劉寧波 姜星宇* 丁 昊② 關(guān) 鍵

①(海軍航空大學(xué)信息融合研究所 煙臺(tái) 264001)

②(軍事科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新研究院 北京 100071)

1 引言

對(duì)海雷達(dá)快速可靠地發(fā)現(xiàn)海上目標(biāo)具有十分重要的意義。對(duì)海雷達(dá)面臨的海面環(huán)境復(fù)雜多變，存在噪聲、干擾、海雜波等諸多因素的影響，其中，海雜波由于功率水平較高，且非高斯、非平穩(wěn)特性顯著，再加之其影響因素的復(fù)雜性和多變性，成為影響雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)性能的主要制約因素之一[1]。當(dāng)前，海雜波背景下目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)研究以低擦地角為主，大擦地角條件下的相關(guān)研究較少。但在天基與高空探測(cè)平臺(tái)、海上作戰(zhàn)飛機(jī)、彈道式反艦導(dǎo)彈、飛航式超音速反艦導(dǎo)彈以及反艦導(dǎo)彈的末端躍起攻擊都涉及大擦地角強(qiáng)海雜波背景下目標(biāo)探測(cè)問(wèn)題。同時(shí)，現(xiàn)有研究表明，隨著擦地角的增大，由于雜波分辨單元的雷達(dá)散射截面積(RCS)變大，平均后向散射呈單調(diào)增加趨勢(shì)，但幅度統(tǒng)計(jì)分布仍然呈現(xiàn)明顯的非高斯特點(diǎn)，且海雜波多普勒譜也具有較大差異，表明非連續(xù)性尖峰的存在以及Bragg散射分量占主要地位。綜合來(lái)看，隨著擦地角的增大，探測(cè)目標(biāo)的難度也會(huì)增大。為此，從雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)的需求出發(fā)，開(kāi)展大擦地角下的海雜波特性認(rèn)知研究，掌握變化趨勢(shì)并建立海雜波模型，是有效改進(jìn)和創(chuàng)新海雜波抑制算法和目標(biāo)檢測(cè)算法、削弱海雜波不利影響、實(shí)現(xiàn)探測(cè)性能提升的條件和措施[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外圍繞大擦地角下海雜波特性已開(kāi)展的研究可歸結(jié)為兩個(gè)層面的研究工作[3—5]。一是物理機(jī)理層的研究，即在一定的雷達(dá)工作參數(shù)和外界環(huán)境參數(shù)條件下(如波段、極化、海況、擦地角等)，利用電磁散射理論，計(jì)算海面后向散射系數(shù)，并對(duì)其起伏情況進(jìn)行建模與分析；二是試驗(yàn)數(shù)據(jù)層的研究，即開(kāi)展基于實(shí)際海面或造浪池的海雜波測(cè)量試驗(yàn)，利用海雜波試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析海雜波特性及其隨雷達(dá)工作參數(shù)、海洋環(huán)境參數(shù)等多種因素的變化趨勢(shì)，并在部分考慮機(jī)理或不考慮機(jī)理的情況下建立海雜波模型。這兩部分研究相互補(bǔ)充，無(wú)法相互替代。前者通常具有很高的指導(dǎo)意義，但由于海表面組成成分復(fù)雜，且影響因素眾多，基于機(jī)理建模得到的認(rèn)知結(jié)果通常難以逼真反映實(shí)際情況。

本文按照更新時(shí)間和技術(shù)發(fā)展流程的順序梳理了國(guó)內(nèi)外大擦地角常用數(shù)據(jù)集、海雜波特性分析、建模及目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。下文按如下形式組織，即第2節(jié)梳理總結(jié)了雷達(dá)大擦地角對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)集，其中重點(diǎn)是常用的Nathanson數(shù)據(jù)集和Ingara數(shù)據(jù)集，第3節(jié)梳理總結(jié)了大擦地角下海雜波的建模研究，包括海表面模型、散射模型和幅度分布模型，第4節(jié)梳理總結(jié)了大擦地角對(duì)海雜波特性的影響研究，第5節(jié)梳理總結(jié)了大擦地角下雷達(dá)對(duì)海上目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)研究，最后第6節(jié)對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)與展望。

2 雷達(dá)大擦地角對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)集

擦地角指雷達(dá)入射波和海平面之間的夾角。通常，大于10°的擦地角被稱為大擦地角[2]。

學(xué)者們從各種平臺(tái)和條件下開(kāi)展了大量大擦地角條件下對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)，并基于此開(kāi)展了大擦地角海雜波特性研究[6,7]，公開(kāi)文獻(xiàn)資料發(fā)表的數(shù)據(jù)集主要包括：

Nathanson數(shù)據(jù)集[2,3,8]，總結(jié)了從19世紀(jì)60～70年代開(kāi)始針對(duì)海雜波進(jìn)行的一系列測(cè)量試驗(yàn)，給出了大約60項(xiàng)試驗(yàn)獲取的后向散射數(shù)值。該數(shù)據(jù)集覆蓋了0.1°,0.3°,1.0°,30°和60°等不同的擦地角，0～5級(jí)海況，包括9.3 GHz的X波段在內(nèi)的不同雷達(dá)頻率，給出了HH和VV極化下的后向散射系數(shù)σ0。該數(shù)據(jù)集中的后向散射系數(shù)基本上均來(lái)自試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但對(duì)數(shù)據(jù)當(dāng)中明顯有錯(cuò)誤之處進(jìn)行了內(nèi)插和外推處理。該數(shù)據(jù)集中并沒(méi)有給出σ0隨方位角(相對(duì)于風(fēng)向)變化而出現(xiàn)的變化，而是計(jì)算了所有方位角條件下的平均后向散射值。

