X波段雷达实测海杂波的特性
利用X波段雷达提取海浪信息的分析
第41卷第5期2011年5月中国海洋大学学报PERIODICAL OF OCE AN UNIVERSIT Y OF CH INA41(5):110~113M ay,2011利用X波段雷达提取海浪信息的分析*楚晓亮,徐铭,王峰,王剑(中国海洋大学信息科学与工程学院,山东青岛266100)摘要:利用X波段雷达海浪信息提取系统,通过对龙口屺姆岛海域岸基试验数据分析,获得了有效波高、主波频率、主波波向等海况参数,并和该区域的浮标数据进行了比较分析,结果表明利用X波段雷达系统能够有效地获得海况信息。
关键词:X波段雷达;傅里叶变换;有效波高;海浪谱中图法分类号:P731.2文献标志码:A文章编号:1672-5174(2011)05-110-04X波段雷达作为1种遥测手段具有造价低廉、机动便捷、经济实用和时空分辨率高等优点,可以方便地架装在岸基和船基上。
国内外已开始将X波段雷达作为岸基和船基监测海洋动力环境的新有效手段,因而具有更为广泛的应用前景。
1985年,Young首次提出了根据雷达/海杂波0图像时间序列提取海浪和海面流速信息的方法[1]。
以此理论为基础,人们利用X波段雷达提取海况信息并与浮标等现场测量结果进行了大量的对比试验,结果证明了这种方法在海浪、海流分析上的可靠性[2-4]。
随着X波段雷达遥测技术的进一步发展,国外的一些研究单位将X波段雷达测量系统产品化。
值得一提的是,德国GKSS研究中心在多年研究的基础上,成功研制了基于航海雷达的海浪监测系统WaM oS(Wave M onito ring System)。
经过不断努力,该系统在许多方面获得了改进,精度逐步提高,现在形成了第二代产品W aM oS II[5]。
该系统能够提供有效波高、波周期、海浪方向谱、海表面流速和流向等参量。
另外,挪威Miro s公司也研制了WAVEX系统,并开发形成商业产品[6]。
WAVEX系统可实时测量海浪参数(有效波高、最大波高、峰波周期、峰波波向等)和海表面流速(大小和方向)。
船载雷达海杂波去除算法研究及其应用
船载雷达海杂波去除算法研究及其应用船载雷达是一种重要的海洋观测设备，可以用于海洋探测、海情监测、船舶导航等领域。
然而，在使用船载雷达进行海洋探测时，由于海洋环境的复杂性，往往会受到海杂波的干扰，从而影响了雷达的探测效果。
因此，如何准确去除海杂波的干扰，是船载雷达应用研究的重要方向之一。
1. 船载雷达海杂波的特征船载雷达海杂波是由海洋环境的复杂性所引起的一种干扰，其特征是具有很宽的频率带宽、强度不均、杂乱无章、且随着时空变化而不断变化。
船载雷达常见的海杂波有以下几种类型：（1）表面波干扰：由于海洋表面的波浪运动而形成的一种干扰，在船载雷达的探测过程中，经常会被误判为目标信号。
（2）散射干扰：由海水中颗粒、气泡等物质所产生的散射信号，会与真实目标信号混淆在一起。
（3）多径干扰：由于雷达信号在传播过程中经历了反射、散射、绕射等多种路径，形成的一种多径信号干扰。
这些海杂波干扰会严重影响到船载雷达的探测效果，降低探测率和定位精度，因此需要研究相应的处理算法来去除海杂波干扰。
2. 船载雷达海杂波去除算法研究现状目前，船载雷达海杂波去除算法主要包括滤波算法、时域积分算法、小波变换算法等。
其中，滤波算法是最常用的一种去除海杂波的手段，它采用滤波器对雷达接收到的信号进行滤波处理，使得海杂波信号在滤波过程中被抑制，从而去除海杂波的干扰。
滤波算法主要分为线性滤波算法和非线性滤波算法两种类型。
线性滤波算法包括平均滤波、中值滤波、高斯滤波等，它们都具有简单、易实现的优点，但是其去除海杂波的效果并不理想。
非线性滤波算法则主要包括自适应中值滤波、小波变换滤波等，这类算法可以自适应地根据海杂波的特征进行处理，从而更好地去除干扰。
除了滤波算法外，时域积分算法也是一种常用的海杂波去除算法。
该算法主要是通过时域上对信号进行积分，从而去除杂波的一种方法。
时域积分算法可以有效地去除高频干扰，但是其对低频干扰的抑制效果不是太好。
小波变换算法则是近年来研究比较热门的一种海杂波去除算法。
