何康寧，尚 尚

高頻地波雷達海雜波抑制方法研究綜述*

何康寧，尚 尚

（江蘇科技大學電子信息學院 鎮(zhèn)江 212003）

高頻地波雷達能夠對海上目標實現(xiàn)超視距、全天候的探測，目前已經(jīng)成為海上動目標檢測的重要手段。但在復雜的海洋環(huán)境下，目標信號受海雜波影響較大，對海雜波進行有效抑制成為精確檢測目標的關鍵。首先介紹高頻地波雷達海雜波的形成機理，然后分別從對消類、小波變換類和子空間類三個方面對海雜波抑制方法進行綜述。最后對現(xiàn)有方法存在的不足進行總結并展望未來研究的方向。通過綜述為高頻地波雷達海雜波抑制提供重要參考。

高頻地波雷達；海雜波抑制；動目標檢測；形成機理

引 言

高頻地波雷達HFSWR（High Frequency Surface Wave Radar）采用垂直極化天線沿水平方向輻射高頻電磁波，短波沿著海洋表面繞射傳播不受地球曲率的影響，能夠對海面目標實現(xiàn)超視距、全天候的探測，具有成本低、實時性好等特點[1]，成為探測海面和低空目標的重要手段。

高頻地波雷達進行目標探測時，回波當中摻雜著大量的干擾信號，其中由海浪散射產(chǎn)生的回波稱為海雜波。海雜波的一階成分一般會等于或超過船只目標的檢測閾值[2]，這成為有效探測海上低速目標的最大挑戰(zhàn)[3]。國內(nèi)外學者對海雜波的特性做了大量研究，相應的海雜波抑制算法層出不窮。文章在前人研究的基礎上，首先介紹了高頻地波雷達海雜波的形成機理，然后將已有的海雜波抑制方法分為對消類、小波變換類和子空間類三個主要類別，分別對每一類方法進行了綜述，最后對目前海雜波抑制方法存在的不足進行總結，對未來的研究方向進行展望。

1 海雜波的形成機理

高頻無線電磁波與正弦形海浪進行一階作用，引起無線電波反射。當反射的無線電波長滿足式（1）時，發(fā)生Bragg諧振散射，散射機理如下圖1所示[4]。

式中L為海浪波長，λ為高頻無線電波長，α為無線電波的擦地角。當擦地角趨于零時，無線電波長是海浪波長兩倍便可發(fā)生Bragg諧振，在多普勒譜中產(chǎn)生兩個尖峰，稱為一階Bragg峰。

對于重力波浪，波長與特征速度B滿足式（2），因此重力產(chǎn)生的多普勒頻偏可以由式（3）給出[4]。

由于重力波相對雷達有正反兩個運動方向，所以產(chǎn)生的多普勒頻偏有正向和負向，在海雜波的多普勒譜中體現(xiàn)為正負兩個尖峰。

高頻雷達海雜波中一階峰占主要分量，但是在一階峰之外還有低幾十分貝的連續(xù)譜存在，其中主要成分是二階海雜波譜。Strivastava[5]等學者對二階譜的形成機理已經(jīng)做了詳細研究，冀振元[6]等學者也闡述了二階雜波形成的三種主要情況，同時從產(chǎn)生機理的角度提出了二階海雜波的模擬方法。由于海雜波的二階分量不是抑制的主要對象，對于它的形成機理不做過多說明。