美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)4FR數(shù)據(jù)集[2,3,9]是在20世紀(jì)60年代后期Guinard和Daley使用4FR(UHF、L、C和X波段)系統(tǒng)在5°～90°擦地角、順風(fēng)/逆風(fēng)/側(cè)風(fēng)、2.57～25.7 m/s風(fēng)速、水平發(fā)射-水平接收(HH)/垂直發(fā)射-垂直接收(VV)極化條件下測(cè)量了海面后向散射回波，獲取了海面后向散射系數(shù)。試驗(yàn)中，雷達(dá)系統(tǒng)用標(biāo)準(zhǔn)金屬球進(jìn)行校準(zhǔn)，用測(cè)量船只記錄了觀測(cè)海域的風(fēng)速、浪高等信息。4FR試驗(yàn)首次在如此寬的雷達(dá)頻率范圍內(nèi)采集了機(jī)載雷達(dá)海雜波數(shù)據(jù)，在海雜波研究歷程中具有十分重要的意義。利用該數(shù)據(jù)，研究人員系統(tǒng)梳理了海雜波與擦地角、頻率、極化和風(fēng)速/風(fēng)向等因素的依賴關(guān)系，并與Masuko等機(jī)載測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

Masuko數(shù)據(jù)集[2,3,8]是1986年Masuko等人公開(kāi)的1980年和1981年在日本外海兩個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)獲取的大擦地角海雜波測(cè)量數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集主要獲取了X和Ka波段雷達(dá)在HH和VV極化下后向散射系數(shù)σ0的測(cè)量結(jié)果。為了在全方位角(0°～360°)下對(duì)各所選的擦地角進(jìn)行測(cè)量并獲得具有統(tǒng)計(jì)意義的樣本，該項(xiàng)試驗(yàn)沿預(yù)訂航行路線重復(fù)飛行了多次，每次飛行都保持在3100 m高度，所選擦地角為20°～90°，步進(jìn)10°，數(shù)據(jù)處理時(shí)對(duì)多次測(cè)量的后向散射進(jìn)行了平均處理，標(biāo)準(zhǔn)差在0.3～1.0 dB之間。對(duì)于數(shù)據(jù)收集時(shí)間的海面參數(shù)測(cè)量，在第一試驗(yàn)地點(diǎn)使用了氣象水文浮標(biāo)自動(dòng)測(cè)量，在第二試驗(yàn)地點(diǎn)則利用船只進(jìn)行了手工測(cè)量。該試驗(yàn)覆蓋的風(fēng)速條件為3.2 m/s,7.9 m/s,9.3 m/s和14.5 m/s，數(shù)據(jù)均為多次測(cè)量的平均值，且假定試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)風(fēng)速均勻。

Ingara數(shù)據(jù)集[2,3,9]是澳大利亞國(guó)防科學(xué)與技術(shù)組織(DSTO)利用全極化X波段雷達(dá)系統(tǒng)Ingara[2,3,9]開(kāi)展試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)集涉及兩個(gè)不同區(qū)域、兩種不同條件下的試驗(yàn)，第1次海雜波測(cè)量試驗(yàn)編號(hào)為2004(SCT04)，試驗(yàn)海域?yàn)槟习闹萘挚细勰洗蠹s100 km處的南部海域[10,11]。由于所選試驗(yàn)海域位于南澳州大陸架邊緣，因此，幾乎不存在淺水區(qū)對(duì)浪場(chǎng)的影響。試驗(yàn)期間，研究人員分8天在不同海況條件下收集了一系列幾何形狀目標(biāo)的海面后向散射數(shù)據(jù)。第2次海雜波測(cè)量試驗(yàn)編號(hào)為2006(MAST06)，試驗(yàn)海域?yàn)楸鳖I(lǐng)地靠近達(dá)爾文市的沿海和外海海域，研究人員也獲取了一系列幾何形狀目標(biāo)在不同海況條件下的數(shù)據(jù)。本次試驗(yàn)共收集了4天的數(shù)據(jù)，其中2天在距達(dá)爾文市25 km左右的沿海地區(qū)，2天在達(dá)爾文市以西約200 km的外海區(qū)域。在收集海面后向散射數(shù)據(jù)期間，Ingara按照環(huán)掃聚束模式運(yùn)行，即飛行器按逆時(shí)針?lè)较蚶@指定興趣點(diǎn)(觀察海域)飛行，而雷達(dá)束波則一直指向興趣點(diǎn)。在雷達(dá)沿360°航行路線飛行過(guò)程中連續(xù)不斷地收集回波數(shù)據(jù)，并適時(shí)調(diào)整雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)頻率(PRF)，保證不同的發(fā)射脈沖位置之間具有固定的空間間隔。在該模式下，一次數(shù)據(jù)收集稱之為一次“運(yùn)行”，單次“運(yùn)行”數(shù)據(jù)收集過(guò)程可能飛機(jī)沿航線飛行多次。為分析擦地角對(duì)海面后向散射的影響，試驗(yàn)中選取了不同海拔高度和圓形航線半徑。SCT04和MAST06數(shù)據(jù)均是在預(yù)定擦地角15°至45°，增幅為5°條件下收集的興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)。目前，很多公開(kāi)文獻(xiàn)均采用了Ingara數(shù)據(jù)集研究大擦地角下海雜波特性和目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)。

3 海表面散射模型與大擦地角海雜波模型

3.1 海表面散射模型

常見(jiàn)海表面散射模型包括Bragg共振散射模型、復(fù)合表面模型、海尖峰模型等。

Bragg共振散射模型在Rice[12—14]提出電磁散射的攝動(dòng)理論后，由Peake[15]應(yīng)用在雷達(dá)散射截面積、Wright[16,17]推廣到水面得到。研究發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)后向散射可以通過(guò)風(fēng)和浪分量進(jìn)行闡釋。在風(fēng)域和風(fēng)速極小時(shí)，由1階共振可以看出，雷達(dá)后向散射與水浪幅度的平方成正比?？梢杂脕?lái)解釋小幅度、機(jī)械產(chǎn)生的水浪數(shù)據(jù)。

