高頻地波雷達電離層雜波抑制方法綜述*

劉強，尚尚，石依山，喬鐵柱

（江蘇科技大學海洋學院，江蘇 鎮江 212100）

0 引言

高頻地波雷達（HFSWR）在高頻段（3～30 MHz）利用短波進行工作，在導電海洋表面進行繞射時，具有傳播衰減小、超視距、大范圍、全天候以及低成本等一系列優點。 高頻地波雷達利用海洋表面對電磁波的一階散射和二階散射機制，在雷達回波中提取出風場、浪場、流場等海況信息，從而實現對海洋環境大范圍、高精度和全天候的實時監測，便于海上工程的實施。

高頻地波雷達的工作環境并非處于理想狀態，高頻電磁波在垂直極化的狀態下，不可避免地向其他方向輻射，從而在產生目標回波的基礎上產生各種雜波，如海雜波、地物回波和電離層雜波等，其中電離層雜波占雜波干擾的支配地位。通常電磁波在電離層（D層：60～90 km；E層：90～140 km；F1層：140～200 km；F2層：200～1 000 km）D層以上產生反射，電離層雜波出現在90～100 km以外［1］，以條狀、點狀、片狀、帶狀、彗星狀等出現在距離-多普勒譜中［2］。電離層所在區域溫度不同、高度不同、電子濃度不同、時間不同，電離層展現了不同層次的不規則結構，使得電離層通常不具有理想鏡面反射特性。而高頻地波雷達需要一定時間的脈沖累積對信號進行處理，在累積的過程中，電離層雜波隨著時間的改變對距離元、多普勒頻移、多普勒擴展度、雜波強度等產生影響，雷達的有效探測距離變短，探測目標信號淹沒在雜波信號中，提高虛警漏警概率，嚴重影響了目標的檢測能力，導致后續海態探測結果精度不高，出現數據異常，給海上目標檢測帶來了極大的挑戰。因此，為了提高高頻地波雷達的檢測能力，首先要對雷達回波數據中的電離層雜波數據進行抑制。傳統的電離層雜波抑制方法有基于特征值分解的方法，基于自適應旁瓣對消的方法，基于空時自適應的方法，基于極化濾波的方法等。特征值分解利用協方差矩陣的特征值分布來劃分信號子空間和噪聲子空間，實現對電離層雜波抑制，當電離層雜波多普勒頻率與目標不相近時，可以很好地抑制電離層雜波，但當目標多普勒頻率與電離層雜波相近時，可能會導致目標的丟失或目標譜偏移；自適應旁瓣對消利用輔助通道找到最優權從而對主通道進行雜波抑制，由于E層電離層雜波具有方向性，當目標方位和電離層雜波不一致時，可以對電離層雜波進行有效的抑制，當目標方位與電離層雜波相同時，自適應旁瓣對消就束手無策了；空時自適應利用空域和時域自適應濾波，可有效地解決以上問題，但空時自適應所產生的計算維度較高，計算時間較長，不利于工程上的實現；基于極化域的方法利用極化域中目標和雜波的特征來進行處理，但該方法對天線的要求較高從而使得系統變復雜，故而在工程中很少應用。電離層雜波已然成為了阻礙高頻地波雷達發展的瓶頸，本文對電離層雜波的抑制進行了分析和總結。