x波段 固态雷达 特点
x波段固态雷达特点
x波段固态雷达是一种基于固态技术的雷达系统，其特点主要体现在以下几个方面。
1. 高分辨率：x波段固态雷达具有较高的分辨率，可以实现对目标进行更精确的定位和跟踪。
由于其较短的波长和高频率的特性，x 波段固态雷达能够更细致地观测目标的细节，如目标的形状、尺寸、速度等信息，从而提供更准确的目标识别和分类能力。
2. 高抗干扰性：x波段固态雷达在工作过程中具有较强的抗干扰能力。
由于其采用了固态器件，相比传统的机械式雷达，x波段固态雷达具有更快的响应速度和更低的误报率。
同时，x波段固态雷达还能够通过信号处理算法来抑制干扰信号，提高雷达系统的工作效率和可靠性。
3. 多功能性：x波段固态雷达具备多种工作模式和功能，可以适应不同的应用需求。
例如，x波段固态雷达可以通过改变工作频率和极化方式，实现对不同目标的观测和识别。
同时，x波段固态雷达还可以与其他传感器进行融合，如红外摄像机、激光雷达等，实现多模态信息的综合分析。
4. 高可靠性：x波段固态雷达采用固态器件和现代化的信号处理技术，具有较高的可靠性和稳定性。
相比传统的机械式雷达，x波段固态雷达没有旋转部件，减少了故障率和维护成本。
同时，x波段
固态雷达还具备较长的使用寿命和较低的能耗，能够满足长期稳定运行的需求。
通过以上特点，我们可以看出，x波段固态雷达具有较高的性能和应用潜力。
它在军事、航空航天、交通运输、环境监测等领域具有广泛的应用前景。
随着固态技术和信号处理技术的不断发展，x波段固态雷达将进一步提升其性能和功能，为人们提供更精确、可靠的目标探测和监测手段。
雷达x波段
雷达x波段
3. 海洋雷达：X波段的雷达可用于海洋监测和海上导航，用于测量海洋表面的波浪、潮汐和 船只位置。
4. 地面监测雷达：X波段的雷达可用于地面监测和目标跟踪，用于监测和控制交通、边境安 全和火灾等。
5. 军事应用：X波段的雷达在军事领域中也具有重要作用，可用于目标探测、识别和跟踪。
X波段的特点是具有较高的分辨率和较小的传播损耗，但受到大气和雨滴散射的影响较大。 在雷达系统设计中，选择合适的波段取决于具体的应用需求和环境条件。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
雷达x波段
雷达系统中的X波段（X-band）是指工作频率范围在8.0 GHz至12.0 GHz之间的电磁波 段。X波段在雷达应用中具有广泛的用途和重要性。
X波段具有较高的分辨率和较小的波长，因此在雷达系统中常用于以下应用：
1. 气象雷达：X波段的雷达可以用于气象观测，监测降水、云层和风暴等天气现象。
浅析海杂波对雷达检测的影响
浅析海杂波对雷达检测的影响作者：宫玉坤，柏宇，马意彭来源：《中国新通信》 2018年第11期一、引言计算机技术的发展使得仿真速度和精度不断提高，人们可以方便地借助计算机对雷达的各项工作指标进行仿真。
送入雷达系统处理机的信号包含有用信号和无用信号。
有用信号主要指由检测目标反射而产生的回波信号。
无用信号主要由各种类型的杂波和噪声组成。
雷达在海上接收的信号中会夹杂大量的杂波干扰，即通常所说的海杂波。
海杂波具有更强的动态特性，是雷达波在物体表面形成的后向散射。
海杂波在实际研究中所扮演的角色有两个方面。
当我们的探测目标（如潜艇、海面漂浮物等）在海杂波背景下时，如果我们要对海洋及其动态特性进行研究, 我们需要从海杂波中提取反映他们的信息，那么此时杂波就是包含了海洋写照的有用信息。
同时，海杂波还扮演着干扰源的角色。
我们通常先对目标海域的海洋特性进行分析，然后确立合适的杂波模型，进行仿真。
当然，要建立精确的海杂波模型是比较困难的，如果模型与实际偏差较大会对雷达系统的性能产生很大影响，这也是雷达技术中需要攻克的难点问题之一。
针对这些问题，本文将深入探讨海杂波对雷达探测的影响。
二、海杂波对雷达检测带来的影响2.1 海杂波对雷达检测的有利影响海杂波中包含海洋环境的动态特性海杂波在雷达术语中指海洋探测中不必要的回波。
这些回波在潜艇、海面漂浮物等海洋背景下产生，并随着海洋环境的变化而时刻变化，包含了海洋实时的有用信息。
