羅歡 肖卉

1) (中國人民解放軍空軍95519部隊,遵義 563000)

2) (空軍預(yù)警學(xué)院空天預(yù)警裝備系,武漢 430019)

高頻天波探測設(shè)備在執(zhí)行早期預(yù)警和海態(tài)遙感等任務(wù)時必須依靠電離層作為傳播媒質(zhì),而電離層具有時變、不穩(wěn)定的特性,會改變經(jīng)過它傳播的高頻電磁波的特征,導(dǎo)致回波頻譜展寬,嚴(yán)重影響了對目標(biāo)的探測和海態(tài)參數(shù)的反演.從色散效應(yīng)、相位污染和多模傳播等方面詳細分析了回波譜展寬的原因和機理,利用多層準(zhǔn)拋物線電離層模型討論了避免多模傳播的選頻措施.針對在實際中較難解決的相位污染問題,提出了一種不用估計回波瞬時頻率的污染校正方法.該方法利用了信號子空間與信號導(dǎo)頻矢量張成空間的一致性原理,能夠較準(zhǔn)確地估計出相位污染項,實測數(shù)據(jù)處理表明新方法能夠使展寬的回波譜得到有效銳化.

1 引 言

高頻天波探測設(shè)備依靠電離層對電磁波的反射和折射作用,可對視距外數(shù)千公里的廣袤范圍進行監(jiān)控和探測,在軍事領(lǐng)域可對威脅目標(biāo)實現(xiàn)早期預(yù)警[1,2],在民用領(lǐng)域可進行海態(tài)遙感,實時監(jiān)測海洋表面風(fēng)速、風(fēng)向和浪高等[3].電離層是高頻天波設(shè)備必不可少的傳播信道,其特性對探測設(shè)備的性能有很大影響.電離層是時變、不穩(wěn)定的,當(dāng)高頻電磁波經(jīng)過電離層時,電離層色散效應(yīng)會破壞不同時刻電磁波之間的相位相關(guān)性,使得電磁波的相位發(fā)生隨機變化,導(dǎo)致回波譜展寬.電離層的高度范圍為60 km至幾千公里,具有分層的結(jié)構(gòu)特性,從下往上一般分為E層、F1層和F2層[4,5],且每層的物理結(jié)構(gòu)特性均不相同.多層的電離層結(jié)構(gòu)是高頻電波發(fā)生多模傳播的直接原因,一旦出現(xiàn)多模傳播現(xiàn)象,處于不同地面距離的目標(biāo)或者雜波將會在同一時刻進入接收機,經(jīng)過脈沖壓縮和匹配濾波處理后,它們會出現(xiàn)在同一距離單元內(nèi),引起頻譜展寬,造成測量誤差或者目標(biāo)誤判.

造成高頻回波譜展寬的另一重要原因是電離層相位污染.時變的電離層會對電磁波的相位進行調(diào)制,降低了相位之間的相關(guān)性,從而引起回波譜展寬.通過選擇相對穩(wěn)定的電離層信道可以在一定程度上減少相位污染,但要較徹底地去除相位污染,還需要在信號接收端對回波進行校正.目前,校正相位污染的主要思想是： 先提取標(biāo)校信號,估計出瞬時頻率后,再構(gòu)造相位補償分量對回波進行校正.主要方法有： 1)相位梯度(PGA)法[6];2)最大熵譜估計(MESA)法[7];3)多項式擬合法[8].這些方法要求相位污染緩慢變化,當(dāng)其變化過快或者幅度過大時,性能將下降.時頻分析工具[9]和最大似然估計[10]也被應(yīng)用于相位調(diào)制校正領(lǐng)域,時頻級聯(lián)法[11]不需要提取標(biāo)校信號,直接可獲得回波的瞬時頻率,可應(yīng)對大幅度的相位污染,但是缺點是污染去除不夠徹底,需要與其他方法進行級聯(lián).

