專利名稱：一種天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法，涉及天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去污染方法領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高頻天波超視距雷達(dá)(OTHR)利用電離層對(duì)電磁波的反射作用來(lái)探測(cè)目標(biāo)，其最大探測(cè)距離可達(dá)3000km以上。OTHR具有監(jiān)測(cè)范圍極大、預(yù)警時(shí)間長(zhǎng)、可以防止低空超低空突防、能夠發(fā)現(xiàn)隱身目標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)。但是OTHR仍然存在著一些缺陷和問題需要解決。由于電離層介質(zhì)受各種環(huán)境因素影響，是一個(gè)不穩(wěn)定的傳播媒質(zhì)，所以它對(duì)OTHR的最終探測(cè)結(jié)果有著非常大的影響。OTHR主要關(guān)心的電離層問題是電離層對(duì)回波頻譜產(chǎn)生的影響，其影響主要體現(xiàn)在通過電離層傳播的電磁波可能會(huì)產(chǎn)生相位上的變化，相位污染分為線性相位污
染和非線性相位污染。前者一般存在于短時(shí)相參積累的情況下，主要導(dǎo)致多普勒譜頻率偏移，不會(huì)影響目標(biāo)探測(cè)性能；而后者主要發(fā)生在較長(zhǎng)時(shí)間相參積累的情況下，嚴(yán)重影響信息的相參積累效果，導(dǎo)致多普勒展寬，很容易使得弱目標(biāo)信號(hào)被強(qiáng)雜波信號(hào)所影響甚至淹沒。對(duì)用于慢速艦船目標(biāo)探測(cè)的天波超視距雷達(dá)來(lái)講，為了提高信噪比一般都需要進(jìn)行較長(zhǎng)的相參積累，但這也導(dǎo)致了非線性相位污染的產(chǎn)生，進(jìn)而嚴(yán)重影響探測(cè)性能。非線性相位污染的校正主要有三類1、將非線性相位污染轉(zhuǎn)化為線性相位污染再進(jìn)行處理的方法，其主要代表為特征值分解法和最大熵法；2、估計(jì)信號(hào)的瞬時(shí)頻率再進(jìn)行積分以得到相位污染的方法，其主要代表為偽維納分布法和相位梯度法(PGA) ;3、使用待定系數(shù)多項(xiàng)式來(lái)模擬相位污染函數(shù)的方法，其主要代表為最小熵搜索法和多項(xiàng)式建模法。這些方法在一定程度上抑制了電離層相位污染，但是同樣存在一些問題，例如當(dāng)信雜比(SCR)較低的時(shí)候，處理結(jié)果會(huì)變壞甚至算法失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法，以解決在各種情況下尤其是信雜比較低的情況下，由于存在非線性相位污染而對(duì)天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響探測(cè)性能的問題。本發(fā)明通過以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一由數(shù)據(jù)采集模塊將天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)轉(zhuǎn)化為待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)；步驟二 由數(shù)據(jù)選取模塊將步驟一采集到的待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)通過FFT轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)，對(duì)頻域數(shù)據(jù)選取數(shù)據(jù)窗并對(duì)頻譜中能量集中的區(qū)域進(jìn)行截取，對(duì)截取后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT得到新的天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)做為處理用數(shù)據(jù)；步驟三由污染函數(shù)計(jì)算模塊利用步驟二中得到的處理用數(shù)據(jù)通過構(gòu)造時(shí)域相關(guān)矩陣，取出其相位矩陣，利用二維FFT處理得出回波頻率，進(jìn)而得出非線性相位污染函數(shù)f;步驟四由信號(hào)校正模塊利用所得出的非線性相位污染函數(shù)f來(lái)校正待處理待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)，獲得去除非線性相位污染的待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得去非線性相位污染后的天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)。發(fā)明的有益效果解決了天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)中非線性相位污染產(chǎn)生影響的問題，誤差明顯減小，而且本方法應(yīng)用起來(lái)有更好的穩(wěn)定性。


圖I為本天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法的流程圖；圖2為具體實(shí)施方式
二中理想功率譜、污染后功率譜及本天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法去污染后的信號(hào)功率譜之比較示意圖；圖3為具體實(shí)施方式
二中添加的污染函數(shù)與得出的污染函數(shù)之比較示意圖；圖4為具體實(shí)施方式
二中本天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法與PGA方法在不同污染函數(shù)頻率的條件下的比較圖示意；圖5為具體實(shí)施方式