使得雷达对于目标回波的检测更具有灵活性和真实性。
海洋、天气因素等都会产生时刻变化的海杂波，对海洋信息的检测具有十分重要的作用。
若是能采用一定的技术手段，将无用的噪声滤除，将回波和海杂波从接收信号中准确提取，这将有利于我们精确掌握海洋环境的动态特性，大大提高雷达检测的意义和价值。
2、海杂波有利于目标回波的检测判决当雷达在海洋工作时，海杂波的存在是不可避免的。
通常采用过门限检测法对目标回波进行检测，即当信号超过判决门限时，便确定为目标回波，反之便确定为杂波。
雷达的波段
雷达的波段
雷达使用的波段包括以下几种：
1. X波段：X波段在8-12 GHz的频率范围内，具有适中的穿
透能力和分辨率，常用于空中监控、天气预报和导航系统等应用。
2. S波段：S波段在2-4 GHz的频率范围内，具有较长的波长
和较好的穿透能力，常用于飞机和地面目标的探测和跟踪。
3. C波段：C波段在4-8 GHz的频率范围内，具有较高的分辨
率和较好的抗干扰能力，常用于舰船、飞机以及地面目标的探测和跟踪。
4. Ku波段：Ku波段在12-18 GHz的频率范围内，具有高分辨
率和高精度的特点，常用于地球观测、气象监测和雷达遥感等领域。
5. Ka波段：Ka波段在2
6.5-40 GHz的频率范围内，具有较高
的分辨率和较好的抗干扰能力，常用于高精度目标跟踪和卫星通信。
除了以上几种常用的波段外，还有其他波段如L波段、U波段、V波段等，它们在不同的应用场景中具有各自的特点和优势。
根据具体的应用需求，可以选择不同的雷达波段进行使用。
海杂波特征
海杂波特征海杂波特征是指在海洋中存在的一种波动现象，具有多样性和复杂性。
它们的形成与海洋环境、风力、潮汐、海底地形等因素密切相关。
海杂波特征对海洋工程、航行安全和海洋研究等领域都具有重要意义。
本文将从海杂波的定义、形成机制、特征及其应用等方面进行阐述。
一、海杂波的定义海杂波是指在海洋中存在的各种波动现象，包括风浪、潮汐波、内波、涡旋、涌浪等。
它们的形成和演变受到多种因素的影响，呈现出多样性和复杂性。
二、海杂波的形成机制1. 风浪：风是形成海浪的主要驱动力，风的强度和方向决定了海浪的高度和形态。
风浪的形成与风速、风向、风持续时间等因素密切相关。
2. 潮汐波：潮汐是由月球和太阳的引力作用形成的，潮汐波是潮汐力在海洋中传播形成的波动现象。
潮汐波的周期性和规律性是其特点之一。
3. 内波：内波是由密度差异引起的波动现象，主要分布在海洋的密度跃层区域。
内波的形成与海洋的密度分层、潮汐力等因素有关。
4. 涡旋：涡旋是一种旋转的海洋运动，形成于不稳定的流场中。
涡旋的形成与海洋的流动速度、流场的不稳定性等因素有关。
5. 涌浪：涌浪是由远离海洋的风浪在近岸浅水区域发生折射和反射形成的波动现象。
涌浪的高度和频率与近岸海底地形、水深等因素密切相关。
三、海杂波的特征1. 多样性：海杂波的形态和特征多种多样，不同的海区、不同的季节、不同的天气条件下，海杂波的形态和特征会有所不同。
2. 复杂性：海杂波的形成和演变受到多种因素的综合影响，包括风力、潮汐力、海洋流场、海底地形等因素，使得海杂波具有复杂性和随机性。
3. 变化性：海杂波的形态和特征会随着时间的推移而发生变化，例如风浪的高度和频率会随着风力的变化而变化。
4. 空间分布不均匀：海杂波的空间分布具有不均匀性，不同海区、不同海域的海杂波特征存在差异。
四、海杂波的应用1. 海洋工程：海杂波的特征对海洋工程具有重要影响。
在海洋平台、海底管道等工程设计中，需要考虑到海杂波的作用，以保证工程的安全可靠。
海杂波统计特性分析.ppt
0
为瑞利分布 ， pZ|R (z | r) 为Chi分布，伽马分布的平方根。 22.03.2019 13
pR (r )
２.杂波统计模型
2.4 复合K分布(4)
其PDF随参数的变化如下图所示：
参数a=2
22.03.2019
W(k)
ZMNL
X(k)
其过程是先由白高斯序列V(k)，经过滤 波器H(z)产生相关高斯序列W(k)，然后经过 某种非线性变换得到相关非高斯序列X(k)。
22.03.2019 19
３.非高斯杂波仿真
