第34卷第5期2020年10月空军预警学院学报Journal of Air Force Early Warning AcademyV ol.34No.5Oct.2020收稿日期：2020-07-29作者简介：崔晓梦(1983-)，女，讲师，博士，主要从事雷达通信一体化技术研究．天波超视距雷达舰船目标检测特点及难点分析崔晓梦1，严韬1，段广青2（1.空军预警学院，武汉430019；2.武警士官学校，杭州310000）摘要：为研究天波超视距雷达(OTHR)舰船目标检测问题，系统分析了目标特性、高频海杂波特性、电离层特性和干扰噪声特性，在此基础上讨论了OTHR 舰船目标检测的特点和难点，并结合计算机仿真给出了相应的结论．本文工作为后续研究OTHR 舰船目标检测方法提供了理论基础．关键词：天波超视距雷达；舰船目标检测；海杂波；电离层；相干积累时间中图分类号：TN958文献标识码：A文章编号：2095-5839(2020)05-0340-06随着海上武器平台和远洋航运的飞速发展，海面舰船目标监视受到世界各国的高度重视．天波超视距雷达(OTHR)工作在高频频段(3~30MHz)，利用大气电离层对高频电磁波的折射弯曲自上而下观察空中及海面目标，具有大范围、远距离、抗隐身、抗低空等优良的目标探测性能，在战略防空、反导预警、对海监视等方面具有突出作用[1]．利用OTHR 不仅可以对广阔海域内航空母舰战斗群以及各类大中型舰船目标进行监视，还能提供飞机、巡航导弹和弹道导弹等威胁目标的早期预警，是有效掌握制空/海权，应对战略打击的重要手段，具有极其广阔的应用前景．OTHR 目标检测采用多普勒域检测机制，相较于飞机和导弹2类快速运动的空中目标，舰船目标具有运动速度慢、多普勒频率低的特性．OTHR 舰船目标的检测背景为强大且复杂的海杂波，文献[2]通过实测数据分析了高频海杂波的多普勒分布特性和回波幅度特性，其结果表明海杂波在多普勒域表现为一段连续的多普勒谱，其中一阶海杂波表现为2个较窄的谱峰，二阶及高阶海杂波表现为一段具有多个尖峰但幅度低于一阶海杂波的连续谱．文献[3]运用电磁场理论推导了一阶和二阶海杂波散射截面积方程，从数学角度定量描述了高频海杂波多普勒谱．文献[4]基于归一化函数理论对高频海杂波多普勒谱模型进行了研究完善，使之更加契合OTHR 实测海杂波情况．文献[5]从OTHR 舰船目标的探测原理出发简要分析了OTHR 探测舰船目标的难点，文献[6]研究了不同风速条件下海杂波对高频雷达检测舰船目标的影响，并运用多普勒盲区(DBZ)来直观刻画OTHR 舰船检测性能．文献[7]将电离层引入海杂波模型，进一步研究了海态和电离层对OTHR 舰船检测的影响．同时，OTHR 工作的高频频带内还存在大量的外部干扰和噪声，限制了雷达工作参数的选择和接收机灵敏度[8-9]，也给OTHR 舰船目标检测带来严重影响．因此，对于OTHR 目标检测，相对于噪声背景下的机动目标检测，海杂波背景下的舰船目标检测更加困难．现有的OTHR 舰船检测问题研究分析仅针对特定问题展开，缺乏一定的系统性，为此本文基于OTHR 舰船目标检测问题，系统研究分析与之密切相关的目标特性和环境特性(海杂波特性、电离层特性、干扰噪声特性)，为后续研究OTHR 舰船目标检测方法奠定理论基础．1特性分析1.1舰船目标特性分析舰船目标作为基本探测对象，首先对其特性进行分析，主要包括雷达横截面积(RCS)特性和多普勒特性2个方面．1)RCS 特性理论上讲，舰船目标RCS 与雷达入射电磁波的频率、入射角，天线极化方式以及目标自身结构(包括形状、大小、吨位、材料等)紧密相关，而OTHR 工作在高频频段，大多数舰船目标的几何尺寸都处在散射能量的谐振区．