2 海雜波抑制方法

2.1 基于模型的對消方法

基于統(tǒng)計特性的海雜波模型研究歷時最長，發(fā)展最為成熟[7]。目前針對海雜波的幅度分布特性已經(jīng)建立了很多較為成熟的模型，給海雜波抑制方法提供了重要理論基礎。傳統(tǒng)的海雜波幅度分布模型有對數(shù)正態(tài)分布、韋爾布分布、瑞利分布和K分布[8-11]等，四種典型模型由表1給出。在高分辨率和高海況條件下，海雜波幅度分布出現(xiàn)嚴重的拖尾現(xiàn)象，上述典型模型與實際海雜波數(shù)據(jù)偏差較大。為此，Middleton[12]等學者在經(jīng)典模型上加以改進，在K分布的基礎上發(fā)展形成KK分布、KA分布、WW分布[12, 13]等復合結構的幅度分布模型，拖尾區(qū)匹配效果得以改善。在基于模型的對消處理過程中，選擇合適的模型對抑制效果至關重要。文獻[14]在建立海雜波模型庫的基礎上，實現(xiàn)了對消模型的自適應選擇。該方法首先根據(jù)雷達回波建立回波幅度分布直方圖，再從模型庫中選擇與直方圖最佳匹配的模型作為對消背景進行對消處理，實現(xiàn)海雜波的抑制。該方法要將眾多模型與回波幅度分布直方圖逐一比較以尋找最佳匹配，計算量較大，且適用程度取決于模型庫中模型的完備性，工程運用中有較大局限性。

近年來，人們愈加認識到海雜波非線性建模的重要性?；诤ｋs波的多重分形特性[15]，任吉[16]等學者建立了高頻雷達海雜波的時域分形模型并證明了其合理性，文獻[17]通過空域和時域混沌特性實現(xiàn)了海雜波的重構。分形和混沌理論運用到海雜波建模當中，進一步彌補了線性建模精確性不足的缺點。另外，將神經(jīng)網(wǎng)絡運用到海雜波混沌模型的預測[18-21]也取得了一定的成果，利用神經(jīng)網(wǎng)絡預測得到的海雜波模型與雷達回波相減，可有效抑制海雜波提高信雜比。

目前，還沒有普適性的海雜波模型。非線性理論在海雜波建模中的應用還不夠成熟，理論需要進一步的簡化。而神經(jīng)網(wǎng)絡的應用，前期需要大量的海雜波參數(shù)進行訓練。因此，基于模型的對消方法，還需要從線性和非線性兩個角度同時出發(fā)，建立更精確更具有普適性的模型。

表1 典型海雜波幅度分布模型

2.2 循環(huán)迭代對消方法

海雜波的主要分量可以近似看作正弦信號，在此基礎上文獻[22]提出在時域上減去正弦信號的方法來抑制海雜波，抑制效果取決于正弦信號參數(shù)估計的精度。最早的Root循環(huán)對消方案只考慮了正弦信號的幅度信息[23]，之后郭欣[24]等學者提出了基于FFT相位分析的頻率估計法，在幅度信息的基礎上還考慮了相位信息，進一步提高了正弦信號的估計精度。然而在短時間序列條件下，傅里葉譜分析難以提供足夠高的多普勒分辨率。為此，文獻[25]提出用擴展的Prony方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的FFT方法進行頻率估計，文獻[26]提出用傅里葉變換后最大的三根譜線進行插值來校正粗估計得到的頻率，相對于傳統(tǒng)的估計方法都有效提高了正弦信號參數(shù)估計的精度。

圖2 帶約束條件的海雜波對消流程

利用循環(huán)迭代對消方法抑制海雜波時，所估計的正弦信號是雷達回波當中強度最大的信號參量，一旦目標信號強度等于或超過海雜波信號強度，就會被誤消而造成漏警。建立海雜波對消處理邊界能在一定程度上避免這種情況發(fā)生。林志榕[26]等學者提出在一階峰附近設置雜波界限，對消算法只在設置的界限內(nèi)進行，一旦估計的頻率超出界限就停止算法。王祎鳴[2]等學者將海雜波理論及海雜波的部分特性歸結為邊界約束條件，提出一種帶約束條件的海雜波對消方法，將對消處理的范圍約束在海雜波多普勒頻率及其展寬范圍之內(nèi)，該對消算法的流程圖由圖2給出。

循環(huán)迭代對消方法在估計正弦信號參數(shù)時，精度不高會造成迭代次數(shù)的增多，剩余海雜波會在多普勒譜中擴散開來，影響海面和低空目標的檢測。雖然邊界約束條件的建立一定程度上減少了目標被誤消的情況，但是當目標信號的多普勒頻率落入海雜波中時，目前還沒有較好的方法可以將兩者分離以避免誤消。另外，循環(huán)迭代對消的迭代次數(shù)一般都是由經(jīng)驗得出，沒有嚴格的理論給出，選用不恰當?shù)牡螖?shù)仍會導致目標信號的誤消或影響海雜波抑制的效率。