3.1.1 ZMNL法仿真Log-normal杂波(1) Log-normal杂波序列的产生框图如下：
22.03.2019 17
３.非高斯杂波仿真
目前，相关非高斯分布杂波的模拟方法 主要有两种： 1. 广义维纳过程的零记忆非线性变换 (ZMNL)法；
2. 球不变随机过程(SIRP)法。
22.03.2019
18
３.非高斯杂波仿真
3.1 零记忆非线性变换(ZMNL)法
其框图为：
V(k)
H(z)
其概率密度函数如下式所示：
x p f( x ) q q
p 1 p x exp , x 0 q
1 /p P 5 ,q2
1 /p P 3：
1 /p P 3 ,q4
22.03.2019 11
２.杂波统计模型
2.4 复合K分布(2)
K分布可以用基于海面合成理论的复合散射理论解释。 在海面合成理论中，将海面波动分为两种： • 1.重力波，波长是几百米到小于1米,作用力主要 是重力；其回波相关时间较长，量级为秒，有的长 达数十秒，它构成了海杂波的正随机成份，通常称 为纹理(Texture)； • 2.毛细波，波长在厘米级甚至更短，恢复力主要 是表面张力。其平均生存周期较短，变化较快，去 相关时间为数十毫秒，一个杂波单元内可能有多个 毛细波同时存在，因此其回波总体上表现为高斯分 布的特点，构成了海杂波的高斯成份，通常称为散 斑(Speckle)。
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2012年第06期，第45卷 通 信 技 术 Vol.45，No.06,2012 总第246期 Communications Technology No.246,Totally ·传 输·X波段雷达实测海杂波的特性分析﹡杨永生， 张宗杰(苏州科技学院 电子信息工程学院，江苏 苏州215011)【摘 要】舰载雷达和海岸警戒雷达的目标检测和跟踪性能与海杂波密切相关。
对X波段雷达实测海杂波进行了功率谱密度和相关分析,得到了一些有益的结果。
与VV极化相比，HH极化的海尖峰特性更明显；与HH极化相比，VV极化海杂波的功率谱密度具有更窄的带宽，且衰减得更快。
而HH和VV极化海杂波具有相似的相关性,但HH极化的相关系数要比VV极化的要小。
得到的结果对雷达目标检测与识别具有一定的借鉴意义。
【关键词】海杂波；相关分析；功率谱密度；极化【中图分类号】TN957【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2012)06-0055-03 General Properties of X-band Sea Clutter based on Experiments DataYANG Yong-sheng， ZHANG Zong-jie（College of Electric & Information Engineering, Suzhou University of Science and Technology,Suzhou Jiangsu 215011, China）【Abstract】The target detection and tracking performance of shipborne radar and coast warning radar, is closely related to sea clutter. The power spectrum density and correlation analysis is done on the experimental data of sea clutter with X-band radar, and some helpful results are thus obtained. Compared with VV polarization, the spike of sea clutter in HH polarization is more obvious, and compared with HH polarization, the band width of power