高频雷达技术在海岸地形测量中的应用
随着科学技术的不断发展，高频雷达技术在海岸地形测量中的应用越来越广泛。高频雷达技术的出现，为海岸地形测量提供了一种高效、精确的方法。本文将介绍高频雷达技术在海岸地形测量中的应用，包括其原理、特点以及在实际工程中的优势。
首先，我们来了解一下高频雷达技术的原理。高频雷达是利用电磁波的反射原理来探测和测量地形的一种技术。它发射高频的电磁波，当电磁波遇到介质的边界时，会发生折射和反射。通过测量反射波的时间和能量，我们可以得到地形的具体信息。高频雷达技术具有较高的精度和稳定性，能够对地形进行快速、准确的测量。
高频雷达技术在海岸地形测量中的应用主要体现在以下几个方面：
1. 测量海岸线变化：海岸线是海岸地形的重要组成部分，对于海岸管理和环境保护至关重要。传统的海岸线测量方法常常需要大量的人力和时间，而高频雷达技术可以快速、准确地测量海岸线的变化。通过持续地监测海岸线的变动情况，我们可以及时调整沿岸工程和保护措施，保护海岸线的稳定性。
2. 检测海岸地形：海岸地形的测量对于沿海工程和海岸保护具有重要意义。高频雷达技术可以通过测量反射波的时间和能量，得到海岸地形的三维模型。这种方法可以快速获取大面积海岸地形数据，并且具有较高的精度和稳定性。利用高频雷达技术获取的海岸地形数据，可以为沿海工程的设计和规划提供准确的基础。
3. 监测海浪和潮汐：海浪和潮汐的监测对于海岸工程和海洋灾害预警非常重要。高频雷达技术可以通过测量海浪和潮汐对电磁波的影响，准确地推测海浪的高度、波长和方向，以及潮汐的变化规律。这种方法可以实时监测海浪和潮汐的变化情况，为沿海工程的设计和海洋灾害的预警提供可靠的数据支持。
总的来说，高频雷达技术在海岸地形测量中具有一些明显的优势。首先，高频雷达技术具有快速、准确的测量能力，可以大大提高海岸地形测量的效率。其次，高频雷达技术具有较高的精度和稳定性，可以提供可靠的地形数据支持。此外，高频雷达技术还可以实时监测海岸线的变化、海浪的高度和潮汐的变化规律，为海岸工程的设计和海洋灾害的预警提供重要参考。
第２７卷 第１期２０１２年２月 电 波 科 学 学 报ＣＨＩＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡＤＩＯ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１２ 文章编号 １００５－０３８８（２０１２）０１－００５０－０７基于正交编码的高频地波雷达信号的设计李 超 张 宁（哈尔滨工业大学电子工程技术研究所，黑龙江哈尔滨１５０００１）摘 要 为了避免电离层杂波折叠现象，高频地波雷达信号需要具有较大的不模糊距离，若采用简单的增大脉冲周期的方法就会使得占空比下降，而高频雷达恰恰需要高占空比信号以保证探测距离。针对这一问题，利用遗传算法来设计双脉冲正交编码，使得两个脉冲的互相关峰值低于各自的自相关峰值旁瓣，将不模糊距离推远到两个脉冲周期。为了进一步降低自相关函数旁瓣，采用反相滤波算法进行旁瓣抑制，仿真实验证明：该算法优于窗函数加权法、最小二乘法和递归最小二乘算法等失配滤波算法，且多普勒容限性高。关键词 高频地波雷达；信号设计；电离层杂波折叠；正交编码；反相滤波中图分类号 ＴＮ９５７．５１ 文献标志码 ＡＳｉｇｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｒｏｕｎｄｗａｖｅ ｒａｄａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｏｄｅｓＬＩ Ｃｈａｏ ＺＨＡＮＧ Ｎｉｎｇ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｉｃ ｆｏｌｄｅｄ ｃｌｕｔｔｅｒ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ，ｈｉｇｈ－ｆｒｅ－ｑｕｅｎｃｙ ｇｒｏｕｎｄ ｒａｄａｒ ｓｉｇｎａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ａ ｌａｒｇｅｒ ｕｎａｍｂｉｇｕｏｕｓ ｒａｎｇｅ．Ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｐｕｌｓｅｐｅｒｉｏｄ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ，ｂｕｔ ｉｔ ｗｉｌｌ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕｔｙ－ｃｙｃｌｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ＨＦ－ＳＷ ｒａｄａｒ ｎｅｅｄｓ ｈｉｇｈ ｄｕｔｙ－ｃｙｃｌｅ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒａｎｇｅ．Ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂ－ｌｅｍ，ｗｅ ｕｓｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎ ｄｏｕｂｌｅ ｐｕｌｓｅ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｏｄｅ，ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅｃｒｏｓｓ－ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｐｅａｋ ｂｅｌｏｗ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｓｉｄｅ－ｌｏｂｅ ｐｅａｋ．Ｔｈｅ ｕｎ－ａｍ－ｂｉｇｕｉｔｙ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｓ ｔｗｏ ｐｕｌｓｅ－ｃｙｃｌｅｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｗｅ ｕｓｅ ｉｎｖｅｒｓｅ ｆｉｌｔｅ－ｒｉｎｇ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｓｉｄｅ－ｌｏｂｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｓｉｇｎａｌ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｉｔ ｉｓｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｗｉｎｄｏｗｉｎｇ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｍｅｔｈｏｄ，ｌｅａｓｔ ｓｑｕａｒｅｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ ｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｏｗｎｓ ｂｅｔｔｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ ｔｏｌｅｒａｎｃｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｇｒｏｕｎｄ ｗａｖｅ ｒａｄａｒ；ｓｉｇｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ；ｉｏｎｏｓｐｈｅｒｅ ｆｏｌｄｅｄｃｌｕｔｔｅｒ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｃｏｄｅｓ；ｉｎｖｅｒｓｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ引 言解决电离层杂波折叠就是要提高信号的不模糊距离，使得电离层杂波处在信号的不模糊距离之外，无法对探测距离内产生折叠效应。