本文從物理機理上詳細分析了電離層色散效應(yīng)、相位污染和多模傳播等造成高頻回波譜展寬的原因,針對現(xiàn)有相位污染校正方法存在的問題提出了一種不需要估計回波瞬時頻率的新方法,該方法能夠較徹底地去除相位污染,達到銳化頻譜的目的.

2 高頻天波回波譜展寬的機理分析

2.1 基于多層準(zhǔn)拋物線的電離層模型

為從理論上研究天波回波譜的展寬機理,需要用到電磁波的空間斜距、地面距離和射線群路徑等參數(shù)信息,這些參數(shù)需要建立一個合理的電離層模型進行確定.目前,多層準(zhǔn)拋物線(multi?quasi?parabolic,MQP)模型和國際參考電離層(inter?national reference ionosphere,IRI)模型[12,13]是描述電離層電子濃度剖面的主要模型,但IRI依賴大量的歷史數(shù)據(jù)[2],而MQP模型計算量小且對電離層分層結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的模擬效果,被大量應(yīng)用于高頻射線傳播中[2,14].根據(jù)MQP模型,單層電離層的電子濃度表示為[14]

其中,Ne(r) 代表電子濃度;r為該層電離層的高度;Nm是單層電離層的電子濃度最大值;qm是層厚度;r0是地球半徑,地心到電離層的距離為rm,若電離層與地面相距hm,則滿足rm=hm+r0;rb是電離層底部與地心的距離,滿足rb=rm-qm.

電磁波經(jīng)過不同高度的電離層傳播時,其對應(yīng)的地面距離D、射線群路徑G均不相同.由(1)式可得D和G的解析式[15]：

以上給出了電離層模型及天波傳播的地面距離和射線群路徑解析計算式,利用它們可以分析天波回波譜展寬的原因.

2.2 電離層色散效應(yīng)對回波的影響

電離層的相對介電系數(shù)是電磁波頻率的函數(shù),所以電離層是一種色散的媒質(zhì).當(dāng)已調(diào)制的高頻探測電磁波(例如頻率調(diào)制信號、相位編碼信號)經(jīng)過電離層傳播時,由于傳播信號中存在不同的頻率成分,它們的傳播速度不同,當(dāng)探測電磁波返回后,各頻率分量之間的相對包絡(luò)和相對相位都產(chǎn)生了變化,導(dǎo)致波形起伏畸變,即出現(xiàn)了色散效應(yīng)[16].

色散效應(yīng)會改變不同時刻、不同頻率信號的相位速度,使得各次回波之間的相位相關(guān)性減弱,在進行脈沖積累后,由于相位相關(guān)性被削弱,回波信號無法有效地進行能量積累,導(dǎo)致回波能量在頻域擴散,即產(chǎn)生了回波譜展寬現(xiàn)象.為了研究電離層色散效應(yīng)對高頻電磁波的影響,定義電離層色散系數(shù)為[15]

其中 Δτ是色散系數(shù),它的倒數(shù)為色散帶寬;c是光速;由(3)式可見,dG/df越大,電離層色散帶寬越小.dG/df的計算式為

其中?G/?f,?G/?β0,?D/?f和?D/?β0可通過對(2)式進行求導(dǎo)來計算.根據(jù)(5)式,考慮天波探測設(shè)備的工作頻率為3－30 MHz,設(shè)定電離層參數(shù)為： E層,fcE=4.0 MHz,rbE=86 km,qmE=18 km;F1層,fcF1=6.1 MHz,rbF1=128 km,qmF1=60 km;F2層,fcF2=10.8 MHz,rbF2=205 km,qmF2=118 km.電離層各層的色散系數(shù)與探測設(shè)備工作頻率的關(guān)系見圖1,可見： 1)不同的分層電離層的色散系數(shù)(帶寬)不同,具體來說,E層的色散帶寬最大,F1層次之,F2層最小;2)最大、最小色散系數(shù)分別對應(yīng)于最小、最大的色散帶寬,當(dāng) Δτ=2.4×10-5時,對應(yīng)最小的色散帶寬41.6 kHz,當(dāng) Δτ=9.2×10-8時,對應(yīng)最大的色散帶寬10.8 MHz.一般的天波探測設(shè)備工作帶寬為十幾到幾十千赫茲[17],所以電離層色散效應(yīng)對高頻電磁波的影響很小.若色散效應(yīng)對回波產(chǎn)生了影響,則可通過改變工作帶寬或工作頻率加以避免.

