行波扰动对天波雷达慢速目标检测影响研究

李 雪 李吉宁 娄 鹏 冯 静

行波扰动对天波雷达慢速目标检测影响研究

李 雪 李吉宁 娄 鹏 冯 静

（中国电波传播研究所，山东青岛266107）

利用电离层行波扰动（Traveling Ionospheric Disturbances，TIDs）模型，仿真分析了不同尺度TIDs引起的超视距雷达（Over the Horizon Radar，OTHR）地海杂波频谱频移、展宽以及对舰船目标检测的影响.结果表明：小尺度TIDs引起的附加多普勒频移幅度较小，但随时间变化较快，S形曲线扭曲较为严重，对OTHR影响主要表现为多普勒频移；中尺度和大尺度TIDs引起的附加多普勒频移相对于小尺度TIDs的有所增加，但随时间变化减缓，S形曲线扭曲程度减小，除引起地海杂波多普勒频移外，同时引起杂波频谱展宽，影响舰船目标检测.同时，还给出了不同尺度TIDs引起的海杂波频移、展宽抑制方法，经仿真验证，上述算法有效.

电离层行波扰动；天波超视距雷达；慢速目标检测

引 言

天波超视距雷达（Over－the－Horizon Radar，OTHR）利用电离层折射、返回散射传播机理来实现超视距覆盖，克服了地球曲率限制，作用距离达1000～4000km，覆盖范围几百万平方千米［1－2］，对敌方飞机、舰船和导弹目标等具有早期预警的突出优点［3－4］.电离层是随机时变、色散、各向异性介质，影响雷达信号传播，特别是电离层不均匀结构，将严重影响雷达系统目标检测和坐标配准.

电离层行波扰动（Traveling Ionospheric Disturbances，TIDs）是电离层F区一种类似波浪运动的大尺度不均匀结构，通常由上层大气的声重力波激发［5］.按照扰动的幅度和尺度等参数，TIDs可分为大尺度、中尺度和小尺度3类［6］，如表1所示.

表1 TIDs分类

目前关于TIDs对OTHR的影响研究主要集中于坐标配准问题.文献［7］考虑工程可行性，将TIDs做为电离层倾斜的一种来处理，分析了TIDs对OTHR坐标配准影响，但分析结果与真实情况偏差较大.文献［6］建立了电离层TIDs电子浓度的物理模型，并通过三维数值型射线追踪技术，研究了TIDs对OTHR坐标配准的影响，同时指出：小尺度TIDs对OTHR坐标配准影响较小；中尺度TIDs对电波高角射线影响较大；大尺度TIDs会改变原有的坐标配准关系，严重影响坐标配准精度.但文中未分析TIDs对OTHR信号处理、目标检测的影响.

经电离层传播的OTHR信号相位路径P由式（1）给出

式中：μ为相折射指数；s为信号传播路径.电离层行波扰动可引起相折射指数和信号传播路径发生变化，从而引起一个相干积累时间（Coherent Integration Time，CIT）内不同脉冲重复周期OTHR回波信号相位路径发生变化，导致OTHR地、海杂波频谱展宽，严重制约舰船等海面慢速目标检测.目前关于电离层TIDs对OTHR信号处理和目标检测影响研究尚未见相关报道，本文针对这一问题，对不同尺度TIDs引起的OTHR地、海杂波频谱频移和展宽进行了仿真研究，给出了不同尺度TIDs对舰船目标检测的影响分析，并提出了相应的抑制算法.

1 电离层行波扰动模型

文献［8］给出了包含TIDs的电离层电子浓度模型表达式为

式中：N0是电离层电子浓度背景模型；r是距地心的距离；η是极角（η＝π／2－θ）；r0是地球半径；Z0是最大波幅度对应高度；H′是波幅度标高；A是波扰动幅度；λx和λz是水平和垂直方向的波长；t′是波动周期.

本文中，背景电离层模型采用水平均匀分层的准抛物电离层电子浓度背景模型，即

式中：fc为临界频率；ym为层的半厚度；rm为最大电子浓度高度；rb为电离层底高（相对于地心），rb和r相差不大，因此（rb／r）2≈1.