虽然加大脉冲周期可以增大不模糊距离，却会导致占空比下降，从而收稿日期：２０１１－０２－２１联系人：李超Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｃｈａｏ８２０２２５＠１２６．ｃｏｍ使得发射机功率降低无法实现远距离探测。若采用多脉冲正交信号，由于脉冲之间相互正交，即其互相关函数为零，回波信号经过脉冲压缩之后，只对自身脉冲产生距离谱，因此，不产生距离模糊。简单的正交编码往往不具有好的自相关函数特性，无法达到雷达目标检测的需求；若采用正交矩阵得到多脉冲编码，虽然具有良好的旁瓣特性，但由于脉冲周期过长，容易产生多普勒模糊，无法满足海空兼容探测。因此，需要进行正交编码波形优化设计。发射波形优化设计是众多学者近年来的研究热点。Ｄｅｎｇ［１－２］研究了基于模拟退火的正交波形设计，主要是以互相关和自相关旁瓣能量最小为目的。在Ｄｅｎｇ的研究工作之后，出现了一系列正交波形设计方法，其中主要有遗传算法、整数非线性规划、最小互熵法、相位逗留法等，这些方法被广泛用于多输入多输出（ＭＩＭＯ）雷达［３－４］和分组雷达信号的设计。然而，这些雷达均采用频分复用来发射多频信号。对于高频地波雷达系统来说，频分复用信号对设备的线性度要求很高，且信噪比损失较大，时分复用方式是首选。本文主要研究高频地波雷达时分复用方式下正交编码的设计，其各个频段采用的信号形式完全相同，要求每个频段内信号的各个脉冲正交。高性能的雷达系统通常要求峰值旁瓣比达到－３０ｄＢ以上，在一些特殊的场合有可能提出超低旁瓣的要求。当优化设计的编码仍无法满足系统对旁瓣的需求时，就需要采用信号处理的手段来降低旁瓣。目前国内外关于旁瓣抑制滤波器的设计方法很多，如窗函数加权法［５，６］，最小均方误差（ＬＭＳ）［７］，最小的线性规划法，递归最小平方法（ＲＬＳ）［８］以及近年来兴起的神经网络算法等。早在１９７１年，Ｒｉｈａｃｚｅｋ和Ｇｏｌｄｅｎ［９］就利用反相滤波器对Ｂａｒｋｅｒ码进行抑制，取得了较好的效果，但由于只考虑对Ｂａｒｋｅｒ码的抑制，限制了其广泛应用。Ｇ．Ｄ．Ｃａｉｎ［１０］等提出了基于反相滤波的最优码搜索。随后Ｅｒｉｋｍａｔ［１１］又提出了利用无限长脉冲响应（ＩＩＲ）来设计反相滤波器。Ｒｏｂｅｒｔ Ｃ［１２］详细地分析了Ｅｒｉｋｍａｔ的算法并利用在旁瓣抑制方面。 针对高频地波雷达的特殊需求来构建代价函数，采用遗传算法设计时分复用的正交双脉冲信号，获得了具有理想自相关函数旁瓣和互相关函数峰值的信号。并对得到的正交编码采用反相滤波算法进行了旁瓣抑制。通过仿真实验比较，可以看出此算法的抑制性能更为有效。即使在较大多普勒偏移下仍有较低旁瓣，完全可以满足高频地波雷达系统需求。１．电离层杂波产生的折叠干扰问题电离层杂波折叠［１３，１５］是指发射信号以一定角度到电离层向外传播，由于信号总路径必定经过了由脉冲重复间隔决定的最大探测距离。因此，雷达会将前几个脉冲的回波在当前周期中接收回来，产生距离模糊。由于存在着距离模糊，与目标同一距离单元上接收到的杂波在时间上是重叠的，其中包括近程的强杂波。高强度的折叠杂波完全有可能淹没目标，尤其是复杂低空环境中的弱目标。如果系统无法检测折叠杂波中的目标，就会发生目标丢失现象，影响到雷达的探测性能。微波雷达工作在微波段，信号可以穿透电离层杂波，因此，电离层杂波对微波雷达探测目标几乎没有影响。而对于高频地波雷达来说，其作用距离为３００～４００ｋｇ．几千公里外的电离层杂波折叠，对这一区域目标产生严重的干扰。因此，电离层杂波折叠问题可以说是高频地波雷达波形设计中必须要考虑的问题。从波形设计的角度解决高频雷达的电离层杂波折叠干扰问题，方法主要有两种：１）单脉冲叠加相位旋转。文献［１３］针对高频雷达中杂波折叠问题，提出了一种脉间相位编码波形，将杂波搬移到无目标存在的多普勒区间，使原本掩盖的目标显现出来。