本文采用海面目标RCS 的近似估计方法[10]来估计OTHR 舰船目标的RCS 值，通过估算得到中型、大型舰船的RCS 典型值分别约为30dBm 2和50dBm 2．DOI:10.3969/j.issn.2095-5839.2020.05.006第5期崔晓梦，等：天波超视距雷达舰船目标检测特点及难点分析3412)多普勒特性由多普勒频率的定义，可得f d =±2vr/λ=±2vλ-1cosθ(1)式中，vr为目标相对于雷达的相对速度，λ为雷达发射波长，v为目标的绝对速度，θ为目标运动方向和雷达波束的夹角，“±”表示目标背离或朝向雷达波束方向．由式(1)可以看出，舰船目标的多普勒频率与自身运动速度、方向以及雷达波长有关．与常规微波雷达的舰船检测相比，OTHR的波长较长，因此相同速度的舰船目标在OTHR中的回波多普勒频率要远小于微波雷达情形；与OTHR机动目标检测相比，舰船目标运动速度较慢，其回波多普勒频率远小于机动目标．因此，OTHR背景下的舰船目标属于低多普勒目标．1.2高频海杂波特性分析1)高频海杂波产生机理及多普勒特性依据布拉格散射理论[2]，海浪的运动可以表示为具有不同振幅、相位、频率和运动方向的随机过程的叠加，这些随机过程近似呈正弦波动．当海浪相邻波峰反射的无线电波产生后向谐振散射，使得各次回波信号同相位相加，从而产生一阶海杂波[3]，对应的多普勒频率可以表示为f b =±2vpλ-1cosβ=±v/Lc»±0.102(fcosβ)1/2(2)式中，vp表示海浪的相位传播速度，β为海浪与雷达照射方向的夹角，Lc 表示波浪长度，f为雷达工作频率(单位为MHz)，“±”号表示朝向和背离雷达波束的谐振海浪所产生的正负Bragg 峰．由式(2)可以计算得到，当雷达发射频率取5~30MHz时，一阶Bragg峰的多普勒频率为0.2281~0.5587Hz(假设夹角β=0°)．高频无线电波不仅与海浪存在一阶作用，产生一阶Bragg峰，同时还与海浪存在高阶作用，产生二阶及高阶海杂波．二阶及高阶海杂波分布在正负一阶Bragg峰附近，强度比一阶海杂波要弱，通常可用噪声近似代替．2)高频海杂波RCS特性高频雷达海杂波RCS计算的典型模型主要有Barrick模型[3]和Walsh模型[4]．由于Barrick模型可以看作是Walsh模型的近似，所以Walsh模型近年来被广泛应用．依据Walsh模型，高频海杂波RCS的计算表达式[4]为σc =σρpDφDρsecβ(3)式中，σ0=σ1+σ2为一阶和二阶后向散射系数之和，ρp为目标与OTHR接收阵列的射线距离，Dφ和Dρ分别表示雷达的方位与距离分辨单元．海面一阶后向散射系数σ1可表示为σ1(ωd)=16πk2Dρåm=±1S1(m k)k2.5g-1/2Sa2[Dρ(k-2k)/2](4)式中，ωd为多普勒角频率；k0为雷达入射波波数；Δρ为散射区长度；g为重力加速度；Sa(×)为sinc函数；S1(k)为海面重力波方向谱，k为波数为k的有向海表面波矢量，即k=|k|，当k=2k时产生一阶Bragg峰；m=±1分别表示正(m=1)负(m=-1)多普勒频率．二阶后向散射系数σ2可表示为σ2(ωd)=8πk2Dρåm1=±1åm2=±10¥ -ππ 0¥S1(m1k1)S1(m2k2)×ϒ2k2δ(ωd+m1(k1g)1/2+m2(k2g)1/2)×Sa2[Dρ(k-2k)/2]k1d k1dθk1d k(5)式中，ϒ为水波之间或水波与电磁波之间的耦合参数；δ(×)为Delta函数；k1和k2分别为2个有向海面重力波矢量，且有k1+k2=k，θk1表示有向海表面波矢量k1的方向角．1.3电离层特性分析1)电离层形态与传播机理电离层是由地球高层大气分子电离产生的自由电子、离子和中性分子等构成的能量较低的准中性等离子体区域．