2 TIDs对OTHR回波信号相干积累影响分析

基于式（2）所示的TIDs电子浓度模型，选取了不同尺度TIDs典型参数值（如表2所示），获得电子浓度分布剖面.在此基础上，利用三维射线追踪技术，分析了不同尺度TIDs对天波超视距雷达慢速目标检测的影响.

图1为采用表2中典型TIDs参数获得的电离层附加多普勒频移随时间变化曲线，曲线呈现S形状，且不同尺度TIDs下S形曲线扭曲程度不同.小尺度TIDs引起的附加多普勒频移幅度较小，但随时间变化较快，S形扭曲较为严重，出现同一时刻附加多普勒频移多值现象.中尺度TIDs引起的附加多普勒频移相对于小尺度TIDs有所增加，但随时间变化变缓，S形曲线扭曲程度减小.大尺度TIDs引起的附加多普勒频移幅度最大，但随时间变化也最为缓慢.

表2 不同尺度TIDs典型参数

为进一步分析TIDs对OTHR舰船目标检测影响，将TIDs引起的附加多普勒频移添加到OTHR海面回波中进行分析.

图1 不同尺度TIDs引起的多普勒频移

图2 给出了仿真的OTHR海面回波，包括一阶海杂波、目标信号和噪声.仿真参数如下：雷达工作频率为15MHz，脉冲重复周期为50ms，积累次数1 024，积累时间为51.2s，一阶海杂波利用正弦信号模拟，多普勒频率为±0.39Hz，高阶杂波利用高斯噪声模拟.舰船目标信号位于0.52Hz处，同样采用正弦信号模拟.

从图1可看出，相同尺度TIDs在不同时刻引起的附加多普勒频移不同，因此仿真过程中分别按照不同尺度、不同时间位置添加TIDs引起的附加多普勒频移.为方便起见，将典型多普勒频移数据定义为I类型频移、II类型频移和III类型频移，分别对应图1中0Hz附近数据、中等频移附近数据和最大频移附近数据.以大尺度TIDs为例，图3给出了仿真过程中选取的多普勒频移数据.

将不同尺度TIDs下不同类型多普勒频移数据添加到OTHR回波数据中，其频谱图如图4所示.从图4可以看出，TIDs对雷达回波频谱造成的主要影响包括频移和展宽，其中：

1）针对小尺度TIDs，添加I、II、III类型频移数据对回波频谱展宽均影响不大，但会引起回波Bragg频率和目标信号产生一定频偏.

图2 仿真的OTHR回波频谱

图3 大尺度典型时间位置多普勒频移

图4 添加不同尺度TIDs的海杂波频谱

2）针对中尺度TIDs，添加I类型频移数据，引起回波频谱频移较小，但会使海杂波频谱产生较大的多普勒展宽，遮蔽临近的舰船信号，造成信杂比降低，影响检测性能；添加II类型频移数据，将同时引起回波频谱展宽和频移，严重影响舰船目标检测和关联跟踪；添加III类型频移数据，会引起回波频谱产生较大的频移，但展宽较小，对目标检测影响不大.

3）针对大尺度TIDs，添加I、II、III类型频移数据对回波频谱影响情况与中尺度TIDs基本一致，频移和展宽较中尺TIDs度更大一些，对目标检测影响更严重.

3 不同类型TIDs影响抑制研究

3.1多普勒频移校正

由前面的分析看出，不同尺度TIDs均会引起回波频谱频移，虽对目标检测影响较小，但对目标速度参数估计影响较大.比较简单的方法是根据载波频率估算正负Bragg峰偏移零点的位置，直接将其中心移至零点.但当Bragg峰谱发生展宽时，由于无法精确地确定谱峰的位置，该方法无法实现频移校正.

本文采用文献［9］中提出的双滤波器平滑方法来估计Bragg峰的漂移量，其实现步骤如下：

1）根据工作频率计算海杂波的两个Bragg峰之间的频率间距2fb；

2）设计两个载波相互关联的滤波器，滤波器的带宽等于Bragg峰的3dB宽度，其中心频率相隔2fb；

3）从低到高遍历双滤波器中心载频，计算海杂波数据通过两个滤波器的输出功率之和，当滤波器输出的功率最大时，中心载频即为Bragg峰漂移量.

