基于空間多波束的高頻地波雷達電離層雜波抑制算法

姚 迪 張 鑫② 楊 強② 鄧維波② 陳秋實

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基于空間多波束的高頻地波雷達電離層雜波抑制算法

姚 迪①張 鑫①②楊 強*①②鄧維波①②陳秋實①

①(哈爾濱工業大學電子與信息工程學院 哈爾濱 150001)②(哈爾濱工業大學信息感知技術協同創新中心 哈爾濱 150001)

在小孔徑高頻地波超視距雷達系統中，普遍存在一種覆蓋一定距離單元，多普勒單元以及全部角度單元的電離層雜波。為抑制該雜波并且提高被其淹沒目標的檢測概率，該文提出一種基于空間多波束的電離層雜波抑制算法。該方法充分利用寬波束時波束間具有很強相關性的特點，以及實際情況下雜波覆蓋的距離單元數或多普勒單元數遠遠多于目標所覆蓋的單元數的特點來實現雜波信息的估計與抑制。仿真實驗與實測數據結果均證明該方法可以有效地抑制電離層雜波，并顯著地提高被淹沒目標的檢測概率。

高頻地波超視距雷達；寬波束；雜波抑制；被淹沒目標

1 引言

高頻地波雷達利用高頻電磁波(3~30 MHz)在導電海洋表面繞射傳播衰減小的特點，通過發射垂直極化的高頻電磁波，實現超視距探測[1]。其能夠對專屬經濟區內的艦船目標與低空飛行器進行全天候地探測與跟蹤[2,3]。然而在高頻波段，回波中的目標信號通常會淹沒在復雜的電離層雜波中，這將極大地降低目標被檢測的概率。特別是對于小孔徑高頻地波雷達，寬波束使得空間中任一方向的電離層雜波都將存在于回波信號所有的角度單元中，這將進一步增加目標被淹沒的風險。此外，較少的陣元數目將大大降低雷達系統中可用于進行雜波抑制的陣列自由度。然而在現有的高頻地波雷達系統中，有很大一部分采用小孔徑陣列模式。例如CORDAR[4], WERA[5](四陣元結構)以及OSMAR2003[6](八陣元結構)等等。因此，如何抑制電離層雜波以及提高淹沒在雜波中目標的檢測概率一直是小孔徑高頻地波雷達的重要議題。

在小孔徑高頻地波雷達系統中，考慮到其中弱目標更容易被電離層雜波淹沒的實際情況以及波束間具有很強相關性的特點，本文提出一種基于空間多波束的電離層雜波抑制方法。本文方法在主瓣半功率角以外方向形成輔助波束來獲取雜波樣本。由于系統的波束很寬，空間相關性很強，所以輔助波束將含有與主波束十分相近甚至相同的雜波信息。此外，根據電離層在距離單元與多普勒單元的分布特性，在距離維與多普勒維進行雜波估計可以有效地避免目標自相消問題。綜上所述，通過對電離層雜波在波束域，距離維或多普勒維的聯合抑制，所提出的方法可獲得更好雜波抑制性能。同時有效地避免了目標自相消問題的發生，極大地提高了系統的輸出信雜比。

本文在第2節分析了電離層雜波在小孔徑高頻地波雷達系統中所表現出的空間分布特性；在第3節，一種基于空間多波束的電離層雜波抑制方法被提出；第4節通過仿真實驗證明所提出算法的有效性；在第5節中給出實測數據驗證以及雜波抑制性能的對比結果；第6節對本文進行總結。

2 雜波特性分析

目前，對于大孔徑陣列高頻地波雷達系統，電離層雜波的空域、時域和頻域的分布特性已經被深入地研究[7,8]。然而在小孔徑高頻地波雷達系統中，其較小的陣列孔徑會導致空間波束嚴重地展寬。因此，電離層雜波的空域分布特性相比于大孔徑陣列也將產生明顯地改變。而雜波抑制算法的研究很大程度上取決于對其分布特性的理解。因此，我們需要對小孔徑陣列中雜波的空域分布相關性進行準確地估計。

本節，我們采用實際測量數據來分析電離層雜波在小孔徑高頻地波雷達系統中表現出的空域分布特性。其中實測數據來自于中國威海高頻雷達試驗站，陣列單元數為8個，記錄時間為2016年5月12日。每批實測數據均依次經過了脈沖壓縮，多普勒與數字波束形成等處理過程。電離層雜波的距離-多普勒譜如圖1所示。波束指向為0o方向(陣列的法線方向為0o)，系統工作頻率為5.6 MHz。

