海杂波的相关性质

这是一篇关于海杂波的相关性质的思维导图。海面雷达回波称为海杂波，它受风力、环境湿度、浪涌等多种自然因素的影响，海杂波变化复杂，强度高。

海杂波

• 雷达杂波
  • 性质
    • 雷达杂波是指探测环境中除去目标部分的其他物体对电磁信号散射并被接收到的回波分量，是一种与发射信号相关的分量。
  • 影响
    • 当接收回波中的杂波 分布范围与强度都较大时，我们将无法得到目标的有效信息，导致雷达系统出现 接收机的灵敏度降低、作用距离减小、整体性能指标变差等现象。
    • 而且杂波往往 不仅受探测场景的影响，还会受到发射信号强度、雷达系统参数等的影响，是一种与噪声干扰相比更加棘手的干扰形式。
• 海杂波定义
  • 狭义
    • 雷达接收到的由海表面对电磁信号的散射回波
  • 广义
    • 海面上除去目标的所有物体看作散射体
• 海面环境
  • 海况
    • 海况是对海态或者说风浪情况的一种度量，包含了对海面风速以及最大浪高的描述
    • 涌浪、洋流、旋涡
      • 波浪
        • 毛细波：又称为张力波，由海表面的风的作用形成，波长较短处于厘米级别，传播速度主要受海表面张力影响，属于海杂波中的快变化分量；
        • 重力波: 由地球重力作用形成,波长较长处于几十米到几百米级别,传播速度主要受重力影响，属于海杂波中的慢变化分量，对海浪高度也有一定影响。
    • 风速、风力、重力
      • 风力
        • 风平浪静时，后向散射能量较少
        • 风浪较强，散射能量很大
          • 这是因为首先风浪会改变海表面波浪运动，在电磁信号照射时常常出现谐振等现象，使得海杂波特性复杂;
          • 其次风浪有速度，使得海杂波的多普勒谱具有一定频偏。
  • 术语
    • 海况
      • 海况是指海面的风浪情况
    • 波高
      • 波高表示波浪的波峰顶点与相邻波谷谷底之间 的垂直距离
        • 1)平均浪高h：表示一批海浪波峰到波谷的平均值的参量,即所有波的平均高度,难以用肉眼估量,常用浪规仪器等进行测量和计算;
        • 2)主效浪高h：取波总数中三分之一最高波的平均高度,其中最高波表示最高浪高的波峰到波谷的高度；
        • 3)峰值浪高h：取波总数中十分之一最高波的平均高度,其中最高波同样表示最高浪高的波峰到波谷的高度,其数值大小约为h的两倍;
        • 4) 海面高度分布：海面高度分布近似于高斯分布,变量是海面高度与平均值的偏差,可用s表示,在实际情况中,采用截尾的高斯分布对其进行描述将更加确切，高斯分布可以表示为
    • 风波
      • 指海面受风影响产生的波
    • 后向散射系数
      • 后向反射系数是指单位面积的海洋表面对电磁散射信号的平均后向散射水平，可以用归一化雷达截面积表述，是海杂波参数中非常重要的一个参数，也是影响海杂波特性的重要指标
  • 影响
    • 回波频谱形状不规则
      • 受到海洋水体内波动、紊流以及其他因素引起的相互作用的影响，雷达发射的电磁信号发生了波峰和波谷间反射、波浪边缘绕射等现象，从而导致雷达接收到的反射信号不仅频谱形状极不规则
    • 非常规概率分布函数
      • 而且反射单元的概率分布函数也超出常规，并且随着时间的变化发生动态改变。
    • 也受雷达参数的影响
      • 此外,雷达信号以及系统参数如入射角、频率、极化方式等也会影响接收到的回波信号。
  • 因此，海杂波是很难用同一个统计模型来描述的。
• 模型建立
  • 特性
    • 幅度统计特性
    • 非平稳性
    • 频谱特性
    • 混沌特性
    • 这些研究对于制定雷达系统方案、选取参数提供了重要理论依据。
  • 影响因素
    • 海面环境
    • 雷达信号
    • 系统参数
• 抑制方法
  • 结合海杂波的散射机理与实测数据建立动态的海杂波模型
  • 进行海杂波背景下的目标检测,设计有效的检测算法
  • 发射与海杂波以及目标信息相匹配的波形，可以达到对杂波进行有效抑制的目的
    • 如果,这点对于雷达在海面目标识别和检测中具有重要的意义。本章主要通过研究海杂波特性,建立环境模型,在海杂波背景下根据实测数据验证本文所提出的认知雷达波形优化算法的有效性。研究工作如下：
• 后向散射系数
  • Bragg 散射
    • 产生