电离层的高度范围大约在60~1000km，根据层高以及电子浓度的不同，电离层可分为D层、E层、F层和上电离层，如图1所示．其中，D层是最低层，也是OTHR电磁波必须穿过的区域，其电子浓度最小；E层可分为稳定E层和突发E层(Es层)，其中稳定E层是反射OTHR电磁波的有效区域，但由于Es层的存在，其可覆盖的地面距离范围限制在2000km以内；F层是电离层电子浓度最大的一层，同时也是反射高频电磁波的最高层，F层可分为F1层和F2层，其可覆盖的地面距离分别为2000~3000km和3000~4000km；F2层以上为上电离层，该层不是OTHR的传输信道．１２３４５６１０ｋｍ４０ｋｍ９０ｋｍ６０ｋｍ图1电离层高度与电子浓度的关系由电离层传播理论可知，由于电离层的折射率小于1(空气的折射率约为1)，所以当电磁波空军预警学院学报2020年342从空气入射到电离层后其折射角会比入射角大．同时，由于电离层介电常数随着高度增加而减小，相应的折射率也随之减小，因此电磁波穿过不同高度的电离层是一个折射角不断增大的过程．设N i 为电离层的第i 个高度，φi 为电离层第i 个高度处的入射角，n i 为电离层的第i 个高度处的电子浓度，多层电离层介质的电磁波折射模型如图2所示(N 1<N 2<×××<N n -1<N n ，n 1>n 2>×××>n n -1>n n )．可以看出，随着折射角的增大，入射到电离层的电磁波射线与水平线逐渐逼近，当入射角φn =90°时，电磁波射线到达最高点并发生全反射．电磁波全反射后将会沿着之前的反过程折射到地面或海面，而后再次由电离层反射回OTHR 接收阵列，完成对监视区域的探测．１２Ｎ３ｎ图2多层电离层介质的电磁波折射模型2)电离层特性对OTHR 舰船检测的影响电离层是OTHR 必不可少的传输信道，但作为一种自然产生的媒质，除开具备的多层物理结构特性，电离层还具有随机、色散、时变、非均匀、非平稳和各向异性等特点．这些特性限制了OTHR 舰船目标检测性能的提升，主要原因在于电离层对雷达回波谱的污染，表现在以下2个方面．①电离层非平稳特性和非均匀特性易使OTHR 回波发生相位污染[11]，分为线性相位污染和非线性相位污染两类，其中，线性相位污染造成回波谱的频移，不改变其多普勒谱结构，即舰船目标回波和海杂波回波一起发生频移，此时仍能有效检测舰船目标，但会给目标的速度估计带来误差；非线性相位污染使得OTHR 回波信号的相干性受到破坏，相干积累效果变差，表现为回波谱展宽，其中海杂波谱的展宽将增大舰船检测的多普勒盲区，对OTHR 舰船目标检测有严重影响．②电离层多层结构特性易使电磁波在发射、散射、接收的过程中同时存在多种传播模式，产生多模传播污染[12]．若多模回波经过非主选电离层时发生线性污染，则回波谱出现多个海杂波谱峰，增大了对舰船目标的遮蔽区域；若多模回波发生非线性污染，则多模海杂波谱将严重展宽，形成多模扩展多普勒杂波(SDC)，严重影响舰船目标的检测．1.4高频干扰及噪声特性分析OTHR 工作在高频频段，在该频段内存在大量的高频干扰和噪声，主要包括流星余迹干扰、通信干扰、雷达干扰、电台干扰等多种无源或有源干扰以及宇宙噪声、大气噪声等外部噪声，这些外部干扰和噪声通常比OTHR 接收机内部噪声高20~40dB ，影响OTHR 舰船目标的检测性能．高频干扰和噪声对OTHR 舰船检测的影响主要表现在：①限制了OTHR 工作频率及带宽的选择．为了减小空间分辨单元内的海杂波能量，提高舰船目标的信杂比，OTHR 在探测舰船目标时通常采用较大的带宽以提高距离分辨力，但其频段内的高频干扰使得较宽的工作带宽总是难以得到．②降低了舰船目标检测概率．流星余迹干扰、电台通信干扰、雷达干扰等这类瞬态干扰，其强度通常与地/海杂波相当，且持续时间短，只存在部分距离单元，但其在多普勒域呈现出很宽的谱，当舰船目标落入与该类干扰相同的多普勒范围时，目标被掩盖而无法检测．