1 電離層雜波抑制技術

1.1 基于特征值分解的電離層雜波抑制

基于特征值分解（EVD）的方法，是在Schmidt提出的MUSIC算法的基礎上得出，是將原始信號生成的協方差矩陣進行特征值分解，根據特征值梯度準則和相鄰距離元插值估計準則，將其分解為噪聲子空間和信號子空間，待處理單元信號通過對噪聲子空間的投影，得到電離層雜波序列。由于電離層電子濃度和高度的時變特征，雜波通常在距離域和多普勒域均有擴展，從單一域進行電離層雜波抑制效果具有局限性，為了解決這一問題，熊新農等人提出了在陣元-脈沖域和脈沖-距離域進行聯合特征值分解法進行處理［3］，一定程度上改善了信噪比，提高實際探測距離；電離層雜波具有強不平穩性和多樣性，單一的方法對電離層雜波抑制效果有限，熊新農等人提出了將時頻分析和特征值分解相結合［4］，對電離層雜波進行抑制，運算量較小，可有效改善信噪比，有利于工程的實現；當Es層（偶發E層）電離層雜波在多普勒域的表現與海洋目標信號相近時，無法在保證海洋目標信號的情況下有效地抑制Es層電離層雜波，為了解決這一問題，Wei等人利用Es層雜波的相干時間比海洋目標信號長得多的特性，提出了一種新算法對Es層雜波進行抑制［5］，實現了Es層雜波抑制和海洋回波信息的保留；為了考慮小口徑雷達的雜波抑制效果，周浩等人利用電離層雜波聚集區在距離上的相關性遠高于海洋目標信號，提出利用時頻面掩處理抑制強雜波或相鄰距離元的相關性實現雜波對消［6］，為小口徑雷達提供了雜波抑制方法；但由于電離層雜波形式復雜，能量強，周浩等人從Es層雜波的能量上出發，發現Es層雜波在能量上顯著高于海洋回波，且在距離上也明顯高于海洋回波的相關性，提出了雜波抑制的距離相關對消法［7］，可有效地抑制Es層強雜波，提高小口徑雷達的探測效果；考慮到相鄰距離單元的回波信號相關性不一樣，蔚娜等人提出了多模雜波抑制方法［8］，在相鄰距離單元中選擇相鄰系數大的距離單元，考慮到目標信號在距離上的擴展，留有一定的保護單元，該方法能有效地抑制雜波并凸顯目標，實現簡單，更有利于工程的實現。

基于特征值分解的電離層雜波抑制的流程如圖1所示。

圖1 基于特征值分解的電離層雜波抑制的流程圖

1.2 基于自適應旁瓣對消的電離層雜波抑制

基于自適應旁瓣對消（ASLC）的方法［9-11］，是利用干擾的相關性，按一定排列規律安裝輔助天線，自適應選定最優權系數進行旁瓣對消，使干擾信號的功率最小，將輔助天線信號加權求和后與主天線信號進行對消，從而達到電離層雜波抑制效果。直接矩陣求逆（DMI）的自適應旁瓣對消［12］在背景噪聲小且陣元數多于干擾個數時，數值變得極其不穩定，為了解決這一問題，郭強提出了基于奇異值分解的自適應旁瓣對消［13］，該方法有效地緩解DMI數值不穩定的情況，提高了旁瓣對消的性能，克服了協方差矩陣在某些情況下數值不穩定的影響；由于DMI和SVD對高維協方差矩陣進行處理時運算量巨大，許航等人提出了前后向平均技術和快速極大似然算法相結合的方法［14］，減少了獨立樣本個數，能快速有效地抑制相干和非相干干擾；旁瓣對消主要取決于干擾的相關性，在相鄰距離門的選取上，趙龍等人提出選擇含有明顯電離層雜波的相鄰距離單元作為參考采樣數據［15］，提高算法的效率，信噪比得到了一定程度的改善；由于強近地雜波在接收時，對旁瓣對消產生了巨大的干擾，闞保強等人提出權值存儲的方案［16］，有效地解決了強近地波影響問題，易于工程實現；但單一處理效果是十分有限的，黃堅團隊提出了時頻分析結合自適應旁瓣對消來抑制電離層雜波［17］，通過時頻分析選擇時段和區間，對選定的區間進行特征值分解和自適應旁瓣對消處理，實現對電離層雜波的抑制，獲得了比較好的抑制效果，彌補了單一方法的不足；為了提高旁瓣電離層雜波非均勻樣本的抑制效率，郭躍宇提出了基于盲源分離的旁瓣條狀電離層雜波抑制［18］，通過預處理盲源分離，得到獨立源的信息，取得了較好的電離層雜波抑制效果。