為更有效地對實測數據中雜波的空域分布特性進行研究，此處，我們采用一種基于空間特征向量的相關性分析方法。其詳細的計算流程如下：

圖1 實測數據電離層雜波距離-多普勒譜

(6)計算(5)中得出的歸一化特征向量的相關系數。

在圖1中任選5處包含電離層雜波的區域計算雜波相關系數，數字波束形成的角度間隔為1o，參考波束方向為0o。結果如圖2所示，5處電離層雜波區域的空域相關系數都近似等于1。因此可以得出，由于小孔徑高頻地波雷達系統中波束的嚴重展寬，電離層雜波在其中會表現出極強的空域相關性。

3 雜波抑制算法

3.1 信號模型

式中，與分別為目標的復幅度與導向矢量，表示雜波信號，為加性高斯白噪聲。當目標能量弱于雜波信號時，信雜比為負數，則目標淹沒于雜波信號中無法被系統檢測到。最小方差無失真響應是一種經典的空域濾波器，其可以在保證期望信號無失真的同時使雜波與噪聲的輸出功率最小。因此在理想條件下，該濾波器可以使雷達系統獲得最高的輸出信雜比，以及對于被淹沒弱目標的良好的檢測能力。回波信號的自相關矩陣可以表示為

3.2 本文算法

圖3 算法結構框圖

則雜波抑制方法的輸出功率為

則最優權向量可以表示為

圖4 輔助波束結構框圖

綜上所述，本文所提出算法通過在主波束單元附近形成若干輔助波束單元來估計該主波束單元內的雜波信息，然后用主波束單元減去由輔助波束單元估計出的雜波信息，從而實現對電離層雜波的抑制，并同時保留了主波束單元內目標信號。以上算法可執行次以確保所有主波束單元內的雜波信息均可被有效地抑制，其中為主波束單元數目。因此，本方法可在不事先預知目標所在波束的情況下完成對所有主波束單元內雜波的有效抑制。

4 仿真驗證

在實際的小孔徑高頻地波雷達系統中，感興趣的目標信號通常會被電離層雜波所淹沒。本文提出的是一種基于統計估計的雜波抑制算法。因此，在理論上該方法將可抑制任意空間分布特性的電離層雜波。在雷達信號處理理論中，高斯分布、均勻分布、瑞利分布以及泊松分布是4種最典型的雜波的空域分布特性。

因此，為了驗證提出算法的雜波抑制性能，我們分別在具有以上4種分布特性的雜波中加入同一被淹沒的弱目標。陣列單元數為8個，輔助波束數為20個，空域窗函數為25 dB切比雪夫窗，目標的方向為0o。每組實驗的抑制結果均由1000次蒙特卡羅實驗進行平均得到，其結果如圖5所示，輔助波束方法可以有效地估計雜波信息，并且被淹沒目標已經明顯可見。

5 實測數據驗證

5.1 性能比較

本節將驗證所提算法在雜波抑制方面的有效性和先進性。因此，一個詳細的算法性能比較被執行在所提算法，數字波束形成，相干旁瓣相消[12]以及主瓣雜波抑制方法[14]之間。小孔徑高頻地波雷達系統采用八陣元的均勻直線接收陣列，系統工作頻率為5.6 MHz，所用實測數據的距離-多普勒譜如圖1所示。根據上述系統工作頻率，其理論上一階布拉格峰的頻率分別為±0.241 Hz。本文提出算法在計算主波束和輔助波束時，所用的空域窗函數均為25 dB切比雪夫窗。起始輔助波束指向為主波束-3 dB衰減時對應的角度，以1o為間隔共形成20個輔助波束。

圖5 雜波抑制仿真驗證

如圖1所示，其中共存在3塊能量很強的電離層雜波區域。當目標能量弱于雜波能量且目標恰好出現在該區域時，目標將因為被雜波所淹沒而無法被檢測出來。為了驗證算法的雜波抑制性能，我們在能量最強的雜波區域所在的波束單元內加入一個仿真目標，目標能量弱于電離層雜波能量，分別使用以上4種方法進行處理，目標詳細信息如表1所示。為方便觀察，對加入目標區域的距離-多普勒譜進行局部放大，其結果如圖6(a)所示；圖6(b)表示相同區域雜波抑制后的距離-多普勒譜；圖6(c)表示雜波抑制前后目標所在距離與角度單元的多普勒剖面圖。顯然，本文方法相比于其它方法不論在電離層雜波抑制方面，或是在提高被淹沒目標檢測概率方面都具有明顯的優勢。如圖6(c)所示，本文所提方法的輸出信雜比相較于主瓣雜波抑制方法提高了5 dB，比相干旁瓣相消方法提高了12 dB。為驗證所提出算法是否適用于多目標情況，我們依次在雜波區域加入1至4個仿真目標，各仿真目標間占據相同的距離單元與波束單元以及不同的多普勒單元。選取表1中的目標作為參考目標用以分析存在不同目標時對參考目標輸出信雜比的影響。其實驗結果如圖6(d)所示，本文提出的算法可確保即使在多目標的情況下，電離層雜波被有效地抑制，并且所有目標仍可獲得近似最優的輸出信雜比，此時參考目標詳細信息如表2所示。