2.3 基于小波變換的抑制方法

基于小波變換的海雜波抑制方法，不依賴于雜波的統(tǒng)計特性，對復雜的海雜波具有良好的適應性。文獻[27]研究表明，將小波運用到高頻地波雷達目標檢測當中，可以將信雜比提高至少20~30dB。小波變換分析用到的函數(shù)不具有唯一性，不同的小波函數(shù)運用到同一個工程有時結果相差很大。張靜[28]等學者分別從閾值處理、邊界處理和小波基的選取三個主要方面討論了基于小波的算法選擇，為基于小波變換的海雜波抑制方法提供了重要理論參考。

一般的實數(shù)小波變換不具備保留相位信息的能力，因此應用的局限性很大。文獻[29]提出一種雙數(shù)復數(shù)小波變換，該小波變換不僅能夠保留相位信息，還能改善小波變換的平移敏感性，但運算量較大，硬件上實現(xiàn)困難。楊予昊等學者提出一種改進的可調(diào)小波變換TQWT[30]（Tunable Q-factor Wavelet Transform），這里的品質因子代表信號的振蕩特性，表達式由式（5）給出

其中f0和B分別表示信號的中心頻率和帶寬。將雷達回波進行可調(diào)Q小波變換之后，在對應高品質因子的小波基函數(shù)上進行稀疏表示，由于目標信號的振蕩特性高于海雜波信號，低品質因子的小波基函數(shù)被濾除，實現(xiàn)了小波域上的海雜波抑制，之后再用能量選擇的方法提取表征目標的小波系數(shù)，通過反變換實現(xiàn)目標信號的重構，該算法的流程圖如圖3所示。

基于小波變換的海雜波抑制方法，在小波域內(nèi)根據(jù)海雜波信號和目標信號的不同特性采取相應的閾值處理，以此實現(xiàn)海雜波的抑制。小波域內(nèi)，高頻部分表征海雜波方差，通過硬閾值處理將高頻小波系數(shù)濾除就可以實現(xiàn)海雜波抑制[28]。又可以根據(jù)小波域內(nèi)兩類信號的相關性不同，設置小波系數(shù)的相關性閾值，實現(xiàn)小波域內(nèi)的海雜波濾除[29]。該類方法不依賴海雜波模型和參數(shù)估計，可在小波域內(nèi)實現(xiàn)海雜波信號與目標信號的分離并有效濾除雜波。

2.4 子空間類抑制方法

子空間類方法是根據(jù)雜波在子空間的聚集特性來實現(xiàn)海雜波的抑制。由于估計雜波子空間的方式不同，又可以分為特征值分解EVD（Eigen-value Decomposition）方法[31-33]和奇異值分解SVD（Singular Value Decomposition）方法[34-38]。

基于特征值分解的海雜波抑制方法，是將雷達回波的協(xié)方差矩陣進行特征值分解，根據(jù)特征值的大小將數(shù)據(jù)分配到不同的特征子空間，以此將雷達回波中的海雜波分離出去。但是當目標和海雜波的多普勒頻率很接近時，特征子空間的超分辨譜分析會使目標譜產(chǎn)生分裂現(xiàn)象，造成虛警率上升。趙志國[32]等學者結合EVD方法引入了一種空域主瓣干擾抑制技術，較好的解決了目標譜分裂現(xiàn)象。目前在子空間類方法中，主要通過增加相干積累時間來提高頻譜分辨率，而這又使得雷達回波的協(xié)方差矩陣維度增加，做特征值分解時產(chǎn)生較大計算量。為此，王道乾[33]等學者引入快速子空間法，該方法每次只估計協(xié)方差矩陣的最大特征值和特征向量并進行循環(huán)迭代對消。這就避免了對協(xié)方差矩陣直接進行特征值分解帶來的計算量問題，與EVD方法相比，抑制效果相當?shù)子诠こ虒崿F(xiàn)。

