωB[9]，在實(shí)際中選擇二階譜范圍的時(shí)候可以在此基礎(chǔ)上稍微擴(kuò)大一些，同時(shí)也要考慮到海流引起的多普勒譜的頻移。3)在選擇的二階譜范圍內(nèi)搜索極值點(diǎn)，即搜索此范圍內(nèi)的所有極大值與極小值點(diǎn)，如果存在則進(jìn)行下一步，如果不存在則說明無二階譜的存在。4)結(jié)合二階譜的特點(diǎn)，分別搜索左右一階峰兩側(cè)極值點(diǎn)的匹配點(diǎn)。5)在匹配的極值點(diǎn)中獲得一階峰兩側(cè)極小值匹配點(diǎn)。6)計(jì)算同側(cè)極小值包含區(qū)域的信噪比。7)判斷信噪比是否大于閾值，如果“是”則此極小值即為二階譜分界點(diǎn)，如果“否”則認(rèn)為多普勒譜中沒有可用于反演的二階譜。為了獲得較高的海浪譜反演精度，信噪比閾值可以選擇為15 dB[16]，通常情況下信噪比閾值可選為5 dB[17]。通過以上操作就可以獲得輪廓線的二階譜分界點(diǎn)。

將得到的輪廓線的二階譜分界點(diǎn)作為參考值，搜索某一距離元處的一維多普勒譜的二階譜分界點(diǎn)，其步驟與上述過程類似。搜索過程中若有噪聲或目標(biāo)回波的干擾，輪廓線的二階譜分界點(diǎn)就成為重要的判斷標(biāo)準(zhǔn)，確保準(zhǔn)確地確定一維多普勒譜中的二階譜范圍。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

利用二階譜提取方法對(duì)圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，在獲得譜輪廓線后，對(duì)其進(jìn)行勻滑峰并確定峰值點(diǎn)和邊界點(diǎn)。正一階峰兩側(cè)的二階譜的邊界點(diǎn)和峰值點(diǎn)用星號(hào)表示，結(jié)果如圖4所示。其中，4個(gè)邊界點(diǎn)的坐標(biāo)分別是0.646 2，0.861 6，1.358 6和1.706 5。結(jié)合圖2可以看出，獲得的二階譜輪廓線的分界點(diǎn)能夠反映二階譜在RD譜上存在的大致范圍。對(duì)于某一距離上的多普勒譜，可按照上述步驟搜索二階譜的分界點(diǎn)，搜索過程中受噪聲等因素的影響會(huì)比較大，但以輪廓線的分界點(diǎn)為參考，可以大大降低這種影響，并可準(zhǔn)確地獲得二階譜的分界點(diǎn)，從而提取出二階譜。圖5給出的是圖2中第15個(gè)距離單元處的一維多普勒譜，以圖4中獲得的二階譜輪廓線的邊界點(diǎn)為參考，對(duì)一維多普勒譜進(jìn)行搜索就可以比較容易地確定二階譜范圍，如圖5中灰色區(qū)域，其二階譜4個(gè)邊界點(diǎn)的歸一化多譜勒頻率分別為0.646 2，0.886 4，1.358 6和1.690 0，這與輪廓線的二階譜分界點(diǎn)歸一化多普勒頻率略有差異。