二中本天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法與PGA方法在不同信噪比的 條件下的比較示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合圖I至圖5說明本發(fā)明的
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一如圖I所示，天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)步驟一由數(shù)據(jù)采集模塊將天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)轉(zhuǎn)化為待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)；步驟二 由數(shù)據(jù)選取模塊將步驟一采集到的待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)通過FFT轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)，對(duì)頻域數(shù)據(jù)選取數(shù)據(jù)窗并對(duì)頻譜中能量集中的區(qū)域進(jìn)行截取，對(duì)截取后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT得到新的天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)做為處理用數(shù)據(jù)；首先，假設(shè)有一雷達(dá)回波信號(hào)為X是一個(gè)來(lái)自某分辨單元的沒有受到電離層相位污染的在一個(gè)相參積累周期內(nèi)的回波信號(hào)。則其經(jīng)過電離層傳播后產(chǎn)生電離層相位污染的對(duì)應(yīng)回波信號(hào)表示如下
Y = eMt)X(I)式中爐(O為相位污染函數(shù)(rad)。為了研究工作的方便，將存在電離層相位污染的雷達(dá)回波的定義如下假設(shè)處理用數(shù)據(jù)包含N個(gè)脈沖重復(fù)周期，并且處理用數(shù)據(jù)含有未知的相位污染，處理用數(shù)據(jù)中第i時(shí)刻來(lái)自所有照射區(qū)域的天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)表示為公式一
S (O = (0| · exp {j[27rf(i-1) + ^0 + ^]}式中f——回波信號(hào)頻率(Hz)；φ0——初相(rad)；Yi——i時(shí)刻相位污染(rad)；
Y i中包含微小雜波和噪聲，并設(shè)時(shí)刻i = I時(shí)為參考值并且有Y i = O。步驟三由污染函數(shù)計(jì)算模塊利用步驟二中得到的處理用數(shù)據(jù)通過構(gòu)造時(shí)域相關(guān)矩陣，取出其相位矩陣，利用二維FFT處理得出回波頻率，進(jìn)而得出非線性相位污染函數(shù)f;構(gòu)造的時(shí)域相關(guān)矩陣為公式二 R = E [SSH] = [rmjk]NXN這里[·]Η表示共軛轉(zhuǎn)置；一個(gè)相參積累周期內(nèi)接收的信號(hào)可以用矩陣形式表示為公式三
S= [S(I), S(2), , S(N)Jt這里[·]τ表示轉(zhuǎn)置；公式二中R的第m行k列元素為公式四rm, k = S (m) · S (k)H = | S (m) | | S (k) | · exp {j [2 π f (m_k) + ( Y m- Y k) ]}m = I, 2,, N ;k = I, 2,, N ;相位矩陣為設(shè)φ為時(shí)域相關(guān)矩陣R的相位矩陣，則為rm,k的相位，則有公式五Φ k = arg (rmj k) = 2 π f (m_k) + (rm-rk)于是φ的第一列元素為公式六Φ m, i = arg (rm, ^ = 2 τι f (m-1) + ^mT1) = 2 π f (m_l) +rm公式五中數(shù)據(jù)經(jīng)過二維FFT處理之后矩陣中將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值，其行、列位置與相位函數(shù)斜率2 π f對(duì)應(yīng)，當(dāng)這一斜率被得出，相位污染函數(shù)也就可以由公式六得到，則得出的污染函數(shù)為公式七 上 Γ這里用六來(lái)表示得出的i時(shí)刻的相位污染。步驟四由信號(hào)校正模塊利用所得的非線性相位污染函數(shù)f來(lái)校正待處理待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)，獲得去除非線性相位污染的待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得去非線性相位污染后的天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)。
具體實(shí)施方式