spectrum density of VV polarization is smaller and decays more rapidly. However, of both HH and VV polarization of sea clutter have similar correlation properties, but the coefficient of HH polarization is smaller than that of VV polarization. The experimental results given in this paper are of certain reference value to the target detection and recognition of radar.【Key words】sea clutter; correlation analysis; power spectrum density; polarization0 引言海杂波通常是指雷达接收来自海表面散射的回波信号，它不仅与海面粗糙度密切相关，而且雷达波的极化、波段以及入射角度等系统参数对其也有较大的影响。
舰载雷达和海岸警戒雷达在维护国家和地区安全方面发挥着重要的作用，其主要任务是在海杂波背景下实现目标的检测、识别与跟踪，如船只、低空掠海飞行的飞机和导弹等。
因此，海杂波特性的研究已成为现代雷达系统设计与性能评估的重要课题[1-2]。
目前，已从多种角度对海杂波的特性进行了深入的研究，如海尖峰、多普勒谱、相关分析及统计建模等。
在海杂波统计建模方面，已提出的模型有Weibull分布、log-normal分布、Gamma分布、复合高斯分布以及K分布等[1-5]。
文献[6]，利用英国南部海岸某雷达海杂波数据来分析含有3个分量的多普勒谱模型，该模型是通过wavetank数据建立起来的。
并进一步研究了海杂波数据中的去相关、多普勒、极化等特征；分析了Bragg与non-Bragg散射机理、海尖峰特性与风向之间的关系。
文献[7]，从时间、幅度和频率3个角度，对海杂波的海尖峰进行了分析。
文中利用X波段极化雷达实测数据，对海杂波收稿日期：2012-04-16。
﹡基金项目：江苏省高校自然科学研究项目（No.11KJB420003）。
作者简介：杨永生（1976-），女，硕士，讲师，主要研究方向为海洋遥感和图像处理；张宗杰（1966-），女，硕士，副教授，主要研究方向为雷达信号处理及模式识别。
5556 进行了功率谱密度和相关分析，得到了一些有益的结果。
1 实验数据研究中所采用的实测海杂波数据是McMaster IPIX 雷达采集的，该数据可在互联网上下载，其网址为http://soma.crl.mcmaster.ca/ipix/dartmouth/ datasets.html#download 。
McMaster IPIX 位于加拿大的Dartmouth, 它架设在高于海平面25～30 m 处的陆地上，这是典型舰载雷达的安装高度。
McMaster IPIX 雷达天线指向固定，仅可对一片海域进行低掠射角探测。
发射机峰值功率为 8 kW ，采用的是行波电子管放大器。
接收机为相干接收方式，它的瞬时动态范围已达到50 dB 。
抛物面天线的直径为2.4 m ，波束宽度为1.1 deg ，天线增益为45.7 dB 。
McMaster IPIX 雷达具有4个极化接收通道（HH ，VV ，HV ，VH ），其中，V 表示垂直极化，H 表示水平极化。
文中所使用的海杂波数据是1993年11月11日McMaster IPIX 雷达接收到的海杂波数据，当时海面波高为0.7 m 。
雷达波的载频为9.39 GHz ，脉冲重复频率 PRF 为1 000 Hz ，脉宽为200 ns ，波束宽度为0.9 deg ，距向分辨率为30 m 。
McMaster IPIX 雷达总共有14个距离门，相邻的距离门间距为15 m ，每个距离门采样的样本数为172，即131 072。
因此，海杂波持续时间大约为130 s 。