如圖1Bragg共振示意圖[2]。粗曲線表示海平面頻譜的共振分量，細(xì)射線表示入射雷達(dá)電磁波。當(dāng)雷達(dá)電磁波傳播至相繼海浪波峰的路程差為雷達(dá)波長(zhǎng)λ的一半時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)1階共振。這種情況下，相繼反射同相疊加，通過(guò)強(qiáng)化或共振的方式產(chǎn)生強(qiáng)后向散射。同樣可以看出，當(dāng)雷達(dá)波傳播至相繼海浪波峰的路程差為λ/2的任意整數(shù)倍時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生相同結(jié)果。設(shè)θ為擦地角，共振海浪的波長(zhǎng)為Λ，那么Bragg共振的條件為

圖1 雷達(dá)波長(zhǎng)和海浪波長(zhǎng)的一階Bragg共振示意圖，散射的波同相疊加增強(qiáng)

但該模型并沒(méi)有涉及流體動(dòng)力學(xué)調(diào)制等非線性因素影響，同時(shí)無(wú)法擬合海平面的破碎波/波峰碎白浪花、泡沫和噴濺等非Bragg散射物理結(jié)構(gòu)。

針對(duì)上述問(wèn)題，研究人員對(duì)1階Bragg散射理論進(jìn)行了拓展，提出了雙尺度復(fù)合表面模型[12,17—20]。將粗糙表面分為大尺度和小尺度分量，大尺度分量進(jìn)行幾何或物理光學(xué)處理，小尺度分量則使用現(xiàn)有的攝動(dòng)理論處理。很多學(xué)者都對(duì)該理論的變種進(jìn)行了研究。例如，Valenzuela和Laing[21]使用了各種流體動(dòng)力學(xué)模型來(lái)解釋雙尺度復(fù)合模型。

非Bragg散射常被表示為單一分量，稱為“海尖峰”。海尖峰通常被定義為有較大多普勒分量的雷達(dá)回波，其頻寬較寬，后向散射功率較大，HH極化下的回波能量等于或大于VV極化。Lee等人[22]總結(jié)了3種有可能導(dǎo)致非Bragg散射的原因，即存在一個(gè)即將破碎的海浪，其波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于Bragg諧振波；存在一個(gè)長(zhǎng)波長(zhǎng)和大鏡面反射的破碎波；由于布魯斯特角衰減，VV極化信道能量減弱，同時(shí)HH極化信道受到多徑散射和波谷被大波峰遮蔽的影響。

3.2 大擦地角海雜波模型

小擦地角海雜波特性的分析結(jié)論和模型不能直接用于大擦地角在機(jī)理方面的考慮在于：低擦地角下海雜波多受遮蔽效應(yīng)、多徑散射等現(xiàn)象的影響，而在大擦地角條件下，海雜波受遮蔽效應(yīng)和多徑散射影響減弱，取而代之的是Bragg散射導(dǎo)致的雜波能量變強(qiáng)，占據(jù)主導(dǎo)地位。面對(duì)機(jī)理不同，有必要對(duì)其大擦地角下的海雜波建模進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的研究。已有模型主要包括后向散射系數(shù)、幅度分布和多普勒譜3個(gè)方面[23]。

3.2.1 大擦地角海雜波平均后向散射系數(shù)模型

平均后向散射即為歸一化的雷達(dá)散射截面積，其定義為被雷達(dá)電磁波照射的單位面積海平面的散射截面積，常作為雷達(dá)接收的后向散射(反射)能力的度量。在擦地角10°～50°區(qū)間內(nèi)，HH極化的后向散射均值通常要比VV極化的均值低，稱為“穩(wěn)定”散射區(qū)域。同時(shí)，垂直發(fā)射-水平接收(VH)或水平發(fā)射-垂直接收(HV)的后向散射均值均顯著低于VV或HH[7]，其主要原因是水平極化退化為垂直極化才能被垂直極化接收。后向散射均值低，說(shuō)明退極化現(xiàn)象是存在的，但是能量占比較低。

大擦地角下平均后向散射模型多為在低擦地角平均后向散射模型基礎(chǔ)上的摸索和發(fā)展得來(lái)。目前有很多研究使用了擦地角大于10°的平均后向散射模型，這些模型主要是基于Nathanson數(shù)據(jù)集得到的。

常用的大擦地角下平均后向散射模型包括：

(1)北約的AAW系統(tǒng)模型，該模型基于已公開(kāi)發(fā)表的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)擬合[24]，包括1個(gè)參考項(xiàng)和4個(gè)針對(duì)擦地角、海況等級(jí)、極化方式和方位角的調(diào)節(jié)參數(shù)。該模型涉及的最大擦地角為30°，且實(shí)際應(yīng)用表明該模型中并未明確考慮大氣波導(dǎo)效應(yīng)影響。

(2)Ulaby模型[25]，給出了一種30°以上擦地角條件下平均后向散射系數(shù)建模的方法，針對(duì)逆風(fēng)向、順風(fēng)向、側(cè)風(fēng)向3種情況分別進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)建模，所建立的模型具有統(tǒng)一的公示表達(dá)，即σ0(θ)dB=G(θ)+H(θ)lgU，其中，σ0(θ)dB表示不同風(fēng)向(逆/順/側(cè)風(fēng)向)、不同擦地角θ下的平均后向散射系數(shù)，以dB表示；U為風(fēng)速，單位為m/s；G(θ),H(θ)則為與極化方式、擦地角和風(fēng)向有關(guān)的量，不同相對(duì)風(fēng)向條件下G(θ)與H(θ)取值的差異，則決定了針對(duì)不同風(fēng)向形成不同的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型。該模型對(duì)于穩(wěn)定散射區(qū)域具有較高的建模精度。