圖1 色散系數(shù)與探測頻率的關(guān)系Fig.1.Relationship between dispersion coefficient and de?tection frequency.

2.3 相位污染對回波的影響

引起高頻回波相位污染的直接原因是回波相位路徑發(fā)生非線性改變,而回波相位路徑的非線性改變與電離層電子濃度的不均勻變化密切相關(guān).下面利用電離層MQP模型(三層電離層+兩層連接層)[2]分析電子濃度改變與回波相位污染的關(guān)系.設(shè)定t1時刻的電離層參數(shù)為： E層,fcE=3.0 MHz,rbE=120 km,qmE=20 km;F1層,fcF1=4.2 MHz,rbF1=209 km,qmF1=87 km;F2層,fcF2=6 MHz,rbF2=320 km,qmF2=100 km.t2時刻的電離層參數(shù)為： E層,fcE=3.2 MHz,rbE=122 km,qmE=20 km;F1層,fcF1=4.0 MHz,rbF1=209 km,qmF1=88 km;F2層,fcF2=6.8 MHz,rbF2=320 km,qmF2=101 km.之所以將t1和t2時刻的電離層參數(shù)設(shè)置為不同,是為了模擬不同時刻對應(yīng)于不同的電子濃度,t1和t2時刻的電子濃度隨高度的變化如圖2所示.從圖2可見,由于電離層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定導(dǎo)致不同時刻的電子濃度曲線存在差異(該差異無規(guī)律),以200 km高度為例,在此高度t1和t2時刻的電子濃度不同,將會使先后經(jīng)過該層反射的回波的相位產(chǎn)生調(diào)制,而該調(diào)制方式無規(guī)律可循,屬于非線性調(diào)制,相位的相關(guān)性遭到破壞,其結(jié)果是多個回波脈沖在積累后無法完成能量聚集.

圖2 不同時刻的電離層電子濃度曲線Fig.2.Ionospheric electron concentration curves at differ?ent times.

下面通過理論公式分析相位污染項對回波譜的影響.假設(shè)天波探測設(shè)備發(fā)射的電磁波為線性調(diào)頻連續(xù)波信號,發(fā)射信號形式為

其中aR為回波幅度;τr=2R/c為電磁波的返回時延,R是目標(biāo)或雜波到探測設(shè)備的距離;ε(t) 為電離層電子不均勻分布導(dǎo)致的非線性污染項.假設(shè)目標(biāo)或雜波的徑向速度為v,則τr可以另寫為

其中R0是探測初始時刻目標(biāo)/雜波到探測設(shè)備的距離,τ0=2R0/c,可見時延τr與時間t呈線性關(guān)系.將(8)式代入(7)式,則sR(t) 的相位為

由于R0?vt且ατ0?2vf0/c[18],則(9)式可進一步簡化為

從(10)式可以看出,中括號中的前三項為常數(shù),第四項為t的線性函數(shù),第五項為常數(shù),ε(t) 是t的非線性函數(shù).正是ε(t) 的存在使得φ(t) 也變?yōu)榉蔷€性函數(shù),直接導(dǎo)致不同時刻的脈沖在壓縮處理時無法聚集目標(biāo)/雜波的能量,引起譜峰在頻域擴展.

需要說明的是,當(dāng)ε(t) 是t的線性函數(shù)時,各次回波的相位φ(t) 也是t的線性函數(shù),不同時刻的回波相位之間具有相同的“斜率”,它們的相關(guān)性未被破壞,所以頻譜不會擴展,只是目標(biāo)/雜波的譜線發(fā)生了偏移.圖3利用直達波回波信號仿真了相位線性污染和非線性污染的回波譜,可見,非線性相位污染引起回波譜展寬,而線性相位污染只是造成頻譜偏移,不會改變頻譜形狀和特性,通過頻移校正后,不會對目標(biāo)檢測和海態(tài)遙感產(chǎn)生影響.