从而解决了电离层杂波的折叠干扰问题。但是这种方法需要目标的先验知识。２）正交多脉冲序列。文献［１４］用Ｆｒａｎｋ矩阵等正交矩阵构造正交多脉冲互补编码，这种编码脉压信号具有零旁瓣特性，且能将不模糊距离推远到几千公里以外，避免了电离层对回波产生影响。但是以上两种方法都有其自身缺陷，单脉冲序列脉冲压缩信号往往具有过高旁瓣，无法满足我们的检测需求。正交互补序列由于其互补特性，有着理想的脉压主旁瓣比，但是其分段互补的信号结构，使得信号的重复周期过长。当采用多频分时探测模式时，无法进行海空兼容探测。为了同时满足高频地波雷达的这些需求，采用优化算法来设计双脉冲正交信号，解决电离层杂波折叠问题，并保证足够的占空比，同时其信号参数可以实现多频模式下的海空兼容探测。双脉冲正交信号的不模糊距离如图１中Ｒｕ所示。如图１所示，双脉冲正交信号由两个相互正交１５第１期 李 超等：基于正交编码的高频地波雷达信号的设计图１ 双脉冲正交信号不模糊距离示意图的脉冲组成一个信号周期。脉冲串（ａ）为发射信号，脉冲串（ｂ）为回波信号。如果是单脉冲信号，就无法区分回波信号的第２个脉冲是发射信号的第１个脉冲的时延（Ｔｐ＋Δｔ）还是第２个脉冲的时延（Δｔ）．因此，模糊距离为Ｃ×Ｔｐ２．但对于双脉冲正交信号，由于两个脉冲相互正交，即其自相关函数为零。回波信号经过脉冲压缩之后，只对自身脉冲产生距离谱，因此不产生距离模糊。其最大不模糊距离为信号周期即Ｒｕ＝２×Ｃ×Ｔｐ２＝Ｃ×Ｔｓ２．因此，按照高频地波雷达的检测需求来构造代价函数得到双脉冲正交信号就可以解决电离层杂波折叠的问题。２．基于遗传算法的正交相位编码利用遗传算法设计正交码，就是针对实际系统综合考虑多方面构造出代价函数，并最小化代价函数得到编码序列。２．１ 代价函数的构造为了满足海空兼容探测的需求，主要研究了双脉冲正交相位码。设有一对长度相同的有限二元序列，Ｃ１＝｛ａｎ｝；ａｎ∈（０，１），ｎ＝０，１，２，…，ＮＣ２＝｛ｂｎ｝；ｂｎ∈（０，１），ｎ＝０，１，２，…，Ｎ信号的自相关函数为式（１）和式（２），互相关函数为式（３）．Ｒｃ１（ｋ）＝∑Ｎ－１－ｋｉ＝０ａｉａｉ＋ｋ（１）Ｒｃ２（ｋ）＝∑Ｎ－１－ｋｉ＝０ｂｉｂｉ＋ｋ ｋ＜Ｎ－１（２）ｃｒｏｓｓｃ１，ｃ２（ｋ）＝∑Ｎ－１－ｋｉ＝０ａｉｂｉ＋ｋ ｋ＜Ｎ－１（３）码元信号需要具有以下特性：１）每个脉冲都具有较低的峰值旁瓣电平ＰＳＬ ＰＳＬ＝１０ｌｇ（ｍａｘｋ≠０Ｒ（ｋ）２／ｍａｘ Ｒ（ｋ）２） ｋ＜Ｎ－１（４）２）每个脉冲具有较低积分旁瓣电平ＩＳＬ ＩＳＬ＝１０ｌ（ｇ∑２ Ｎ－１ｋ＝１，ｋ≠０Ｒ（ｋ）２／ｍａｘ Ｒ（ｋ））２ ｋ＜Ｎ－１（５）３）两个脉冲的互相关函数峰值较低（低于各自的自相关旁瓣） ｃｒｏｓｓ ｍａｘ＝１０ｌｇｍａｘ ｃｒｏｓｓｃ１ｃ２（ｋ）２ｍａｘ Ｒ（ｋ）（）２ ｋ＜Ｎ－１（６）需要说明的是，这里对互相关函数用自相关函数峰值进行归一化，若归一化的互相关函数峰值低于自相关函数旁瓣，则表明两个脉冲正交，信号重复周期（两个脉冲周期）内不存在距离模糊现象，信号的最大不模糊距离为两个脉冲周期。４）两个脉冲的互相关函数积分旁瓣电平较低 ｃｒｏｓｓＩＳＬ＝１０ｌ（ｇ∑２ Ｎ－１ｋ＝１，ｋ≠０ｃｒｏｓｓｃ１ｃ２（ｋ）２ｍａｘ Ｒ（ｋ））２ ｋ＜Ｎ－１（７）将以上各个约束函数以罚函数的形式附加到代价函数中，则有ｆ（Ｃ１，Ｃ２）＝ｗ１＊ＰＳＬ（Ｃ１）＋ｗ２＊ＰＳＬ（Ｃ２）＋ｗ３＊ｃｒｏｓｓ ｍａｘ（Ｃ１，Ｃ２）＋ｗ４＊ｃｒｏｓｓＩＳＬ（Ｃ１，Ｃ２）（８）式中：［ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４］是各个约束函数的加权系数，可以通过训练的方法得到，也可以根据优化要求自行设置。２．２ 遗传算法设计正交编码步骤１）编码把一个问题的“可行解”从“解空间”转换到遗传算法所能处理的“搜索空间”的转换方法就称为编码。近年来许多学者研究证明二进制码比十进制码具有更强的搜索能力。因此，二进制编码是遗传算法中最主要的一种编码方式。由于需要优化设计的二相码本身就是二进制编码，因此可以直接将它们表示成遗传空间的基因型数据。这里把两个脉冲的编码放在一个行矩阵中，看成一个个体。即Ｓ＝Ｃ１Ｃ［］２＝ｓｎ，ｓｎ∈（０，１），ｎ＝１，２，…，２ Ｎ，Ｎ为二相正交码一个脉冲内的码元个数。Ｓ前一半码元为第一个脉冲Ｃ１，后一半码元为第二个脉冲Ｃ２．２