(3)科技服務(wù)組織(TSC)模型[26]，認(rèn)為大擦地角下準(zhǔn)鏡面反射機(jī)制起主導(dǎo)作用，小擦地角下漫散射機(jī)制起主導(dǎo)作用，總的后向散射為這兩個(gè)分量的合成，這使得該模型適用于0°～90°擦地角的情況。有研究對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn)[27,28]，用于修正順風(fēng)方向所預(yù)測(cè)的最小值與實(shí)際觀測(cè)不相符的情況，同時(shí)使得模型所預(yù)測(cè)的側(cè)風(fēng)方向最小值與測(cè)量值一致。

(4)NRL模型[27]，進(jìn)一步對(duì)Nathanson數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合優(yōu)化，最大程度地減小了模型預(yù)測(cè)結(jié)果和試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果之間的偏差，可應(yīng)用于雷達(dá)頻率為0.5～35 GHz、擦地角為0.1°～60°場(chǎng)景下后向散射系數(shù)預(yù)測(cè)。

此外，常見(jiàn)模型還包括Masuko[29]模型，考慮了后向散射隨5個(gè)不同的變量，包括雷達(dá)頻率、極化、風(fēng)速、擦地角和方位角的變化關(guān)系；Ingara IRSG[30]模型，沿用了Ulaby模型[25]中風(fēng)速、方位角和擦地角的關(guān)系式，并進(jìn)一步對(duì)0°～360°方位角、20°～45°擦地角下的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合優(yōu)化，將所有參數(shù)都納入了一個(gè)模型。

3.2.2 大擦地角下海雜波幅度分布模型

大擦地角海雜波幅度分布模型研究多為在低擦地角幅度分布模型基礎(chǔ)上的修正，是一個(gè)漸進(jìn)發(fā)展的過(guò)程，它經(jīng)歷了正態(tài)分布、瑞利分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、威布爾分布、K分布、混合高斯分布等分布模型。

針對(duì)大擦地角海雜波，采用的幅度分布模型主要包括：

(1)K分布模型[3]，K分布在大多條件下均能較好的擬合實(shí)際測(cè)量的海雜波數(shù)據(jù)。低擦地角狀態(tài)下，雖然韋布爾分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布可以較好地描述高分辨率雷達(dá)下的海雜波幅度分布，但二者均未考慮時(shí)空相關(guān)性，因此只適合做單點(diǎn)統(tǒng)計(jì)。為了描述復(fù)雜海況下的大擦地角海雜波，適用范圍更廣的K分布被采用。作為一種非高斯混合模型，K分布不僅能更優(yōu)地?cái)M合重拖尾現(xiàn)象，還能從物理形成機(jī)理上分析海雜波的組成[1]。2019年，PAN通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析證明，廣義K分布可以很好地?cái)M合35°擦地角下不同掃描角度下的海雜波[23]；

(2)KK-分布模型，在K分布基礎(chǔ)上發(fā)展得到，改善了K分布在水平極化與低擦地角下的概率分布建模不準(zhǔn)確問(wèn)題，使用兩個(gè)K分布來(lái)建模Bragg分量和海尖峰，總的雜波分布為兩個(gè)分量的線性合成。盡管第2參數(shù)的選擇是任意的，沒(méi)有直接的物理基礎(chǔ)，但該種分布在尾部區(qū)域有著精確的擬合[13]。

(3)K+R分布模型[4]，為了捕獲數(shù)據(jù)中額外的瑞利分量，在K分布的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)瑞利分布(參數(shù))，以獲得更高的建模精度。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明，這種分布模型適合在相對(duì)較少的樣本條件下對(duì)大擦地角海雜波進(jìn)行建模[31]。隨后，KR分布模型[32]被提出，解決了K+R分布模型參數(shù)估計(jì)需要計(jì)算前3階矩、計(jì)算量較大且無(wú)閉合表達(dá)式等使用困難的問(wèn)題。

3.2.3 大擦地角海雜波多普勒譜模型

目前大擦地角下海雜波多普勒譜特性的建模方面，并沒(méi)有形成統(tǒng)一的觀點(diǎn)。低擦地角下比較有代表性的模型分別由Lee和Walker提出。Lee認(rèn)為多普勒譜由兩部分組成[24,26]，分別表示了慢散射體分量和快散射體分量。其中，慢散射體分量即為Bragg散射，與小尺度的張力波有關(guān)，可以采用高斯譜建模；快散射體分量多來(lái)自于不斷演變的碎浪，由雜亂無(wú)章的水、泡沫和氣泡組成，可建模為L(zhǎng)orentzian譜。該模型在描述多普勒譜時(shí)形式比較復(fù)雜，但具有一定的準(zhǔn)確性。Walker提出的為具有3種分量的高斯型多普勒譜模型，3種分量分別代表了Bragg散射、白浪散射和海尖峰散射，它們共同組成了多普勒頻譜模型[29]，形式簡(jiǎn)單，但是并沒(méi)有對(duì)非Bragg散射作出預(yù)測(cè)。但近年在對(duì)Ingara海雜波進(jìn)行表征以區(qū)分不同類(lèi)型的散射的研究中發(fā)現(xiàn)Walker模型不適用于大擦地角。