5.2 性能分析

綜上所述，相比于其它算法，本文所提出算法具有更好的電離層雜波抑制性能，以及更優的輸出信雜比。這是因為本文提出方法首先使用空間多波束技術獲得雜波樣本，然后在距離維或多普勒維對雜波樣本進行統計估計，既保證了雜波的抑制性能也提高了系統輸出的信雜比。而數字波束形成技術并不具有抑制雜波的能力；相干旁瓣相消方法應用于實際雷達系統時，其輔助天線接收到的回波信號中，不僅包含雜波信號也會包含目標信息。因此，目標自相消情況將會發生，這會引起系統輸出信雜比的較大損失；主瓣雜波抑制方法雖然在大孔徑陣列上可以獲得較好的雜波抑制性能，然而對于小孔徑陣列，較少的陣元會導致濾波器凹口的變淺與系統自由度的減少。變淺的凹口濾波器無法有效地保護目標信號，從而降低了輸出信雜比。此外，本文提出的電離層雜波抑制算法對實際的電離層雜波進行抑制后，輸出結果表明雜波被有效地抑制的同時并未在加入仿真目標以外的多普勒單元出現疑似目標的能量峰值。由此可以得出，本方法在有效提高檢測能力的同時并未導致虛警的增加。

表1仿真目標信息

算法距離單元多普勒頻率(Hz)波束單元輸入信雜比(dB)輸出信雜比(dB) 數字波束形成141-0.192-5-5 相干旁瓣相消141-0.192-513 主瓣雜波抑制141-0.192-520 本文提出算法141-0.192-525

表2多仿真目標信息

目標數參考目標距離單元參考目標多普勒頻率(Hz)參考目標波束單元參考目標輸入信雜比(dB)參考目標輸出信雜比(dB) 1個目標141-0.192-525.0 2個目標141-0.192-524.5 3個目標141-0.192-523.5 4個目標141-0.192-522.0

圖6 電離層雜波實測數據驗證

6 結束語

本文對電離層雜波在小孔徑高頻地波雷達系統中的空域分布特性首先進行分析。以其表現出的強空間相關性為理論基礎，提出一種基于空間多波束的雜波抑制算法。仿真實驗與實測數據結果均證明所提出方法可以在有效地抑制雜波的同時基本保留全部的目標回波能量。相比于數字波束形成、相干旁瓣相消以及主瓣雜波抑制方法，本文所提算法在電離層雜波抑制方面以及系統最后輸出信雜比方面都具有明顯的優勢。因此，經過該抑制算法可以使得被淹沒的弱目標獲得更高的檢測概率。未來，我們將針對如何設計輔助波束形式以確保系統獲得最優的輸出信雜比進行深入的研究。

[1] BARRICK D E. History, present status, and future directions of HF surface-wave radars in the U.S.[C].IEEE International Radar Conference, Adelaide, 2003: 652-655. doi: 10.1109/ RADAR.2003.1278819.

[2] PONSFORD A M and WANG J. A review of high frequency surface wave radar for detection and tracking of ships[J]., 2010, 18(3): 409-428. doi: 10.3906/elk-0912-331.

[3] JI Y G, ZHANG J, WANG Y M,. vessel target detection based on fusion range-Doppler image for dual-frequency hign- frequency[J]., 2016, 10(2): 333-340. doi: 10.1049/iet-rsn.2015.0190.

[4] WANG C Y, SU C L, and WU K H. Cross spectral analysis of CODAR-seasonde echoes from sea surface and ionospheric at Taiwan[J]., 2017, 2017: 1-14. doi: 10.1155/2017/1756761.

[5] KAMLI E, CHAVANNE C, and DUMONT D. Experimental assessment of the performance of high-frequency CODAR and WERA radars to measure ocean currents in partially ice-covered waters[J]., 2016, 33(3): 539-550. doi: 10.1175/JTECH-D-15- 0143.1.

[6] WAN X G, KE H Y, and WEN B Y. Adaptive cochannel interference suppression based on subarrays for HFSWR[J]., 2005, 12(2): 162-165. doi: 10.1109/LSP.2004.840873.

[7] CHEN S Y, GILL E W, and HUANG W M. A high-frequency surface wave radar ionospheric clutter model for mixed-path propagation with the second-order sea scatter[J]., 2016, 64(12): 5373-5381. doi: 10.1109/TAP.2016.2618538.

[8] JIANG W, DENG W B, and SHI J L. Characteristic study of ionospheric clutter in high-frequency over the horizon surface wave radar[C]. IEEE Youth Conference on Information, Computing and Telecommunication, Beijing, 2009: 154-157. doi: 10.1109/YCICT.2009.5382405.