基于自適應旁瓣對消的電離層雜波抑制的流程如圖2所示。

圖 2 基于自適應旁瓣對消的電離層雜波抑制的流程圖

1.3 基于空時自適應的電離層雜波抑制

基于空時自適應（STAP）的方法［19-22］，是利用次要距離單元雜波干擾的相關性，選取目標距離單元附近除保護距離單元外的若干相鄰距離單元作為快拍，估計雜波協方差矩陣，對電離層雜波進行抑制?？諘r二維自適應信號處理技術最早由Brennan等人在1973年首次提出，該技術在空域和時域聯合對雜波進行處理，有效地實現了雜波的抑制和目標的檢測。為了解決訓練樣本需求量大的問題，王振中提出了協方差矩陣錐度波束形成算法［23］，把干擾協方差矩陣與一個正定的矩陣做Hadamaed乘積，既保留了全空時自適應濾波的優點，還有效地減少了訓練樣本數，提高了全空時自適應的效能；為了解決在強雜波背景中弱目標信號檢測這一問題，Wang等人提出了聯合域局部廣域似然比檢測（JDL-GLR）［24］，在數據有限的情況下，采用局部聯合域自適應處理，有效地消除了自由度和維度的影響，實現了計算效率的提高和弱目標的檢測；但這種方法由于有限的快拍，以及各個距離門中雜波特性不完全相同，在目標方向與電離層雜波方向相近時，在空域中，雜波的抑制和目標的檢測效果較差，張鑫等人提出了局域聯合處理優化（JDL）方法［25］，JDL是一種統計類的STAP方法，通過一個變換矩陣T，降低雜波的自由度，再利用距離上的相關性進行統計，估計出雜波的協方差矩陣，求得最優空時權向量，有效改善目標信號方向與電離層雜波相近時，電離層雜波抑制問題和目標檢測問題；由于電離層雜波的非平穩性，相鄰距離單元電離層雜波特性不能很好地代表待處理距離單元的電離層雜波特性，影響了某些距離單元電離層雜波抑制效果，高豐慶提出了改進的局域聯合空時自適應方法［26］，估計協方差矩陣找到相關性最強的樣本，實現對電離層雜波的抑制，提高了電離層雜波抑制效率；這一方法對具有較好空時耦合特性的電離層雜波抑制效果較好，對其他的電離層雜波抑制效果一般，針對這一問題，姚迪等人提出了基于空間多波束的高頻地波雷達抑制方法［27］，利用波束之間的強相關性，用雜波覆蓋的距離單元數（或多普勒單元數）遠多于目標覆蓋的單元數的特點來實現電離層雜波信息的估計和抑制，有效地提高了小孔徑高頻地波雷達系統的電離層雜波抑制效率和目標檢測概率，基本保留了目標回波的全部能量。

基于空時自適應的電離層雜波抑制的流程如圖3所示。

圖 3 基于空時自適應的電離層雜波抑制的流程圖

對特征值分解方法、自適應旁瓣對消方法以及空時自適應方法進行仿真對比。實驗中所使用的雷達回波數據為哈爾濱工業大學（威海）實驗站的實測數據，取第2通道第106個距離單元的數據，在靠近電離層雜波多普勒頻率范圍附近，附加一個頻率接近的目標信號。雷達的工作頻率為3.7 MHz，采樣間隔為0.149 s。仿真結果如圖4所示。

圖 4 多種方法進行電離層雜波抑制

從上述仿真結果來說，當目標信號多普勒頻率與電離層雜波范圍相近時，特征值分解法在抑制電離層雜波時會抑制目標信號，導致目標信號的誤消或偏移，而自適應旁瓣對消和空時自適應方法，在抑制電離層雜波的基礎上，可以較好地保留目標信號。