而工业干扰、蓄意人为干扰等这类长干扰，其强度通常也较大，持续时间相对较长，对舰船目标检测的影响表现为掩盖目标回波或形成虚假目标．外噪声在时间和空间上是密布及杂乱无章的宽频谱结构，其功率电平通常比雷达接收机噪声电平高20dB 以上，是限制接收机灵敏度的主要因素．2OTHR 舰船目标检测难点分析根据上面对OTHR 舰船检测的目标与环境特性的分析，从整个雷达系统的角度出发，可以将OTHR 舰船目标检测归纳为如下6个特点：①低可观测性．主要指OTHR 背景下的舰船目标是低信杂比、低多普勒频率的观测目标．②多维性．OTHR 信号处理后得到的检测平面是多维的方位-距离-多普勒谱(ARD 谱)，检测将在多维平面进行．③时变性．主要指海杂波和电离层具有时变特性，使杂波谱发生展宽，增大舰船检测的多普勒盲区．④多层性．指的是电离层的多层结构特性，其产生的多模SDC 将严重影响舰船目标检测．⑤复杂性．是指OTHR 面临的复杂电磁环境，影响雷达工作参数的选取和舰船目标检测性能．⑥多源性．主要是OTHR 回波中存在多种信号，包含地杂波、海杂波以及各种干扰和噪声等，需采取有效手段加以区分或抑制．对于海杂波背景下的OTHR 舰船检测，尽管舰船目标相对飞机和导弹具有较大的RCS ，但其运动速度较慢，多普勒频率较低，目标回波易落入海杂波频谱范围，因此其检测性能主要受到信第5期崔晓梦，等：天波超视距雷达舰船目标检测特点及难点分析343杂比(SCR)的限制．根据OTHR 雷达方程，舰船目标回波的信杂比可表示为ρSCR =P t /P c =[P av G t G r T c λ2σt /(R 4(4π)3L s L p )]/[P av G t G r T c λ2σc /(R 4(4π)3L s L p )]=σt /σc(6)式中，P t 和P c 分别为目标和杂波的回波功率，P av 为雷达发射平均功率，G t 和G r 分别为发射与接收天线增益，T c 为相干积累时间，λ为雷达工作波长，σt 和σc 分别为舰船目标和海杂波的RCS ，R 为射线距离，L s 和L p 分别表示设备系统损耗和传播路径损耗．从式(6)可以看出，OTHR 舰船目标的回波SCR 取决于σt 和σc ．从舰船目标的探测原理可知，从理论上精确评估OTHR 舰船目标的探测能力是相当困难的，但通过回波信杂比来分析海杂波对舰船检测性能的影响是可行的．由前面分析可知，海杂波回波谱在不同的多普勒频率处的强度不同，因此对应的SCR 也不尽相同，当某多普勒频率f d 处的SCR 满足SCR 大于最低检测门限η时，即可认为该处的舰船目标能够被检测，最低检测门限的典型值η=12dB ；反之，如果该多普勒位置的SCR 小于门限η，则表示该处的舰船目标不能被检测．3仿真实验与分析本文通过对多普勒盲区的仿真来进一步分析OTHR 舰船检测的难点，其中舰船目标的RCS 取30dBm 2、50dBm 22个典型值，分别代表中型和大型舰船目标．设置仿真参数为：雷达工作频率为14.8MHz ，带宽为40kHz ，射线距离为2000km ，方位分辨力为0.5°，风向为30°．3.1海杂波的遮蔽效应对于既定参数的雷达发射系统，海杂波RCS 和海态信息紧密相关，此处以海态信息中的风速参量为例进行分析说明．设风速从4m/s 到20m/s 变化以模拟不同的海态，图3给出了不同风速下的海杂波多普勒谱和相应的目标多普勒盲区．由图3(a)可以看出，随着风速的增加，二阶海杂波的幅度和宽度都随之增大，而一阶海杂波的变化相对较小，这说明风速对二阶海杂波的影响较大．