為處理大擦地角下的海雜波多普勒譜建模，Luke提出了一種新的兩分量模型，該模型同時(shí)適合慢速Bragg散射和快速非Bragg散射或海尖峰散射，考慮了20°以上擦地角時(shí)布魯斯特角的減小。使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程中，估計(jì)模型的幅度參數(shù)表明，(1)慢速VV通道比HH通道大5～10 dB，快速HH通道返回值始終大于VV通道，表明在HH通道中存在主要快速分量，它導(dǎo)致了高的回波功率，相比于慢速分量而言具有更寬的譜。(2)在兩個(gè)通道中都觀察到正弦變化，在迎風(fēng)和逆風(fēng)方向上具有最大值，在側(cè)風(fēng)方向上具有最小值。(3)慢幅度分量和快幅度分量模型匹配程度隨方位角成正弦變化，隨擦地角的增加而增加。(4)多普勒譜中心頻率隨著擦地角的增大呈縮小趨勢(shì)，對(duì)于快速分量更明顯。(5)就譜寬而言，慢速分量沒(méi)有明顯的趨勢(shì)，而快度分量隨擦地角的增加有微弱趨勢(shì)的減小。

Watts[33—35]提出了適合多極化、多視向和中等擦地角下收集的雷達(dá)海雜波數(shù)據(jù)的多普勒譜模型，并用Ingara數(shù)據(jù)集進(jìn)行測(cè)試。分析中發(fā)現(xiàn)，多普勒頻率標(biāo)準(zhǔn)偏差的功率譜寬度在范圍和時(shí)間上以無(wú)關(guān)于局部譜強(qiáng)度的方式波動(dòng)。局部譜的平均多普勒頻移與局部譜強(qiáng)度具有明顯的相關(guān)性，在仰風(fēng)或順風(fēng)時(shí)尤為明顯。在某些情況下，當(dāng)局部雜波強(qiáng)度超過(guò)某個(gè)閾值時(shí)，譜會(huì)進(jìn)一步展寬，產(chǎn)生明顯的雙峰譜。

4 大擦地角對(duì)海雜波特性的影響

4.1 對(duì)雷達(dá)后向散射特性的影響

理論分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證均表明，隨著雷達(dá)擦地角的增大，雷達(dá)后向散射增強(qiáng)。相較低擦地角情況，大擦地角下的雷達(dá)后向散射呈現(xiàn)明顯增強(qiáng)，且變化可以劃分為3個(gè)明顯的區(qū)域：近切向入射區(qū)、平直區(qū)和近垂直入射區(qū)。這3個(gè)區(qū)域的分界點(diǎn)由雷達(dá)波長(zhǎng)、極化方式和海面起伏狀況決定[36]。

圖2為后向散射系數(shù)隨擦地角的經(jīng)驗(yàn)變化曲線。可以看出，在不同海況條件下都有在近切向入射區(qū)內(nèi)，后向散射系數(shù)隨著擦地角的增大而迅速增大；在平直區(qū)內(nèi)，后向散射系數(shù)隨著擦地角的增大而較緩慢地增大。同時(shí)，HH極化的后向散射要比VV極化的后向散射受雷達(dá)波長(zhǎng)的影響更大。在上述兩個(gè)區(qū)內(nèi)，后向散射系數(shù)都隨海面粗糙度的增大而增大。在近垂直入射區(qū)內(nèi)，后向散射系數(shù)隨著擦地角的增大而增加更為迅速，但隨海面粗糙度的增大反而趨于減小。3個(gè)區(qū)域內(nèi)，都有后向散射系數(shù)隨著雷達(dá)波長(zhǎng)的減小而增大。隨著海況的增大，相同擦地角下的后向散射系數(shù)增大，造成總體變化曲線左移，3個(gè)區(qū)域的分界值變小。

圖2 后向散射系數(shù)隨擦地角變化曲線

此外，相比于同極化(HH與VV極化)，交叉極化(HV與VH極化)下的后向散射系數(shù)隨擦地角增大而增加的速度要慢；海面的粗糙程度對(duì)后向散射系數(shù)的變化率也有影響，海面越光滑(海況等級(jí)越低)，后向散射系數(shù)隨擦地角增加而增大的速度越快[37]。由上可知，隨擦地角逐步增大至接近90°，海面后向散射回波的能量將快速提高到很高的水平，此時(shí)雷達(dá)海上目標(biāo)檢測(cè)面臨嚴(yán)重的強(qiáng)海雜波背景，檢測(cè)難度大。

4.2 對(duì)幅度分布特性的影響

在大擦地角條件下，后向散射主要?dú)w因于粗糙平面的Bragg散射，而白沫散射則是較為次要的分量。

Dong和Haywood[38]研究發(fā)現(xiàn)，在海雜波隨方位角變化的同時(shí)，高階幅度統(tǒng)計(jì)特性基本上不受方位角影響。他們對(duì)20°和40°擦地角下的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并采用K分布擬合，比較兩種擦地角下的視向函數(shù)(方位角函數(shù)，即在不同方位角下的擬合誤差函數(shù))發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于VV極化，HH極化數(shù)據(jù)擬合較好，在低擦地角條件下這一結(jié)論也同樣明顯。

Dong通過(guò)K分布對(duì)大擦地角海雜波數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果，還發(fā)現(xiàn)K分布對(duì)HH極化海雜波數(shù)據(jù)的尾部擬合效果不佳，這可能是由于存在離散海尖峰的原因，相對(duì)而言，K分布對(duì)VV極化海雜波數(shù)據(jù)具有較好的擬合效果。為了更好地?cái)M合HH極化數(shù)據(jù)，Dong嘗試使用了KA分布進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)KA分布具備更好的擬合精度，但KA分布參數(shù)估計(jì)的計(jì)算量過(guò)大。此外，Dong,Rosenberg等人[13,39]還研究了KK分布對(duì)DSTO Ingara數(shù)據(jù)的建模情況，發(fā)現(xiàn)K分布對(duì)VV極化數(shù)據(jù)的建模效果好，KK分布則對(duì)HH極化數(shù)據(jù)建模效果好(如圖3所示)，并且還發(fā)現(xiàn)對(duì)于HV交叉極化數(shù)據(jù)，KK分布建模效果也稍優(yōu)于K分布。