圖3 線性和非線性相位污染的回波譜比較Fig.3.Comparison of echo spectra contaminated by the lin?ear and nonlinear phases.

2.4 多模傳播對回波的影響

除了色散效應(yīng)和相位污染,多模傳播是導(dǎo)致天波回波譜展寬的另一個重要原因.與相位污染的機理不同,電離層多模傳播是指不同地面距離的返回電磁波經(jīng)過不同的分層電離層折射、反射后,落入了同一個距離單元內(nèi),即具有不同傳播路徑的雜波/目標(biāo)信號,由于具有相同的返回時延,在進入接收設(shè)備后,它們會“擠入”相同的距離單元,在頻域表現(xiàn)為頻譜擴展,多模傳播的路徑示意圖見圖4.圖4中位于不同地面距離的飛機和艦船經(jīng)過不同路徑傳播后,在同一時刻到達接收機,產(chǎn)生了多模傳播現(xiàn)象.

圖4 多模傳播的路徑示意圖Fig.4.Path schematic of the multimode propagation.

從物理機理上看,相位污染屬于對回波的“乘性調(diào)制”,多模傳播屬于對回波的“加性調(diào)制”,即多模傳播導(dǎo)致的譜展寬,其原因是不同距離段的雜波或目標(biāo)疊加造成的.若存在多模傳播,不考慮電離層相位污染,(6)式的發(fā)射信號返回后變?yōu)?/p>

其中aRi和φ0i分別為第i個多模信號的幅度和初相位.I個多模信號具有相同的時延τr,但各個多模信號中的目標(biāo)/雜波的初始距離R0i和速度vi都不相同,即對第i個多模信號的時延τr有

可見,τr相同而R0i不同,則vi必然不同,其多普勒頻率fdi=2f0vi/c也不相同,在回波頻譜中表現(xiàn)為具有不同多普勒頻率fdi的多模信號疊加在一起,譜峰區(qū)域明顯擴大.

下面討論如何避免多模傳播的問題.基于電離層MQP模型并根據(jù)(1)和(2)式,可以得到射線群距離G與探測設(shè)備工作頻率之間的關(guān)系,電離層參數(shù)與2.2節(jié)相同,D=2000 km,結(jié)果如圖5所示.需要說明的是,圖5中的曲線為各層的最小時延線所對應(yīng)的射線距離線Gmin(f) ,簡稱為Gmin(f)線.具有一定波束寬度的電磁波以某頻率返回時,由于散射傳播,使得返回的回波不止1條,不同的返回射線對應(yīng)著不同的仰角和不同的群時延,其中群時延最短的這條線就被稱為最小時延線,又稱為“回波前沿”[17].從圖5可見： 1)當(dāng)射線群距離大于2180 km時,只有F2模式可用,即只能選擇F2層作為電磁波的傳輸信道,此時可避免多模傳播;2)圖中曲線只是顯示的Gmin(f) 線,實際上在Gmin(f) 線的上方一定區(qū)域內(nèi)還有很多群距離線(中國電波傳播研究所的很多實測返回散射電離圖均顯示了該特性[17,19?21]);以F1層和F2層的交疊區(qū)域(圖中灰色橢圓區(qū)域)為例,該部分既位于F1?Gmin(f) 線上方,也位于F2?Gmin(f) 線的上方,那么該區(qū)域?qū)儆贔1和F2模式的交疊區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)的某個群距離(如2110 km)對應(yīng)的回波既可能是F1層的回波,也可能是F2層的回波,或者二者皆有,此時就出現(xiàn)了模式模糊,產(chǎn)生多模傳播,造成頻譜交疊展寬.在執(zhí)行探測或遙感任務(wù)時,工作頻率只要避開存在模式模糊的區(qū)域,就可以避免多模傳播,其他區(qū)域也可以做類似分析;3)當(dāng)工作頻率為3－20 MHz時,電磁波在E模式、F1模式和F2模式下都能傳播,此時很容易出現(xiàn)同一個目標(biāo)經(jīng)過不同傳播模式的電磁波散射返回的情況,由于返回射線群距離不同,時延也不同,它們最終會出現(xiàn)在不同距離段的回波中,造成一個目標(biāo)/雜波被誤判為多個目標(biāo)/雜波,增大了探測設(shè)備的虛警率,該問題不會引起回波譜展寬,但也可以通過合理選擇工作頻率加以避免.