由图3(b)和图3(c)可以看出，当风速较低时，中型和大型舰船目标都仅受到一阶海杂波的遮蔽，以风速等于5m/s 为例(二级海态)，中型舰船目标的多普勒盲区为[-0.43，-0.37]Hz 和[0.37，0.42]Hz ，对应的速度盲区为[-4.34，-3.75]m/s 和[3.75，4.26]m/s ；大型舰船目标的多普勒盲区为[-0.41，-0.38]Hz 和[0.38，0.40]Hz ，相应的速度盲区为[-4.16，-3.85]m/s 和[3.85，4.05]m/s ．当风速为20m/s 时(七级海态)，中型舰船的多普勒盲区为[-0.58，-0.18]Hz 和[0.21，0.54]Hz ，对应的速度盲区为[-5.88，-1.82]m/s 和[2.13，5.47]m/s ；而大型舰船的多普勒盲区为[-0.49，-0.30]Hz 和[0.38，0.40]Hz ，相应的速度盲区为[-4.97，-3.04]m/s 和[3.85，4.05]m/s ．综上所述，在低海态情况下，中型舰船目标和大型舰船目标都仅受到一阶海杂波的遮蔽，随着海态等级的增大，海杂波发生扩展，其中尤以二阶海杂波的变化较为显著，对中型舰船目标的检测多普勒盲区也随之扩大，而大型舰船目标只有在很高的海态下其扩展的二阶杂波才会对检测盲区产生影响．需要说明的是，OTHR 的工作频率、带宽、海面风向、风速、洋流等都会对海杂４２０１８１６１４１２１０８６０-２-１２１５０４０３０２０１００-１０-２０多普勒频率／Ｈｚ风速／（ｍ／ｓ）-２-１０１２４６８１０１２１４１６１８２０风速／（ｍ／ｓ）多普勒频率／Ｈｚ４６８１０１２１４１６１８２０风速／（ｍ／ｓ）-２-１０１２多普勒频率／Ｈｚ(a)海杂波多普勒谱(b)中型舰船多普勒盲区(c)大型舰船多普勒盲区图3不同风速下海杂波多普勒谱和目标多普勒盲区波的RCS 产生影响，此处不再一一列出．3.2电离层污染对海杂波的调制效应本文以非线性相位污染为例进行说明．设风速取8m/s ，相位污染函数用a sin(2π×0.04t )表示，其中a 为相位污染的幅度值，此处a Î(0.5 5)．图4给出了不同非线性相位污染幅度下海杂波多普勒谱和相应的目标多普勒检测盲区．由图4可知，a =0.5时，中型舰船多普勒盲区为[-0.56，-0.30]Hz 和[0.32，0.46]Hz ，对应的速度盲区为[-5.68，-3.04]m/s 和[3.24，4.66]m/s ；此时大型舰船的多普勒盲区为[-0.42，-0.36]Hz ，相应的速度盲区为[-4.26，-3.65]m/s ．当a =5时，中型舰船的多普勒盲区为[-0.67，-0.11]Hz 和[0.14，0.61]Hz ，对应的速度盲区为[-6.79，-1.11]m/s 和[1.42，6.18]m/s ；空军预警学院学报2020年344０-２-１２１４０３０２０１００２．０１．００．５１．５２．５３．０３．５４．０４．５５．０多普勒频率／Ｈｚ相位污染幅度０．５１．０１．５２．０２．５３．０３．５４．０４．５５．００-２-１２１多普勒频率／Ｈｚ相位污染幅度０．５１．０１．５２．０２．５３．０３．５４．０４．５５．０相位污染幅度０-２-１２１多普勒频率／Ｈｚ(a)海杂波多普勒谱(b)中型舰船多普勒盲区(c)大型舰船多普勒盲区图4不同非线性相位污染幅度下海杂波多普勒谱和目标多普勒盲区此时大型舰船的多普勒盲区和相应的速度盲区分别为[-0.54，-0.24]Hz 和[-5.47，-2.43]m/s ．因此，当发生电离层非线性污染时，海杂波发生扩展，且随着相位污染幅度的增大其展宽效应也越显著，增大了OTHR 舰船检测的多普勒盲区．3.3相干积累时间的影响为了获得较高的频率分辨力和目标积累能量，OTHR 在检测舰船目标时多采用较长的相干积累时间(CIT)，通常在几十秒甚至分钟量级．