圖3 HH極化條件下不同分布模型擬合效果

Crisp等人[40]和Rosenberg等人[41]對(duì)大擦地角海雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析，相關(guān)結(jié)論總結(jié)如下：(1)對(duì)于HH和VV極化數(shù)據(jù)，方位角函數(shù)隨擦地角的增加而增加；(2)方位角函數(shù)與方位角之間大體呈正弦式變化，該變化與風(fēng)向相關(guān)，在逆風(fēng)和順風(fēng)向出現(xiàn)峰值。

此外，需特別指出的是，在高分辨率、低擦地角條件下，海雜波幅度分布易出現(xiàn)重拖尾現(xiàn)象，而這一現(xiàn)象與海尖峰頻發(fā)密切相關(guān)，這種重拖尾現(xiàn)象在大擦地角條件下也會(huì)出現(xiàn)[1]。

4.3 對(duì)相關(guān)性的影響

試驗(yàn)表明，大擦地角海雜波相關(guān)時(shí)間維持在毫秒量級(jí)，且隨著擦地角增加，先增加后減小，時(shí)間相關(guān)性最強(qiáng)的擦地角在60°左右，而空間相關(guān)性方面，隨著擦地角增加，平均相關(guān)距離單元個(gè)數(shù)一直增加[32]。

Dong[42]研究了Ingara數(shù)據(jù)集中方位(時(shí)間)和距離(空間)之間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)距離和方位之間的短期相關(guān)性均比已有文獻(xiàn)報(bào)道的時(shí)間短，分析原因可能是試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的大/小擦地角，以及飛行/固定雷達(dá)平臺(tái)差異造成的。而有關(guān)長(zhǎng)期相關(guān)性的分析表明，風(fēng)浪和涌浪的波長(zhǎng)或可從距離相關(guān)性中求得，而風(fēng)浪和涌浪的周期或可從方位相關(guān)性中求得。

Dong通過(guò)這項(xiàng)研究中還發(fā)現(xiàn)，HH和VV極化數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性較弱，水平和垂直極化天線同時(shí)測(cè)量到大幅度回波的概率要比單極化天線測(cè)量到的概率明顯低。他利用這一特征設(shè)計(jì)了一種恒虛警(CFAR)檢測(cè)方案，該方案認(rèn)為，只有HH和VV極化下某一距離單元的回波分別大于相應(yīng)的HH和VV極化下的閾值時(shí)，才判定該距離單元內(nèi)存在目標(biāo)，該方法可以實(shí)現(xiàn)虛警的有效控制。

4.4 對(duì)多普勒譜特性的影響

在大擦地角條件下對(duì)海雜波多普勒譜進(jìn)行特征描述的公開(kāi)報(bào)道較少，而對(duì)其進(jìn)行建模的文獻(xiàn)報(bào)道則更少。在第3節(jié)介紹的試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量過(guò)程中，研究人員對(duì)大擦地角區(qū)域多普勒譜做了一些分析總結(jié)。

Lee等[22]的研究使用了安裝于船艏的一臺(tái)X波段相干散射儀測(cè)量得到的10°～70°擦地角區(qū)間的海雜波數(shù)據(jù)，譜特性分析得到如下結(jié)論：(1)在逆風(fēng)向，平均多普勒速度大致以c osθ的比例隨擦地角的增加而減?。?2)相比VV極化，HH極化下所觀測(cè)到的較高速度(多普勒)峰值有所降低，擦地角越大(典型值為θ＞50°)，兩種極化下的速度則趨于相等，且頻譜形狀具有較高的相似度；(3)在逆風(fēng)向，隨著擦地角的減小，HH極化的多普勒峰值與VV極化的多普勒峰值分離，偏向更高的多普勒頻率；(4)HH和VV極化下，海雜波的去相關(guān)時(shí)間均隨擦地角增大而增大。

Valenzuela和Laing[21]利用海軍研究實(shí)驗(yàn)室4頻率雷達(dá)在10°～30°擦地角下獲得的海雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行了多普勒譜分析。研究人員主要研究了多普勒譜寬度，得到如下結(jié)論：(1)對(duì)于垂直極化，多普勒譜寬度與擦地角幾乎無(wú)關(guān)，且隨著擦地角增加，水平極化下的多普勒譜寬將逐步降至與垂直極化相當(dāng)?shù)乃剑?2)多普勒譜寬度隨雷達(dá)頻率、浪高的增加而增加；(3)多普勒譜寬在逆風(fēng)向時(shí)最大，在順風(fēng)向時(shí)最小。

此外，Lamont-Smith[43]發(fā)現(xiàn)，對(duì)于快變散射分量，HH和VV極化下的多普勒譜中心均與擦地角呈線性變化關(guān)系，且與風(fēng)速和雷達(dá)頻率無(wú)關(guān)；對(duì)于慢變散射分量，多普勒譜中心與擦地角也呈現(xiàn)線性變化關(guān)系，但其與風(fēng)速和雷達(dá)頻率則呈現(xiàn)復(fù)雜相關(guān)性。

需要說(shuō)明的是，在大擦地角(10°以上)條件下，海表面散射機(jī)理異于低擦地角條件，具體表現(xiàn)為：布魯斯特角抑制效應(yīng)不再顯著，削弱了多徑的影響，占據(jù)主導(dǎo)作用的散射分量為粗糙海面的Bragg散射，以及少量的白浪散射。機(jī)理層面的差異導(dǎo)致小擦地角海雜波譜特性分析結(jié)論或模型未必適用于大擦地角條件[13]。