圖5 射線群距離與探測頻率的關(guān)系Fig.5.Relationship between radiation group distance and detection frequency.

綜合以上分析,只要結(jié)合實時的電離層返回散射電離圖,通過合理選頻,就可以避免多模傳播.

3 相位污染回波譜的銳化方法

通過第2節(jié)的分析,色散效應(yīng)、多模傳播和電離層相位污染都會引起天波回波譜展寬,色散效應(yīng)對天波探測設(shè)備影響很小,多模傳播可以通過合理選頻進行克服,只有非穩(wěn)定電離層造成的相位污染問題具有較大的解決難度.本節(jié)主要研究回波相位污染去除和頻譜銳化的解決方法.

假設(shè)天波探測設(shè)備處于探海模式,(7)式的回波經(jīng)過常規(guī)脈沖壓縮和匹配濾波后,進行數(shù)字化采樣,可得離散化的海面回波信號

其中a+和a-分別是正負Bragg峰(一階海雜波峰)的幅度;fb是Bragg峰頻率;m=1,2,···,M,M是采樣點數(shù);Δt是采樣間隔;ε(m) 是ε(t) 的離散值,即ε(m) 是第m個采樣點的相位污染;v(m) 是噪聲.目前,幾乎所有的相位污染校正方法均需要提取出能量較強的標(biāo)校信號[6?8,22],而海雜波幅度大,是天然優(yōu)良的標(biāo)校信號,則提取出的標(biāo)校信號(假設(shè)正的一階海雜波能量占優(yōu))為

將sR+(m) 用向量表示為

其中aζ(f)=ζa(f) ,對R+進行特征值分解,有

其中,Σ=diag[λ1,λ2,···,λM]是特征值矩陣,λ1＞λ2＞···＞λm=···=λM=σ2,σ2為噪聲功率;U是特征矢量矩陣.由于sR+只含有一個雜波信號,故λ1(對應(yīng)于雜波)絕對占優(yōu),λ1遠遠大于其他特征值(對應(yīng)于噪聲),則R+可由信號和噪聲子空間重構(gòu)：

此時存在一個常數(shù)p,使得

對標(biāo)校信號而言,Us和aζ(f) 均為M× 1的列矢量,a(f) 中的f是已知的,等于一階海雜波頻率fb,fb可通過進行計算[17],f0為工作頻率,單位為MHz.取出(20)式中的第1行求解p,有

其中a1(fb) 是a(fb) 的第1個元素.不失一般性,可認(rèn)為 ejε(1)=1 ,即以第1個采樣數(shù)據(jù)為參考,所有的采樣序列數(shù)據(jù)只是殘留了一個相同的固定相位,這并不影響頻譜的質(zhì)量和形狀[24],且因為a1(fb)=1,則(21)式為u1p=1 ,所以p=1/u1.