图1为X-波段海杂波实测数据，其中，图1(a)为HH 极化的海杂波幅度，图1(b)为VV 极化的海杂波幅度，水平轴为时间；纵轴为海杂波幅度。
从图1可以看出，HH 和VV 极化的海杂波在幅度上变化均较剧烈，都表现出了一定的随机性和海尖峰特性，而且HH 极化海杂波的海尖峰特性要比VV 极化的更显著。
表1为高于n 倍均值样本的百分比，其中，μ为均值，HH 极化的均值为0.635 5，VV 极化的均值为0.734 3。
从表1同样可以看出，HH 极化的海尖峰特比VV 极化的更明显，如HH 极化海杂波高于3倍均值样本占比为4.75%，而VV 极化海杂波的占比仅为3.57%。
A m p l i t u d e o f s e a c l u t t e r , Vt /s(a) HH 极化A m p l i t u d e o f s e a c l u t t e r , Vt /s (b) VV 极化图1 X-波段海杂波实测数据 表1 高于n 倍均值样本的百分比n HH 极化 /(%)VV 极化 /(%)212.51 9.20 3 4.75 3.57 4 2.38 1.66 5 1.24 0.78 60.82 0.362 海杂波的特性分析2.1 功率谱密度为了避免直流分量的影响，首先从原始数据中去掉直流分量，即信号的均值。
周期图法是典型的功率谱估计方法之一。
它是基于数据的Fourier变换来估计平稳过程的功率谱密度。
因此，它具有较高的计算效率。
利用周期图法估计平稳过程()x n 的功率谱密度()S ω，其表达式为：21j 11()()e,0,1,2,,1N nn S x n n N Nωω--===-∑ 。
(1)海杂波的功率谱密度是采用改进的周期图谱方法来估计的，其中数据加矩形窗，矩形窗为256点。
为了减少频谱的泄漏，对数据进行50%的重叠。
图2(a)和图2(b)分别为HH 和VV 极化的海杂波功率谱密度，HH 和VV 极化海杂波的功率谱密度主要分布在100 Hz 以内。
从图2可以看出，VV 极化海杂波的功率谱密度具有更窄的带宽，且衰减的更快。
P o w e r s p e c t r u m d e n s i t y , d Bf /Hz (a) HH 极化海杂波的幅度/V 海杂波的幅度/V 功率谱密度度/d B57P o w e r s p e c t r u m d e n s i t y , d Bf /Hz (b) VV 极化图2 海杂波的功率谱密度 2.2 相关性为了更好地研究海杂波的特性，需要进行相关分析。
就二维海杂波而言，相关性包括空间相关分析和时间相关分析。
由于McMaster IPIX 雷达的距离门数仅为14，数目太少。
因此，在这里不对海杂波进行空间相关方面的分析和研究。
自相关函数()R τ的定义为：()()()()()P t P t R P t P t ττ**+=， (2)式中，()P t 为海杂波的幅度，τ为时延，⋅为期望运算，‘*’为复共轭运算。
根据Wiener-Khintchine 定理，平稳过程的自相关函数()R τ与功率谱密度()S ω之间的关系为：i 1()()e d 2πS R ωτωττ∞-∞=⎰， (3) i ()()e d R S ωττωω∞--∞=⎰。
(4)图3(a)和图3(b)分别为HH 和VV 极化的海杂波自相关函数。
从图3可以看出，HH 和VV 极化海杂波相关性具有相似的变化趋势。
HH 和VV 极化海杂波在大约20 ms 以后，自相关函数()R τ基本保持不变，VV 极化的相关系数在0.2附近波动，而HH 极化的相关系数在0.1附近波动，这表明HH 极化的海杂波相关性要比VV 极化的相关性要小一些。
LA u t o c o r r e l a t i o n c o e f f i ci e n tt lag /ms(a) HH 极化A u t o c o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n tt lag /ms (b) VV 极化图3 海杂波的自相关函数3 结语文中对X 波段雷达实测海杂波进行了功率谱密度和相关分析。