5 大擦地角海雜波中目標(biāo)檢測(cè)

海上目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)是對(duì)海雷達(dá)信號(hào)處理研究的重要領(lǐng)域，現(xiàn)有研究主要針對(duì)小擦地角情況。大擦地角海雜波背景下目標(biāo)檢測(cè)面臨的主要問(wèn)題是等效后向散射面積增大，大部分海雜波能量投射到少數(shù)距離單元，能量分布不均，出現(xiàn)幅度突然增強(qiáng)的海雜波“異常單元”，導(dǎo)致檢測(cè)器參考單元所處的背景環(huán)境復(fù)雜多變難以預(yù)測(cè)，造成虛警概率增大[44]。盡管專(zhuān)門(mén)針對(duì)大擦地角的相關(guān)研究在不斷進(jìn)展，但目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單，主要基于某種分布模型進(jìn)行相應(yīng)的目標(biāo)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)或深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

近幾年來(lái)，研究人員對(duì)適用于大擦地角的最優(yōu)和次優(yōu)相干檢測(cè)器進(jìn)行了研究。Weinberg[45,46]利用KK分布和Pareto分布分析了最優(yōu)和次優(yōu)相干檢測(cè)器的檢測(cè)性能，發(fā)現(xiàn)利用KK分布的檢測(cè)器設(shè)計(jì)異常復(fù)雜，并不適用于實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)；而基于Pareto分布的檢測(cè)器設(shè)計(jì)則要簡(jiǎn)單很多。另外，對(duì)于Pareto分布雜波環(huán)境下的相干探測(cè)，可將白化匹配濾波器作為次優(yōu)檢測(cè)器使用，具有較高的檢測(cè)性能。

還有研究針對(duì)Pareto分布雜波背景探索了如何實(shí)現(xiàn)恒虛警，研究表明，在進(jìn)行簡(jiǎn)單的函數(shù)轉(zhuǎn)換后即可實(shí)現(xiàn)，并可利用簡(jiǎn)單的解析表達(dá)式來(lái)關(guān)聯(lián)虛警概率和檢測(cè)門(mén)限。

2017年，Jiang等人[47]在研究基于幾何的參數(shù)估計(jì)方法時(shí)，提出了基于有限訓(xùn)練集的正定矩陣空間檢測(cè)器(PDLT)，驗(yàn)證了其在多目標(biāo)情況下很穩(wěn)健，即使在訓(xùn)練樣本有限的條件下，PDLT的檢測(cè)性能依然優(yōu)于單元平均恒虛警檢測(cè)器(CA-CFAR)，且不需考慮背景雜波的統(tǒng)計(jì)分布模型。WANG等人在此基礎(chǔ)上，結(jié)合變指數(shù)CFAR檢測(cè)器[48—50]和支持向量機(jī)(SVM)[51,52]，提出了基于SVM的智能恒虛警檢測(cè)器，解決背景雜波類(lèi)型的自動(dòng)判斷問(wèn)題。之后，還有研究人員提出了基于正定矩陣雜波功率估計(jì)訓(xùn)練SVM的恒虛警檢測(cè)器(PSVM-CFAR)，該檢測(cè)器使用滑窗功率估計(jì)作為SVM的特征進(jìn)行訓(xùn)練，并根據(jù)SVM分類(lèi)結(jié)果判定參考窗口所處環(huán)境，選擇合適的自適應(yīng)檢測(cè)閾值，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)。

K分布是對(duì)大擦地角海雜波擬合效果較好的分布模型。相比相干積累，相參雷達(dá)系統(tǒng)下的非相干積累檢測(cè)方法可以提高雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)速度，達(dá)到實(shí)時(shí)處理的要求。2020年，張坤研究了相參雷達(dá)K分布海雜波背景下的非相干積累檢測(cè)方法的CFAR特性，提出了對(duì)雜波功率、雜波非高斯性、雜波散斑協(xié)方差矩陣、脈沖積累數(shù)和參考單元數(shù)CFAR的PWCA-CFAR檢測(cè)方法和PWCM-CFAR檢測(cè)方法[53]。在提出的兩種非相干積累檢測(cè)方法中，使用塊白化方法對(duì)海雜波進(jìn)行預(yù)白化處理，使得雜波散斑協(xié)方差矩陣變換為單位陣，并使用了匹配于雜波非高斯性、脈沖積累數(shù)和參考單元數(shù)的自適應(yīng)門(mén)限，保證了提出方法的CFAR特性。但對(duì)大擦地角海雜波中的目標(biāo)檢測(cè)效果，依舊有待實(shí)際測(cè)試。

在海雜波的較弱的信噪比(SIR)背景下檢測(cè)和跟蹤目標(biāo)，一種方法是使用掃描到掃描(scan-to-scan)處理。Luke等探索了一種新的掃描到掃描框架，用于檢測(cè)低SIR下的靜止目標(biāo)，并使用30°擦地角下海雜波的蒙特卡洛模擬來(lái)分析該方案的性能[54]。該方案通過(guò)將反饋因子設(shè)置為最小并在大量掃描中積分來(lái)達(dá)到在最大積分增益下的最佳表現(xiàn)，CFAR處理和二進(jìn)制積分器通過(guò)過(guò)濾移動(dòng)目標(biāo)和收集可能出現(xiàn)的海峰來(lái)降低虛警概率。該方案的缺點(diǎn)是在從二進(jìn)制積分器進(jìn)行初始檢測(cè)之前，需要進(jìn)行多次掃描。