觀察(20)式,要得到ζ的估計值,需要構(gòu)造代價函數(shù)Fζ,并使其達到最小

從以上分析過程可以看出,要保證好的頻譜銳化效果,需要精確計算出,但受電離層上下運動的影響,實際的與理論值常常存在偏差,若估計不準(zhǔn),也會存在很大誤差,導(dǎo)致頻譜銳化質(zhì)量下降.針對該問題,可通過最小熵搜索法使頻譜達到最佳的銳化效果.對相位校正后的回波進行傅里葉變換,得到頻域形式進行歸一化處理

從而可得到回波譜的信息熵為

4 實測數(shù)據(jù)處理分析

4.1 相位污染校正方法的性能比較

在一批實測的海面回波數(shù)據(jù)中選擇某個未被污染的距離單元作為分析對象,對該距離單元回波添加相位污染,以此來分析不同方法的污染校正性能,這也是學(xué)者們普遍采用的分析方法[6?9].該批實測數(shù)據(jù)的參數(shù)為： 探測頻率為14.5 MHz,工作于探海模式,脈沖重復(fù)間隔為58 ms,積累的脈沖數(shù)為512個,相干積累時間為29.696 s.對第400個距離單元的數(shù)據(jù)添加非線性相位污染函數(shù)：3sin(2π·0.2t)[6?9],屬于快變污染,圖6給出了相位污染前后的頻譜圖.從圖6可見,受到電離層污染前,回波譜中的正負海雜波譜線能量集中、清晰銳利,多普勒頻率為0.71 Hz的艦船目標(biāo)可以準(zhǔn)確地從海雜波背景中區(qū)分出來;當(dāng)回波被電離層污染后,其頻譜發(fā)生擴展,原本銳利的譜峰嚴(yán)重展寬,遮蓋了0.71 Hz處的艦船目標(biāo),導(dǎo)致目標(biāo)檢測失敗.

為驗證本文提出的污染校正法的效果,分別與PGA法、MESA法和時頻級聯(lián)法進行比較.PGA法以相鄰若干距離單元內(nèi)的回波信號受到了相同的相位污染為前提,先將每個距離單元的頻域最大峰值移至零多普勒處,以消除海雜波頻率的影響,然后對移頻數(shù)據(jù)的相位梯度進行能量平均,最后取均值的內(nèi)積就可估計出相位污染.MESA法將長時間內(nèi)的回波數(shù)據(jù)分為若干短數(shù)據(jù)子段,使得每個子數(shù)據(jù)段所受到的相位污染是線性的.對每個子數(shù)據(jù)段分別采用MESA法估計出瞬時頻率,然后對其進行內(nèi)插,得到整個長時間內(nèi)的瞬時頻率,再進行積分可得到電離層相位污染.時頻級聯(lián)法采用兩步校正過程,首先利用時頻分析工具得到展寬海雜波峰的瞬時頻率,瞬時頻率積分后對回波進行粗校正,此時大部分的電離層污染已被去除,殘留的相位污染項已經(jīng)很少,再利用改進的PGA法對回波進行精確校正,可使展寬頻譜進一步銳化.

分別采用四種方法對污染回波進行處理,得到相位污染項的估計函數(shù).處理方式為： 利用帶通濾波器提取展寬的負一階海雜波峰作為標(biāo)校信號,MESA法和時頻級聯(lián)法將長數(shù)據(jù)序列劃分為16個短的子數(shù)據(jù)序列,以保證在子數(shù)據(jù)段內(nèi)污染是線性的.為了比較各種方法的性能,定義相位污染的估計誤差為：圖7給出了四種方法的污染估計誤差曲線.由圖7可見： 1) PGA法的污染估計誤差最大,MESA法次之,時頻級聯(lián)法和本文方法的估計誤差基本相當(dāng),具體而言,在512個脈沖時間內(nèi),PGA、MESA、時頻級聯(lián)法和本文方法的平均估計誤差分別為2.08,0.602,0.203和0.212;本文方法和時頻級聯(lián)法的效果相差很小,比MESA法和PGA法的平均估計誤差分別小0.39和1.869;2) PGA法和MESA法效果較差的主要原因是PGA法在將譜峰移至零多普勒頻率處時,由于展寬后的譜峰最值并不是真正的Bragg峰,導(dǎo)致相位梯度誤差不斷積累;MESA法雖然將長數(shù)據(jù)進行了切割劃分,但每個子段并不能完全保證污染呈線性變化,另外由于子段的數(shù)據(jù)點少,在估計頻率時會因為多普勒分辨率下降而導(dǎo)致頻率估計不準(zhǔn);3)雖然本文方法和時頻級聯(lián)法的效果基本相當(dāng),但本文方法的復(fù)雜度和計算量要小于時頻級聯(lián)法,時頻級聯(lián)法的效果與時頻窗的長度選擇有關(guān),窗長度過長或過短都會降低方法的污染估計效果.圖7給出了在最佳窗長度條件下得到的時頻級聯(lián)法的誤差曲線,若該方法未選擇最佳長度的時頻窗,則方法的效果會差于本文所提方法.