      • 对于工作在微波波段的雷达而言, Bragg散射分量与毛细波有关,构成了海杂波中光滑调制分量
    • 特性
      • 呈现出局部高斯特性,且在海杂波中持续存在
    • 影响因素
      • 对于工作在高频的雷达而言, Bragg散射分量与浪涌和长波有关
        • 在这种情况下,受到海面局部倾斜度变化的影响,该散射分量呈现出多径、遮挡等现象
      • 因此,Bragg散射的具体情况主要取决于雷达的工作波长。
      • 多普勒
        • 在多普勒域中,Bragg散射分量的谱宽度较大,近似对称且中心位于零频左右。
      • 极化
        • 在VV极化方式下的雷达截面积大于HH极化方式。
  • Burst 散射
    • 产生
      • 当雷达发射信号的入射角和海浪波峰近似垂直时，海杂波中会出现由海浪波 峰散射而形成的 Burst 散射分量
      • 出现具有偶然性
    • 影响因素
      • 海态
      • 雷达的入射角
    • 特性
      • 相干性
        • 在较短的持续时间内（约 200ms）， Burst 散射是相干的
      • 幅度
        • 其回波幅度基本保持不变且具有类似于镜面反射的特性。
      • 多普勒
        • 在多普勒域中,Burst散射分量的谱宽度较窄,谱中心偏移明显(与速度相关)。
      • 极化
        • 一般情况下, Brust散射对极化方式较为敏感,在VV极化方式下的雷达截面积小于HH极化方式。
      • 此外,由于Brust散射具有产生随机性、稀疏性等特点,易被误判为目标。
  • Whitecap 散射
    • 雷达距离分辨率
      • 当涌浪或者波发生破裂形成浪花时,海杂波中会出现由粗糙海表面散射而形成的Whitecap散射分量,受雷达距离分辨率的影响较大。
    • 多普勒
      • 在多普勒域中, Whitecap散射分量的频谱宽度较大,谱中心偏移也较大。
    • 极化
      • Whitecap散射的雷达截面积与极化方式关系不大。
• 极化影响
  • 对于同一组数据,多普勒谱在VV极化方式下主要由Bragg散射和Whitecap散射组成
  • 在HH极化方式下主要由Bragg散射、Burst散射和Whitecap散射组成;
  • 海杂波平均幅度在HH极化方式下比VV极化方式更小
  • HH极化方式下的海尖峰现象比VV极化方式下表现更为明显
  • 海杂波的能量分布由于受到海尖峰现象影响,在HH极化下主要集中在两端而中间分散, VV极化下较为分散。
• 雷达参数影响
  • 入射角
    • 入射角较小，海表面的后向散射强度也会很小
    • 当入射角较大至近似垂直时，可以将海表面的后向散射看作镜面反射，强度大小和海表面的粗糙程度有关
  • 工作频率
  • 分辨单元
    • 波束形状
    • 入射余角
    • 架设高度
    • 照射区域
      • 若照射区域内回波往返的时间差异小于最小雷达分辨时间差，则照射区域与分辨单元大小形同; 反之，则照射区域内包含多个分辨单元。
      • 照射区域内分辨单元的大小直接影响着海杂波的统计特性。
      • 雷达照射区域和分辨单元关系
• 总结
  • 对上述分析进行总结可知,首先, Bragg散射分量较为平稳,可以通过脉冲频率捷变技术进行解相关处理,但是Burst散射和Whitecap散射分量非平稳且具有随机性,无论在幅度还是功率方面,其与目标回波具有较为相似的特征。
  • 因此,Burst散射和Whitecap散射分量所导致的海尖峰分量是海面目标检测技术和非相干海杂波抑制技术的主要障碍。
  • 其次,在不同的极化方式下, Bragg散射、Burst散射和Whitecap散射的表现具有很大差异;
  • 再次,三种散射分量的多普勒谱特性各不相同,在进行海杂波功率谱建模时,结合实测数据与海杂波的散射机理考虑是非常必要的；
  • 最后，海杂波常常处于动态地变化之中，其特性受到许许多多因素影响,并且各因素之间相互作用,因此可以把海杂波当为随机过程,并利用统计方法对其特性进行分析。强海杂波背景下,海杂波特性的准确描述对于目标的检测有很大的影响,因此建立合理、准确的海杂波模型非常重要。
  • 准确的海杂波模型非常重要
    • 海尖峰分量
    • 极化方式
    • 多普勒敏感度
    • 动态变化