《高频地波雷达信号处理与仿真技术研究》篇一
一、引言
随着科技的不断发展，雷达技术已经成为现代军事和民用领域中不可或缺的重要工具。其中，高频地波雷达因其在探测浅层地表、移动目标及海底等场景的优越性能而备受关注。而针对高频地波雷达信号处理与仿真技术的深入研究，则是实现其高性能和广泛应用的必要条件。本文旨在探讨高频地波雷达信号处理与仿真技术的相关研究进展，以期为相关领域的研究人员提供参考。
二、高频地波雷达信号处理技术
1. 信号采集与预处理
高频地波雷达的信号采集主要依赖于高精度的采样设备和算法。在采集过程中，需要确保信号的完整性和准确性，以避免因噪声干扰而导致的信号失真。预处理阶段则主要对原始信号进行滤波、去噪等操作，以提高信号的信噪比。
2. 信号参数估计与检测
在信号参数估计与检测阶段，主要利用各种算法对信号进行频谱分析、调制识别等操作，以提取出有用的信息。这些算法包括但不限于傅里叶变换、小波变换、匹配滤波器等。
3. 目标定位与跟踪 根据提取出的信号参数，可以通过相关算法实现目标的定位与跟踪。常用的算法包括脉冲压缩、合成孔径、动目标显示等。这些算法能够有效地提高雷达的探测精度和分辨率。
三、高频地波雷达仿真技术研究
1. 仿真模型构建
为了研究高频地波雷达的性能，需要构建相应的仿真模型。这包括雷达系统的硬件模型、信号模型、环境模型等。通过这些模型，可以模拟出真实的雷达工作环境，从而对雷达的性能进行评估。
2. 仿真实验与结果分析
在仿真实验阶段，需要设置不同的实验场景和参数，以验证仿真模型的正确性和可靠性。通过对比实验结果与实际测量结果，可以评估雷达的性能，并针对不足之处进行改进。此外，还可以通过仿真实验来优化雷达系统的设计和工作参数，以提高其探测性能和降低误报率。
四、研究成果与应用前景
高频地波雷达信号处理与仿真技术的研究已经取得了显著的成果。在实际应用中，这些技术可以用于探测浅层地表、移动目标及海底等场景，具有广泛的应用前景。例如，在地质勘探、海洋资源开发、环境保护等领域，高频地波雷达都可以发挥重要作用。同时，随着人工智能和大数据等新兴技术的快速发展，高频地波雷达的信号处理和仿真技术也将得到进一步的提升和优化。
高频地波雷达海杂波特性仿真与分析
本文综述了高频地波雷达海杂波的特性及其仿真与分析技术研究。总体本文可以分为以下几个方面：
一、高频地波雷达海杂波特性
1.1 雷达海杂波类型
海杂波可以分为水下声衰减、涛声和海浪三类。其中，水下声衰减是由于海洋深处层状结构形成的频率及深度频散而造成声衰减;涛声来源于海啸，声强在深度大于100m处几乎水平不变;海浪来源于气泡形成的声学噪声，具有强的深度效应，深处海域的衰减特别大。
1.2 雷达海杂波的影响
高频地波雷达海杂波会使雷达探测受到很大的影响，它会导致雷达探测范围减小、雷达吞吐能力降低、探测精度下降等问题，从而影响雷达的作用。
二、高频地波雷达海杂波仿真
2.1 模型建立
仿真模型包括海洋环境内声源模型、地形、海洋层状结构模型等。在建立完环境模型之前，需要获取相应的雷达海杂波参数，例如声源强度、定常声衰减系数等。这些参数可以在海上测量或基于数据库提取等方式获得。
2.2 仿真分析 基于所建立的高频地波雷达海杂波模型，开展声压分布的仿真计算。在仿真分析中，可根据声压分布的仿真结果，计算探测距离、抑制范围、功率参数等，为雷达参数优化提供重要依据。
三、总结
本文综述了高频地波雷达海杂波的特性及其仿真与分析技术研究。深入了解了海杂波的分类，以及它们在雷达探测中的影响，并建立了海杂波数值模型，以便进行海杂波仿真和分析。它为雷达研究者提供了一种简便易行的研究方法，帮助他们在研究雷达的工作中取得更多的成效。