圖7 相位污染的估計誤差Fig.7.Estimation error of the phase contamination.

4.2 實測數(shù)據(jù)校正結(jié)果分析

圖8(a)是已經(jīng)發(fā)生了電離層相位污染的實測回波的距離?多普勒譜圖,圖8(b)是采用本文所提方法校正后的結(jié)果,其中橫坐標(biāo)表示多普勒頻率,縱坐標(biāo)表示距離.從圖8可以看出,由于電離層污染的存在,正負海雜波(包括地雜波)譜發(fā)生了嚴(yán)重展寬,若海雜波譜線附近存在慢速艦船目標(biāo),則將被擴展的雜波遮蓋;經(jīng)過污染校正后的雜波譜得到了較好的銳化,以正的海雜波譜線為例,銳化前后的海雜波峰的多普勒寬度相差0.5 Hz.

圖8 相位污染校正前后的距離?多普勒譜(顏色條表示歸一化功率,單位是dB)Fig.8.Range?Doppler spectra before and after phase con?tamination correction (color bar represents normalized power,and the unit is dB).

5 討論與結(jié)論

本文研究了造成天波回波譜展寬的機理,詳細分析了電離層色散效應(yīng)、相位污染和多模傳播等物理現(xiàn)象,針對回波的相位污染問題提出了一種新的頻譜銳化方法.主要結(jié)論為：

1)當(dāng)天波探測設(shè)備的工作頻率為3－30 MHz時,電離層色散效應(yīng)的帶寬范圍為41.6－57.4 kHz和0.17－10.8 MHz,對高頻電磁波的影響很小,即使對電磁波產(chǎn)生了影響,也可以通過改變工作帶寬或者工作頻率的方式加以避免;

2)多模傳播會造成不同距離單元的譜線相互疊加,引起頻譜展寬;不同的工作頻率對應(yīng)于不同的電離層傳播模式,為了降低多模傳播的概率,可根據(jù)實時的電離層電離圖確定合理的工作頻率,保證電磁波通過單模式的電離層信道傳播;

3)電離層電子濃度的非均勻變化會引起回波相位路徑改變,產(chǎn)生相位污染,回波相位污染發(fā)生后,脈沖之間的相位相關(guān)性被破壞,導(dǎo)致回波無法進行有效的能量積累,在頻域表現(xiàn)為譜峰擴展;相位污染對慢速目標(biāo)的檢測影響很大,必須加以去除;

4)提出了一種新的相位污染校正方法,該方法利用了信號子空間與信號導(dǎo)頻矢量張成空間的一致性原理,不需要估計信號的瞬時頻率即可去除相位污染;實測數(shù)據(jù)分析表明,本文方法能使展寬的海雜波得到銳化,且能準(zhǔn)確估計出快變污染,性能優(yōu)于PGA法、MESA法和時頻級聯(lián)法.

需要指出的是,本文方法仍然以提取出較完整的標(biāo)校信號為前提,若回波遭受了大幅度相位污染,展寬的正負海雜波峰將發(fā)生交疊,導(dǎo)致無法完整地提取出標(biāo)校信號.此時可以先采用時頻分析技術(shù)估計出信號的瞬時頻率,對回波進行粗校正,再使用本文方法對粗校正后的回波進行精確校正.