基于奇異值分解的海雜波抑制方法，是將海雜波對應的奇異值置零以達到雜波抑制的效果。將雷達回波信號構造成Hankel矩陣，奇異值分解后得到

其中S是矩陣H的奇異值，U和V分別是對應奇異值的左右奇異矢量。傳統(tǒng)的SVD抑制方法是將前兩個較大的奇異值置零。但實際當中，目標信號的能量并不總小于海雜波信號能量，若單純的將前幾個較大的奇異值置零，很可能出現(xiàn)目標誤消的情況。為此，魯曉倩[36]等學者將右奇異矢量U做FFT后提取其中的頻率信息，頻率接近一階峰就認為是海雜波頻率，以此設置兩個門限判決，將判決后的頻率信息對應到奇異值，這樣就可以有選擇的對奇異值置零。王祎鳴[38]等學者提出了時頻分析和奇異值分解聯(lián)合處理的方法，在時域中估計雷達回波信號的瞬時頻率，將其與奇異值分解得到的主奇異值相匹配，該算法的流程如圖4所示。

該算法綜合了兩個處理域，實現(xiàn)海雜波奇異值的判決，使得奇異值置零更有針對性，提高了海雜波的抑制效果。

與對消類方法相似，子空間類方法只能在目標與海雜波多普勒頻率距離較遠的情況下實現(xiàn)海雜波抑制。當兩者多普勒頻率重疊時，無論是基于特征值分解還是基于奇異值分解的方法都不能將兩者有效地分離開，往往會將落在海雜波多普勒頻率內(nèi)的目標信號誤消，造成漏警。

3 結束語

高頻地波雷達對海面和低空目標進行探測時，受海雜波的影響較大。文章對現(xiàn)有的抑制方法進行了綜述，對不同方法的優(yōu)缺點進行了分析和討論。已有的方法雖然在一定程度上抑制了海雜波，但還有很多不足亟待完善。以下將對現(xiàn)有方法的不足進行總結并做合理展望：

①大多數(shù)海雜波抑制方法都會破壞目標信號特征的完整性，包括目標信號被誤消和目標譜的分裂等。因此，需要深入研究海雜波特性，建立更多邊界約束條件，使海雜波的消除更加精確可靠，減少對目標信號的影響。

②已有的方法大多只考慮目標信號與海雜波信號多普勒頻率遠離的情況，一旦目標多普勒頻率落入海雜波中，往往會被誤消而導致漏警。因此，針對兩者多普勒頻率重疊的情況，將來可以聯(lián)系多個處理域，根據(jù)海雜波信號與目標信號在不同處理域當中的特性差異，實現(xiàn)兩者的分離之后，再進行海雜波抑制。

③目前所建立的海雜波模型還遠遠不能描述不同海況下的海雜波?；谀Ｐ偷囊种品椒]有普適性，抑制效果存在很大的不穩(wěn)定性。因此，需要從線性和非線性兩個角度同時出發(fā)，建立更精確更具有普適性的海雜波模型。

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Review on sea clutter suppression methods of high frequency surface wave radar

HE Kangning, SHANG Shang

（School of Electronic and Information, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, 212003, China）

High frequency ground wave radar has the ability to detect marine targets beyond visual range and all weather. At present, it has become an important means of moving target detection at sea. However, in the complex Marine environment, the target signal is greatly affected by sea clutter, and the effective suppression of sea clutter becomes the key to the accurate detection of targets. First, the formation mechanism of sea clutter of high frequency ground wave radar is introduced, and then summarizes the sea clutter suppression methods from three aspects: cancellation, wavelet transform and subspace. Finally, the shortcomings of the existing methods are summarized and the future research directions are prospected.This paper provides an important reference for sea clutter suppression of high frequency ground wave radar.

High frequency surface wave radar; Sea clutter suppression; Moving target detection; Formation mechanism

TN957.54

A

CN11-1780(2019)04-0010-07

何康寧 1996年生，碩士研究生，主要研究方向為高頻地波雷達信號處理和海雜波抑制。

尚 尚 1982年生，講師，碩士生導師，主要研究方向為高頻地波雷達信號處理和電離層雜波抑制。

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

國家自然科學基金項目（61801196）；江蘇省高校自然科學研究面上資助項目（17KJB510014）；江蘇省研究生科研與實踐創(chuàng)新計劃資助項目（KYCX19_1692）。

2019-02-28

2019-07-20