1.4 基于極化濾波的電離層雜波抑制

基于極化濾波的電離層抑制方法［28-30］，是利用水平極化天線接收的電磁波對消垂直極化天線接收的電磁波，從而實現對干擾的抑制。極化濾波技術從硬件發展到算法極化的實現，最早在1981年由Poelman 提出虛擬極化適配的概念［31］，從而解決非起伏目標的極化測量問題。在傳播媒質固定不變時，電磁波水平極化和垂直極化分量有著固定不變的幅相關系，但由于電離層的種種特性，天波入射方向是隨機不可知的，有些方位的干擾無法濾除，張國毅等人提出了三維極化濾波方法［32］，在極化域和空域聯合抑制電離層雜波，擴大了極化域和空域的干擾抑制范圍，增加信號的檢測精度，提高了信干比；當同時存在較強的電離層雜波和目標信號時，在極化狀態下，難以有效地對電離層雜波進行抑制，為此，洪泓等人提出了基于距離-多普勒域的電離層雜波極化抑制方法［33］，根據電離層雜波的相似性，逐步在每個距離單元估計干擾狀態，采用斜投影極化濾波器構造每個距離單元的最優極化濾波權，將得到的每一個權值與對應的電離層雜波相處理，最后使用多凹口極化濾波進行處理，同時得到多個距離元抑制后的結果，電離層雜波抑制效果良好，信干比得到了一定程度的提升；為了提高目參數的估計的精度，陽云龍等人提出了基于電離層雜波的空域極化域協同抑制方法［34］，在距離-多普勒域上利用基于壓縮感知的DOA測角方法進行空域參數估計，并提出基于斜投影算子的空極化域協調濾波，這2種估計方法可獲得更高的參數估計精度，對電離層雜波抑制取得了良好的效果；為了近一步提高電離層雜波抑制性能，陽云龍提出基于分置式極化稀疏L陣的電離層雜波抑制［35］，針對極化角相差的估計，補償了不同極化天線的相位差，提高了電離層雜波的抑制效率，減小了系統的復雜度。

基于二維極化濾波的電離層雜波抑制流程如圖5所示。

圖 5 基于二維極化濾波的電離層雜波抑制流程圖

而今，特征值分解、自適應旁瓣對消、空時自適應和極化域濾波在電離層雜波抑制中被廣泛地應用于工程實踐中，但目前仍有一些不足的地方，常與其他方法和理論相結合，以獲得更好的效果。

2 結束語

由本文的研究分析可得，為提高高頻地波雷達的應用精度、提高目標的檢測效率、提高雷達的探測距離、提高在工程上的應用度，當務之急是抑制回波信號中的電離層雜波信號。目前，各個類型的電離層雜波抑制方法都存在著大大小小的不足，無法完美地在較短的時間內，以保留目標信號為前提下抑制電離層雜波信號，需要不斷地改進完善。基于特征值分解的電離層雜波方法，當目標與電離層雜波相接近時，容易導致目標信號衰減或者誤消。如果目標淹沒在電離層雜波中，應用時域或頻域自適應濾波目標也很難被檢測出來，而電離層雜波具有一定方向性，當目標方位與電離層雜波方向不一致時，自適應旁瓣對消方法可以很好地抑制電離層雜波，但目標方位和電離層雜波方位一致時，自適應旁瓣對消方法就處理不了這一現象，而空時自適應可以很好地解決這一問題。但空時自適應依賴于相鄰單元的相似性，這是由于當相鄰單元的相似性強弱不一、相似性不強時，對雜波的抑制效果一般。對于極化濾波通常采用垂直和水平極化濾波，但由于天波的入射方向是隨機的，有些方向上的電離層雜波無法濾除，有待更加深入地分析電離層雜波的種種特性，提高目標的檢測精度。

在目標信號淹沒在電離層雜波的多普勒頻率的情況下或目標方向與電離層雜波方向一致時，如何更加有效地抑制電離層雜波、精確地得到目標仍然是一個難題，仍有巨大的進步空間。