此外，深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用為目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別提供了新的優(yōu)選途徑。深度學(xué)習(xí)的高維特征泛化學(xué)習(xí)能力，打破了海雜波下目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別的傳統(tǒng)檢測(cè)方法中需要控制參數(shù)、變量進(jìn)行相互比較的測(cè)試壁壘[55]。在參與調(diào)試的數(shù)據(jù)量充足和場(chǎng)景、條件合適的情況下，低擦地角下海雜波中目標(biāo)檢測(cè)的算法可以一定程度沿用到大擦地角條件下的目標(biāo)檢測(cè)。蘇寧遠(yuǎn)等人[56]將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)用于海上目標(biāo)微多普勒的檢測(cè)和分類(lèi)。在海面微動(dòng)目標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，在實(shí)測(cè)海雜波背景中分別構(gòu)建4種類(lèi)型微動(dòng)信號(hào)的2維時(shí)頻圖，并作為訓(xùn)練和測(cè)試數(shù)據(jù)集；之后分別采用Le Net,Alex Net和Goog Le Net 3種CNN模型進(jìn)行二元檢測(cè)和多種微動(dòng)類(lèi)型分類(lèi)，并進(jìn)行比較，研究信雜比對(duì)檢測(cè)和分類(lèi)性能的影響。結(jié)果與傳統(tǒng)的支持向量機(jī)方法進(jìn)行比較表明，所提方法具有更好的檢測(cè)和分類(lèi)性能，能夠智能學(xué)習(xí)微動(dòng)特征，可為雜波背景下的雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和識(shí)別提供新的技術(shù)途徑。

6 總結(jié)與展望

本文對(duì)大擦地角下海雜波試驗(yàn)數(shù)據(jù)集、特性分析、建模和目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理總結(jié)。著重對(duì)大擦地角海雜波研究常用到的Nathanson數(shù)據(jù)集和Ingara數(shù)據(jù)集等多個(gè)數(shù)據(jù)集、海雜波模型、大擦地角對(duì)海雜波特性的影響以及基于統(tǒng)計(jì)模型的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。

已經(jīng)通過(guò)梳理總結(jié)發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)工作于大擦地角時(shí)，分辨單元內(nèi)的海面有效散射面積增大，海雜波強(qiáng)度變大，嚴(yán)重影響海面目標(biāo)檢測(cè)，尤其是海面微弱目標(biāo)的檢測(cè)?，F(xiàn)有的海雜波機(jī)理研究較為深入，基本理清了大擦地角與小擦地角海雜波差異的物理機(jī)制，但特性研究還集中于傳統(tǒng)的時(shí)域統(tǒng)計(jì)和頻域譜特性分析，進(jìn)而形成基于統(tǒng)計(jì)模型的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)海雜波的時(shí)變非平穩(wěn)、空間非均勻性考慮還不充分，對(duì)大擦地角下探測(cè)場(chǎng)景的認(rèn)知分類(lèi)還有待于進(jìn)一步提升。

面向雷達(dá)在大擦地角下海雜波特性目標(biāo)檢測(cè)的研究前沿和挑戰(zhàn)，我們預(yù)期以下方面在未來(lái)一個(gè)時(shí)期值得重點(diǎn)關(guān)注。

(1)開(kāi)展試驗(yàn)、獲取數(shù)據(jù)、交流和構(gòu)建大擦地角數(shù)據(jù)集?，F(xiàn)有的大擦地角下海雜波特性目標(biāo)檢測(cè)的相關(guān)研究多是在已有的雷達(dá)對(duì)海數(shù)據(jù)獲取實(shí)驗(yàn)中取得，這些實(shí)驗(yàn)基本不以大擦地角下為觀測(cè)的條件因素或在大擦地角下的數(shù)據(jù)記錄太過(guò)分散、不全面，使得大擦地角下的對(duì)海目標(biāo)檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法覆蓋全測(cè)試條件和實(shí)際可能發(fā)生的條件，在進(jìn)行建模和特性分析的時(shí)候，考慮的因素?zé)o法通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行好的測(cè)試，對(duì)適應(yīng)性更好的新模型和更全面的特性總結(jié)有阻礙。公共數(shù)據(jù)交流環(huán)境發(fā)展依舊滯后，數(shù)據(jù)分享和研討需要更多的進(jìn)行，共同構(gòu)建觀測(cè)角度和影響因素更全面的大擦地角數(shù)據(jù)集。

(2)基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的特性分析有待加強(qiáng)。在對(duì)大擦地角下的海雜波特性進(jìn)行分析時(shí)，多數(shù)研究專(zhuān)注于對(duì)其機(jī)理層進(jìn)行推演和總結(jié)，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的特性現(xiàn)象分析和解釋程度較淺。多數(shù)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特性分析推導(dǎo)僅僅至可能形成的原因，并未繼續(xù)用相似條件下或控制可能形成此特性的影響因素后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析總結(jié)確認(rèn)。這一定程度上也與當(dāng)前大擦地角下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集的不全面、數(shù)據(jù)量少有一定關(guān)系。今后應(yīng)該繼續(xù)加強(qiáng)和完善從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特性結(jié)果推演形成原因的相關(guān)工作，并能最終做到結(jié)合特性分析結(jié)果對(duì)大擦地角下對(duì)海目標(biāo)測(cè)試的現(xiàn)象進(jìn)行機(jī)理層面的解釋。

(3)驗(yàn)證現(xiàn)有大擦地角下的對(duì)海目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，并發(fā)展新的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)。大擦地角條件下強(qiáng)海雜波對(duì)艦船目標(biāo)檢測(cè)的影響是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。今后還需通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)海雜波特性進(jìn)行多維度研究，對(duì)已經(jīng)提出的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)加快驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用周期，并繼續(xù)發(fā)展新的目標(biāo)檢測(cè)思路和技術(shù)，提升大擦地角條件下雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)性能。