图5给出了小尺度TIDs、III类型频移，中尺度TIDs、II类型频移，大尺度TIDs、II类型频移下多普勒频移校正结果.

图5 不同尺度TIDs多普勒频移校正结果

3.2频谱展宽抑制

从图4的仿真结果可以看出，中尺度TIDs和大尺度TIDs还引起了海杂波频谱展宽，影响了舰船目标检测.本文采用相位梯度法［10］针对上述频谱展宽进行了抑制，图6给出了添加大尺度TIDs、II类型频移的海杂波频谱展宽校正结果，显然杂波频谱明显锐化，舰船目标清晰可见.

图6 大尺度TIDs多普勒谱展宽校正结果

4 结 论

不同尺度TIDs引起的OTHR地海杂波频谱频移、展宽不同.小尺度TIDs引起OTHR回波频谱产生频移，提出采用双滤波器平滑算法进行解决.中尺度和大尺度TIDs除引起地海杂波多普勒频移外，同时引起杂波频谱展宽，影响舰船目标检测，提出采用相位梯度法进行抑制.该问题的成功解决，将大幅提升电离层发生行波扰动情况下OTHR对海面舰船目标检测能力.

参考文献

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ZHOU Chen，ZHAO Zhengyu，DENG Feng.Effects of the travelling ionospheric disturbance on skywave over－the－horizon radar coordinate registration［J］.Systems Engineering and Electronics，2011，33（10）：2222－2225.（in Chinese）

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XING Mengdao，BAO Zheng.Phase perturbation correction in ionospheric electromagnetic wave propagation［J］.Chinese Journal of Radio Science，2002，17（2）：129－133.（in Chinese）

TIDs effect on low speed target detection of OTHR

LI Xue LI Jining LOU Peng FENG Jjing
（China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao Shandong266107，China）

Using the model of travelling ionospheric disturbances（TIDs），the Doppler shift causing by different scales TIDs is simulated，and the spread of land or sea clutter spectrum and its effects on ship detection for over－the－horizon radar（OTHR）are analyzed.The result indicates that for small－scale TIDs，the amplitude of Doppler shift is small but changes rapidly，and the S－shaped distortion is obvious，which have an impact on OTHR mainly presented the Doppler shift.Doppler shift caused by mesoscale and large－scale TIDs is slightly larger than that caused by small－scale TIDs，but it is changed meditatively with time，and the S－shaped distortion is weakened.Besides the sea clutter Doppler shift，it causes clutter spectral spread and affects the ship detection.Meanwhile，the suppression method for frequency shift and spread caused by different scale TIDs is simulated.And the simulation results show that the algorithm is effective.

traveling ionospheric disturbances（TIDs）；sky wave over the horizon radar（OTHR）；low speed target detection

TN01

A

1005－0388（2015）02－0295－05

李 雪（1981－），男，黑龙江人，高级工程师，博士，中国电波传播研究所高级工程师，主要研究方向为电离层回波信号处理、雷达信号处理等.

李吉宁（1982－），男，山东人，硕士，中国电波传播研究所工程师，主要研究方向为电离层回波信号处理、雷达信号处理等.

娄 鹏（1982－），男，河南人，硕士，中国电波传播研究所工程师，主要研究方向为电离层电波传播、数据处理等.

冯 静（1982－），男，河南人，硕士，中国电波传播研究所工程师，主要研究方向为电离层电波传播、数据处理等.

李 雪，李吉宁，娄 鹏，等.行波扰动对天波雷达慢速目标检测影响研究［J］.电波科学学报，2015，30（2）：295－299.

10.13443／j.cjors.2014032701

LI Xue，LI Jining，LOU Peng，et al.TIDs effect on low speed target detection of OTHR［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（2）：295－299.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014032701

2014－03－27

国家自然科学基金青年基金（61302006）；中国电科技术创新基金（JJ－QN－2013－28）

联系人：李雪E－mail：lixue1201＠126.com