然而长CIT 下的舰船检测面临着如下问题[13]：①降低了雷达对各子区的重访频率，导致目标跟踪性能与雷达监视范围的矛盾；②增加了电离层扰动发生的概率，导致海杂波谱的搬移和展宽，增大对舰船目标的遮蔽范围．基于此，近年来提出了短CIT 下OTHR 舰船目标检测方法，然而短CIT 检测同时也带来了新的问题，即由于回波数据量不足而导致的多普勒分辨力低的问题．因此，CIT 对OTHR 舰船目标检测的影响是双重的．设风速为8m/s ，CIT 从10s 到60s 变化，图5给出不同CIT 下的归一化海杂波多普勒谱，其中图5(b)电离层相位污染是采用正弦函数来模拟０-２-１２１多普勒频率／Ｈｚ４０３０２０１０５０６００-１０-２０-３０-４０-５０-６０-７０-８０-９０ＣＩＴ／ｓ(a)不考虑相位污染ＣＩＴ／ｓ多普勒频率／Ｈｚ０-１０-２０-３０-４０-５０-６０-７０-８０-９０(b)考虑相位污染图5不同CIT 下归一化海杂波多普勒谱相位污染，使其幅度和频率随CIT 呈线性变化(线性增长)，以此满足CIT 越长电离层相位污染变化越剧烈的实际情况．由图5(a)可见，在不考虑电离层污染时，随着CIT 的增加，多普勒分辨力逐渐提高，海杂波峰也更加尖锐，这也是传统OTHR 采用长CIT 的原因所在．但在实际中电离层的影响总是不可避免的，由图5(b)可以看出，此时海杂波多普勒谱的变化随CIT 的增大呈现出一个先变窄后展宽的过程，即海杂波多普勒谱在CIT 为10~20s 时的谱展宽程度要大于CIT 为20~30s 的谱展宽程度，这是因为在CIT 较短时，回波数据不足导致的谱展宽大于电离层相位污染对杂波谱的影响．但从30s 往后，随着CIT 的不断增加，海杂波多普勒谱的展宽越严重，这是由于此时相位污染对杂波谱的影响显著增强，成为海杂波谱展宽的主要因素．因此，在长CIT 下，OTHR 舰船检测需要克服电离层对海杂波谱的调制展宽影响，而在短CIT 下则需要解决由频谱分辨力不足引起的展宽影响．4结束语OTHR 通过高频电磁波在电离层的折射和反射来探测海面舰船目标，电离层、海杂波以及外部干扰和噪声都会对舰船目标检测性能产生影响，其中电离层和海杂波是影响OTHR 舰船检测性能的主要因素．本文系统分析了与OTHR 舰船目标检测息息相关的目标特性和环境特性，在此基础上详细阐述了OTHR 舰船目标检测的特点和难点，并通过计算机仿真对海杂波背景下的OTHR 舰船检测进行了直观显性分析．仿真结果验证了理论分析结果．下一步将针对上述难点问题展开OTHR 舰船检测方法的具体研究工作．参考文献：[1]周万幸.天波超视距雷达发展综述[J].电子学报,2011,39(6):1373-1378.第5期崔晓梦，等：天波超视距雷达舰船目标检测特点及难点分析345[2]BARNUM J R.Ship detection with high-resolution HFskywave radar[J].IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1986,11(2):196-209.[3]BARRICK D E.First-order theory and analysis of MF/HF/VHF scatter from the sea[J].IEEE Transactions on Anten-nas and Propagation,1972,20(1):2-10.[4]WALSH J,ZHANG Jianjun,GILL E W.High-frequency ra-dar cross section of the ocean surface for an 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