二 為了驗(yàn)證本方法的有效性，進(jìn)行了如下的仿真一、仿真分析采用模擬天波超視距雷達(dá)海面回波信號(hào)數(shù)據(jù)。設(shè)雷達(dá)接收回波為公式八s (t) = S1 · exp (j2 n fbt) +S2 · exp (-j2 n fbt) +w (t)式中Sl、S2——分別為正、負(fù)一階海雜波功率幅值；fb-Bragg 頻率；w(t)-高斯白噪聲。公式八所對(duì)應(yīng)功率譜如圖I所示。表I時(shí)域相關(guān)算法仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法，其特征在于所述方法包括以下步驟 步驟ー由數(shù)據(jù)采集模塊將天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)轉(zhuǎn)化為待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)； 步驟ニ 由數(shù)據(jù)選取模塊將步驟ー采集到的待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)通過FFT轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的頻域數(shù)據(jù)，對(duì)頻域數(shù)據(jù)選取數(shù)據(jù)窗并對(duì)頻譜中能量集中的區(qū)域進(jìn)行截取，對(duì)截取后的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT得到新的天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)做為處理用數(shù)據(jù)； 步驟三由污染函數(shù)計(jì)算模塊利用步驟ニ中得到的處理用數(shù)據(jù)通過構(gòu)造時(shí)域相關(guān)矩陣，取出其相位矩陣，利用ニ維FFT處理得出回波頻率，進(jìn)而得出非線性相位污染函數(shù)f; 步驟四由信號(hào)校正模塊利用所得的非線性相位污染函數(shù)f來(lái)校正待處理待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)，獲得去除非線性相位污染的待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲得去非線性相位污染后的天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)。
2.如權(quán)利要求I所述的天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法，其特征在干 所述步驟ニ中 假設(shè)處理用數(shù)據(jù)包含N個(gè)脈沖重復(fù)周期，并且處理用數(shù)據(jù)含有未知的相位污染，處理用數(shù)據(jù)中第i時(shí)刻來(lái)自所有照射區(qū)域的天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)表示為公式一S (O = (0| · exp {j[27f(i -1) + 爐。+ % ]} 式中f——回波信號(hào)頻率(Hz)； (Po-初相(rad)； Yi-i時(shí)刻相位污染(rad)； Yi中包含微小雜波和噪聲，時(shí)刻i = I時(shí)為參考值并且有Y i = O。
3.如權(quán)利要求I或2所述的天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法，其特征在于所述步驟三中 構(gòu)造的時(shí)域相關(guān)矩陣為公式ニR = E [SSH] = [rm> Jnxn這里[·]Η表示共軛轉(zhuǎn)置； ー個(gè)相參積累周期內(nèi)接收的信號(hào)用矩陣形式表示為公式三S= [S(I), S (2), , S(N)Jt這里レ]τ表示轉(zhuǎn)置； 公式ニ中R的第m行k列元素為公式四 rm, k = S (m) · S (k) η = S (m) | | S (k) | · exp {j [2 π f (m_k) + ( Y m- Y k) ]} m = l，2，...，N;k = 1，2，···，Ν; 相位矩陣為 設(shè)Φ為時(shí)域相關(guān)矩陣R的相位矩陣，則ctm,k、rm,k的相位，則有公式五 小 m, k = arg (rmj k) = 2 π f (m_k) + (rm-rk) Φ的第一列元素為公式六Φη,,ι = arg(rma) = 2 π f (m_l) + (ら-も)=2 π f (m-l)+rm 公式五中數(shù)據(jù)經(jīng)過ニ維FFT處理之后矩陣中將會(huì)產(chǎn)生ー個(gè)峰值，其行、列位置與相位函數(shù)斜率2Jif對(duì)應(yīng)，這ー斜率被得出，相位污染函數(shù)由公式六得到，則得出的污染函數(shù)為公式七 r=[n,r2,-,hf 這里用》來(lái)表示得出的i時(shí)刻的相 位污染。
全文摘要
一種天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去非線性相位污染方法，涉及天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)去污染方法領(lǐng)域。為解決在各種情況下尤其是信雜比較低的情況下，由于存在非線性相位污染而對(duì)天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)產(chǎn)生影響，進(jìn)而降低探測(cè)性能的問題。本發(fā)明由以下主要步驟實(shí)現(xiàn)由數(shù)據(jù)采集模塊采集待處理天波超視距雷達(dá)時(shí)域數(shù)據(jù)；由數(shù)據(jù)選取模塊轉(zhuǎn)化為處理用數(shù)據(jù)；由污染函數(shù)計(jì)算模塊得出非線性相位污染函數(shù)由信號(hào)校正模塊獲得去非線性相位污染后的天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)。本方法解決了天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)中非線性相位污染產(chǎn)生影響的問題，誤差明顯減小，在信雜比較低的時(shí)候效果更好。本方法用于對(duì)天波超視距雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行處理。
文檔編號(hào)G01S7/36GK102841337SQ201210120979
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月23日
發(fā)明者位寅生, 崔巖, 許榮慶, 張晨 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)