[9] 張雅斌, 陳衛東, 張守宏, 等. 基于SVD的高頻地波雷達干擾與雜波抑除算法[J]. 電子與信息學報, 2006, 28(11): 1994-1997.

ZHANG Yabin, CHEN Weidong, ZHANG Shouhong,. Interference and clutter mitigation based on SVD for HFGWR[J].&, 2006, 28(11): 1994-1997.

[10] 蘇洪濤, 張守宏, 保錚. 高頻地波超視距雷達目標距離、方位角和多普勒頻移估計算法[J]. 電子與信息學報, 2007, 29(3): 509-512. doi: 10.3724/SP.J.1146.2005.00844.

SU Hongtao, ZHANG Shouhong, and BAO Zheng. An algorithm for target range, azimuth angle and Doppler frequency estimation of HF-SWR[J].&, 2007, 29(3): 509-512. doi: 10.3724/ SP.J.1146.2005.00844.

[11] LEONG H. Adaptive nulling of skywave interference using horizontal dipole antennas in a coastal HF surface wave radar system[C]. IEE Radar Conference, Edinburgh, 1997: 26-30. doi: 10.1049/cp:19971625.

[12] WAN X R, KE H Y, and WEN B Y. Adaptive ionospheric clutter suppression based on subarrays in monostatic surface wave radar[J]., 2005, 152(2): 89-96. doi: 10.1049/ip-rsn:20045020.

[13] WU M, WEN B Y, and ZHOU H. Ionospheric clutter suppression in HF surface wave radar[J]., 2012, 23(10): 1265-1272. doi: 10.1163/156939309789108570.

[14] ZHANG X, YANG Q, YAO D,. Main-lobe cancellation of the space spread clutter for target detection in HFSWR[J]., 2015, 9(8): 1632-1638. doi: 10.1109/JSTSP.2015.2468193.

[15] JI Y G, ZHAN J, WANG Y M,. Vessel target detection using zero-Doppler spectra of radar echo for high-frequency surface wave radar[J]., 2016, 10(7): 1243-1248. doi: 10.1049/iet-rsn.2015.0495.

[16] SALEH O, RAVAN M, RIDDOLLS R,. Fast fully adaptive processing: A multistage STAP approach[J]., 2016, 52(5): 2168-2183. doi: 10.1109/TAES.2016.150366.

[17] RAVAN M, RIDDOLLS R J, and ADVE R S. Ionospheric and auroral clutter models for HF surface wave and over-the horizon radar systems[J]., 2016, 47(3): 1-12. doi: 10.1029/2011RS004944.

姚 迪： 男，1988年生，博士，研究方向為陣列信號處理、小孔徑高頻地波雷達干擾與雜波抑制.

張 鑫： 男，1986年生，助理研究員，研究方向為陣列信號處理、空時自適應信號處理.

楊 強： 男，1970年生，教授，研究方向為弱目標檢測、新體制信號處理和信息提取、實時信號處理.

鄧維波： 男，1961年生，教授，研究方向為雷達抗干擾技術及天線陣列信號處理、雷達目標散射特性.

陳秋實： 女，1988年生，博士，研究方向為壓縮感知、波形設計.

Ionospheric Clutter Suppression Algorithm Based on SpaceMultibeam for High Frequency Surface Wave Radar

YAO Di①ZHANG Xin①②YANG Qiang①②DENG Weibo①②CHEN Qiushi①

①(,,150001,)②(,150001,)

In the small-aperture high-frequency surface-wave over-the-horizon radar system, the ionospheric clutter that covers a certain range bins, the Doppler bins and all the angle bins is generally existent. To restrain the clutter and ensure the submerged target easy detect, this paper presents an ionospheric clutter suppression algorithm based on spatial multi-beam. This method makes full use of the characteristics of the strong correlation between the beams in the wide beam and the characteristics of the number of range bins or Doppler bins covered by the clutter is far more than the number of bins covered by the target to achieve the clutter information estimation and suppression. The results of the simulation experiment and the measured data show that the method can effectively suppress the ionospheric clutter, and significantly improve the detection probability of the submerged target.

High-frequency surface-wave over-the-horizon radar; Wide spatial beam; Clutter suppression;Submerged target

TN958

A

1009-5896(2017)12-2827-07

10.11999/JEIT170477

2017-05-17；

2017-10-12；

2017-10-27

通信作者：楊強 yq@hit.edu.cn

國家自然科學基金(61171182, 61701140, 61171180, 61571159)，中央高校基本科研業務費專項資金(HIT.MKSTISP. 201613, HIT.MKSTISP.201626)

: The National Natural Science Foundation of China (61171182, 61701140, 61171180, 61571159), The Fundamental Research Funds for the Central Universities (HIT. MKSTISP.2016 13, HIT.MKSTISP.2016 26)