圖4 輪廓線二階譜特征點(diǎn)的提取

圖5 一維多普勒譜中二階譜的提取

在實(shí)際探測(cè)中，船只等目標(biāo)會(huì)在雷達(dá)多普勒回波譜中產(chǎn)生較強(qiáng)的回波，這會(huì)對(duì)二階譜的提取造成干擾，計(jì)算機(jī)在自動(dòng)提取二階譜邊界時(shí)容易產(chǎn)生誤判，利用本文的方法能夠最大限度地排除這種干擾，準(zhǔn)確地提取二階譜。為了說明本文方法的有效性，我們給出了工作頻率為11.07 MHz的地波雷達(dá)實(shí)測(cè)RD譜作為個(gè)例，如圖6a所示，圖中的二階譜較圖2來說相對(duì)較弱，而RD譜中的目標(biāo)較為明顯。利用本文方法對(duì)含有目標(biāo)的多普勒譜進(jìn)行二階譜分離，首先對(duì)RD譜進(jìn)行譜包絡(luò)線的提取，提取結(jié)果如圖6b所示，可以看出目標(biāo)對(duì)輪廓線基本上沒有影響。進(jìn)而可以獲得二階譜輪廓線的邊界坐標(biāo)。選取RD譜上第16距離單元格和12距離單元格的一維多普勒譜，分別含有目標(biāo)1和目標(biāo)2的信號(hào)，如圖7和圖8所示。圖7中，目標(biāo)1靠近右側(cè)一階峰，并且幅度較大，這通過曲線平滑是消除不掉的。另外，目標(biāo)1和其他目標(biāo)相對(duì)于右側(cè)一階峰近似對(duì)稱，若直接對(duì)一維多普勒譜來提取二階譜，會(huì)因受目標(biāo)回波的影響，易將目標(biāo)誤當(dāng)成二階譜，使二階譜的邊界點(diǎn)出現(xiàn)誤判，從而不能正確地提取二階譜。而輪廓線則不受目標(biāo)的影響，所以借助于譜輪廓線中的二階譜邊界點(diǎn)，可以正確分離一維多普勒譜中二階譜的區(qū)域，如圖7中的灰色區(qū)域。由圖8可知，右側(cè)一階峰旁的二階峰出現(xiàn)明顯分裂。結(jié)合圖6的RD譜及上述分析，出現(xiàn)譜峰分裂是由于目標(biāo)2的信號(hào)疊加到了二階譜上，從而對(duì)二階譜的提取造成影響，即在提取過程中有可能把2個(gè)峰值間的波谷誤認(rèn)為是二階譜的分界點(diǎn)，或把左側(cè)稍高的峰當(dāng)作二階譜的峰值。采用本文方法，輪廓線得到的二階譜峰值歸一化頻率為1.475，而圖8中二階譜中左側(cè)峰值(目標(biāo)2峰值)歸一化頻率為1.34，二者相差較大，很容易將此峰值排除，從而獲得二階譜范圍，如圖中灰色區(qū)域。若要對(duì)二階譜中的目標(biāo)進(jìn)行消除，可以考慮利用CFAR檢測(cè)方法檢測(cè)出目標(biāo)后[18]，將目標(biāo)所占的單元格用周邊無目標(biāo)的單元格的均值代替，消除目標(biāo)對(duì)海雜波的影響。也可以借鑒海雜波循環(huán)對(duì)消方法[19]，將目標(biāo)消除，這樣就可以將二階譜提取出來，如圖9所示。為了進(jìn)一步通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證本文方法，我們給出了工作頻率為13.02 MHz的雷達(dá)回波譜的二階譜提取結(jié)果(圖10)，所采用的數(shù)據(jù)與圖2相比，除雷達(dá)頻率相同外，實(shí)際海況條件和時(shí)間都不相同。結(jié)果顯示，本文方法依然可以對(duì)二階譜進(jìn)行正確的提取。

圖6 頻率為11.07 MHz的雷達(dá)RD譜

圖8 第12距離單元的多普勒譜圖

圖9 第12距離單元的二階譜提取

圖10 頻率為13.02 MHz的雷達(dá)回波譜的二階譜提取

4 結(jié) 語

利用高頻雷達(dá)數(shù)據(jù)反演風(fēng)速、有效波高等海態(tài)信息時(shí)，需要從雷達(dá)回波譜中提取二階回波譜。本文基于地波雷達(dá)的海洋回波譜特性，提出了采用RD譜輪廓線結(jié)合一階和二階譜特點(diǎn)的二階譜提取方法，此方法可以通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)二階譜的提取，有利于大批數(shù)據(jù)的分析和工程化的系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理。為了驗(yàn)證該方法的性能，本文選取了典型實(shí)測(cè)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果來看，本文所提出的方法可避免噪聲和目標(biāo)對(duì)二階譜提取的影響，能夠準(zhǔn)確地分離二階譜，具有一定的實(shí)用性。由于本文所采用驗(yàn)證的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較有限，對(duì)本文的方法還需要選取不同實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)、不同海況條件的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行驗(yàn)證和完善，以進(jìn)一步提高其可靠性。

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Received: August 14, 2014

The Second Order Spectrum Extraction From High Frequency Ground Radar Sea Echoes Based on the Outline of the RD Spectrum

CHU Xiao-liang1,2, ZHANG Jie1, JI Yong-gang1, WANG Yi-ming1, YU Chang-jun3

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061，China;2.OceanUniversityofChina, Qingdao 266100, China; 3.HarbinInstituteofTechnology，Weihai， Weihai 264209,China)

The noise and the target echo signal existing in the Hgh Frequency Surface Wave Radar (HFSWR) echoes can cause trouble for extraction of second order spectrum. According to the characters of the HFSWR echoes, a method exploring the outline information of the Range Doppler (RD) spectrum in combination with the features of the first and second spectrum is presented in this paper. The method can be implemented to extract the second order spectrum by computer, which is conducive to amounts of data analysis and the real time processing data by engineering system. This method is applied to the typical radar data processing and analysis, and the results show that the features of the first and second spectrum can be reflected by the outline of RD spectrum which is not influenced by noise and target echo. Based on the second spectrum boundary points obtained from the outline, the issue of boundary error judgment due to the influence of the noise and the target echo can be avoided, when the second spectrum is extracted from the one dimensional Doppler spectrum echo.

High-Frequency Surface Wave Radar(HFSWR); Range Doppler Spectrum; sea state; second order spectrum

2014-08-14

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目——高頻天波/地波集成技術(shù)非協(xié)作目標(biāo)信息獲取與處理(61032011)；中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目——天地波集成體制超視距雷達(dá)海浪反演研究(2013M531559)

楚曉亮(1977-)，男，山東平度人，講師，博士，主要從事高頻地波雷達(dá)及X波段導(dǎo)航雷達(dá)海態(tài)反演方面研究.E-mail：xlchu@ouc.edu.cn

(王 燕 編輯)

TN958

A

1671-6647(2016)01-0114-07

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.011