X波段雷達實測海雜波的特性分析*

楊永生， 張宗杰

0 引言

海雜波通常是指雷達接收來自海表面散射的回波信號，它不僅與海面粗糙度密切相關，而且雷達波的極化、波段以及入射角度等系統參數對其也有較大的影響。艦載雷達和海岸警戒雷達在維護國家和地區安全方面發揮著重要的作用，其主要任務是在海雜波背景下實現目標的檢測、識別與跟蹤，如船只、低空掠海飛行的飛機和導彈等。因此，海雜波特性的研究已成為現代雷達系統設計與性能評估的重要課題[1-2]。

目前，已從多種角度對海雜波的特性進行了深入的研究，如海尖峰、多普勒譜、相關分析及統計建模等。在海雜波統計建模方面，已提出的模型有Weibull分布、log-normal分布、Gamma分布、復合高斯分布以及 K 分布等[1-5]。文獻[6]，利用英國南部海岸某雷達海雜波數據來分析含有3個分量的多普勒譜模型，該模型是通過wavetank數據建立起來的。并進一步研究了海雜波數據中的去相關、多普勒、極化等特征；分析了Bragg與non-Bragg散射機理、海尖峰特性與風向之間的關系。文獻[7]，從時間、幅度和頻率3個角度，對海雜波的海尖峰進行了分析。

文中利用X波段極化雷達實測數據，對海雜波進行了功率譜密度和相關分析，得到了一些有益的結果。

1 實驗數據

研究中所采用的實測海雜波數據是 McMaster IPIX雷達采集的，該數據可在互聯網上下載，其網址 為 http：//soma.crl.mcmaster.ca/ipix/dartmouth/datasets.html#download。McMaster IPIX 位于加拿大的Dartmouth, 它架設在高于海平面25～30 m處的陸地上，這是典型艦載雷達的安裝高度。McMaster IPIX雷達天線指向固定，僅可對一片海域進行低掠射角探測。發射機峰值功率為 8 kW，采用的是行波電子管放大器。接收機為相干接收方式，它的瞬時動態范圍已達到50 dB。拋物面天線的直徑為2.4 m，波束寬度為1.1 deg，天線增益為45.7 dB。McMaster IPIX雷達具有4個極化接收通道（HH，VV，HV，VH），其中，V表示垂直極化，H表示水平極化。

文中所使用的海雜波數據是1993年11月11日McMaster IPIX雷達接收到的海雜波數據，當時海面波高為0.7 m。雷達波的載頻為9.39 GHz，脈沖重復頻率 PRF為1 000 Hz，脈寬為200 ns，波束寬度為0.9 deg，距向分辨率為30 m。McMaster IPIX 雷達總共有14個距離門，相鄰的距離門間距為15 m，每個距離門采樣的樣本數為172 ，即131 072。因此，海雜波持續時間大約為130 s。

圖1為X-波段海雜波實測數據，其中，圖1(a)為HH極化的海雜波幅度，圖1(b)為VV極化的海雜波幅度，水平軸為時間；縱軸為海雜波幅度。從圖1可以看出，HH和VV極化的海雜波在幅度上變化均較劇烈，都表現出了一定的隨機性和海尖峰特性，而且HH極化海雜波的海尖峰特性要比VV極化的更顯著。表1為高于n倍均值樣本的百分比，其中，μ為均值，HH極化的均值為0.635 5，VV極化的均值為0.734 3。從表1同樣可以看出，HH極化的海尖峰特比VV極化的更明顯，如HH極化海雜波高于3倍均值樣本占比為4.75%，而VV極化海雜波的占比僅為3.57%。

圖1 X-波段海雜波實測數據

表1 高于n倍均值樣本的百分比

2 海雜波的特性分析

2.1 功率譜密度

為了避免直流分量的影響，首先從原始數據中去掉直流分量，即信號的均值。周期圖法是典型的功率譜估計方法之一。它是基于數據的Fourier變換來估計平穩過程的功率譜密度。因此，它具有較高的計算效率。利用周期圖法估計平穩過程 (x)n的功率譜密度 (S)ω，其表達式為：

海雜波的功率譜密度是采用改進的周期圖譜方法來估計的，其中數據加矩形窗，矩形窗為256點。為了減少頻譜的泄漏，對數據進行50%的重疊。圖2(a)和圖2(b)分別為HH和VV極化的海雜波功率譜密度，HH和VV極化海雜波的功率譜密度主要分布在100 Hz以內。從圖2可以看出，VV極化海雜波的功率譜密度具有更窄的帶寬，且衰減的更快。

圖2 海雜波的功率譜密度

2.2 相關性

為了更好地研究海雜波的特性，需要進行相關分析。就二維海雜波而言，相關性包括空間相關分析和時間相關分析。由于McMaster IPIX雷達的距離門數僅為14，數目太少。因此，在這里不對海雜波進行空間相關方面的分析和研究。自相關函數R(τ)的定義為：

式中， P (t)為海雜波的幅度，τ為時延， ?為期望運算，‘*’為復共軛運算。根據Wiener-Khintchine定理，平穩過程的自相關函數 R (τ)與功率譜密度S(ω)之間的關系為：

圖3(a)和圖3(b)分別為HH和VV極化的海雜波自相關函數。從圖3可以看出，HH和VV極化海雜波相關性具有相似的變化趨勢。HH和VV極化海雜波在大約20 ms以后，自相關函數 ()Rτ基本保持不變，VV極化的相關系數在0.2附近波動，而HH極化的相關系數在0.1附近波動，這表明HH極化的海雜波相關性要比VV極化的相關性要小一些。

圖3 海雜波的自相關函數

3 結語

文中對 X波段雷達實測海雜波進行了功率譜密度和相關分析。與HH極化相比，VV極化海雜波的功率譜密度具有更窄的帶寬，且衰減的更快。而 HH和 VV極化海雜波具有相似的相關性，但HH極化的相關系數要比 VV極化的要小。由于McMaster IPIX雷達在空間探測范圍的有限性，限制了海雜波在空間相關性的分析。此外，還需要深入研究海洋環境對海雜波的影響，這也是下一步研究工作的重點。

[1] 孫方,康士峰,王紅光. 海雜波中的超視距雷達探測性能分析[J]. 通信技術，2012，45(04)：50-53.

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[4] 曲秀鳳，種勁松，吳秀娟，等.海洋雨團的全極化 SAR回波信號仿真研究[J]. 通信技術，2010，43(02)：31-34.

[5] 郭偉，張會生，李立欣.基于 PN序列相關檢測的MIMO-OFDM信道估計[J]. 信息安全與保密技術，2010(06)：48-50.

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