海杂波统计特性分析PPT课件
地海杂波对雷达成像的影响——幅度统计分布
地海杂波对雷达成像的影响——幅度统计分布地海杂波是指雷达在海洋或陆地上工作时遇到的来自地面和海面的干扰信号。
这些杂波会对雷达成像系统的性能和精度造成一定的影响。
本文将探讨地海杂波对雷达成像的影响，特别是对幅度统计分布的影响。
首先，地海杂波对雷达成像系统的幅度统计分布产生影响。
雷达成像系统主要依靠接收到的反射信号的幅度信息来还原目标的图像。
然而，地海杂波会干扰和混杂在目标回波信号中，导致目标反射信号的幅度统计分布不符合理想情况。
地海杂波的存在使得目标回波信号的幅度统计分布呈现出较大的动态范围，并且会产生尾沿衰减的现象。
这使得目标的边缘区域比中心区域具有更低的幅度。
因此，在进行雷达成像时，需要对幅度统计分布进行适当的处理和校正。
其次，地海杂波对雷达成像系统的像质产生影响。
地海杂波的存在会导致目标回波的强度被地海杂波掩盖或削弱，从而减弱图像的对比度和清晰度，并且可能引起图像模糊和失真。
尤其是在目标与地面或海洋接近时，地海杂波的影响更加显著。
为了解决这个问题，通常采用图像增强算法，如空间滤波、逆滤波和自适应滤波等，来改善地海杂波对图像质量的影响。
另外，地海杂波对雷达成像系统的精度和定位能力产生影响。
地海杂波与目标回波信号混合在一起，使目标信号的特征变得模糊，从而使系统无法准确地判断目标的位置和形状。
尤其是在目标与地面或海洋接近时，地海杂波会模糊目标的边界，导致目标定位精度下降。
为了提高雷达成像系统的精度和定位能力，可以采用高分辨率雷达系统、多基站雷达系统或者应用波束形成技术等。
此外，地海杂波对雷达成像系统的功耗和端到端延迟也会产生一定的影响。
地海杂波的存在使目标回波信号的功率减弱，需要增加雷达系统的发送功率来保持目标回波信号的强度。
这会增加雷达系统的功耗。
此外，地海杂波还会增加目标回波信号的传播时间，导致雷达系统的端到端延迟增加。
综上所述，地海杂波会对雷达成像系统的幅度统计分布、像质、精度和定位能力、功耗和延迟等方面产生影响。
海杂波幅度模型及参数估计综述
海杂波幅度模型及参数估计综述欧林晖(中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥230088)应用科技随翻分析了在海杂渡背景下检测目标的特点，并针对不同类型的雷达回波，给出了几种常用的海杂波幅度统计模型及参数估计方法，为雷达滤波嚣的设计提供了理论参考。
鹾蓦枣河l海杂渡；幅度统计棒|生；参数估计1引言检测海面目标或海面背景下低空目标的雷达，必须克服海面本身回波的影响。
对岸基雷达、舰载雷达以及机载、球载等雷达，海面回波随雷达极化方式、工作频率、天线视角及海情、风向和风速等多个因素的变化而呈现明显的非平稳、非高斯特性，特别是和目标特性类似的所谓的“海尖峰”特性，在很多情况下，限制雷达检测能力。
为了能在海杂波背景下检测出慢速小目标，需要建立精确的描述海杂波分布特性的模型，同时要用观测数据对模型中的各个参数进行f舒十。
因此参数估计的准确程度将直接影响分布检验的结果，从而最终影响目标检测性能，所以参数估计和分布检验对于雷达f言号检测具有重要的意义。
2典型海杂渡分布模型及参数估计传统上，人们将海杂波作为一种纯随机过程来研究和处理，对海杂波的建模多采用随机分布模型，如瑞利分布《R ayl ei gh)、韦布尔分布(W ei bul l)、K分布、a稳态分布等。
对于低分辨率雷达，瑞利分布可以较好地描述杂波的幅度概率分布，此时在一个雷达距离分辨单元内存在大量散射单元而满足中，0极限定理假设。
对于高分辨率雷达，杂波幅度概率分布呈现如下两个特点：一是在高概率区域有—个较长的拖尾：二是有—个较大的标准偏差与平均值的比值。
因此可以用W ei bul l分布和K分布来解释和描述非瑞利杂波的概率分布。
对高分辨雷达在低视角工作时获得的海杂波回波包络模型的研究表明，用K分布不仅可以在很宽的范围内很好地与观测的杂波数据的幅度分布相匹配，而且还可以正确地模拟杂波回波的脉问相关特性。
2l瑞利分布∞yl ei甜溉其参数估计当一个杂波单元内含有大量相互独立的散射体时，雷达杂波包络服从瑞利分布，瑞利分布适用于描、述1氏分辨力雷达大俯视角时平稳环境的海杂波。
7.1.1海洋环境噪声 - 海洋环境噪声
第7章 水下噪声第一节 海洋环境噪声7.1 噪声的基本概念1、噪声的描述噪声是一个随机过程，描述噪声的统计量有：噪声的概率密度函数：()()11110p 1p p p p p P limt ,p 1∆∆Φ∆+<<=→噪声的概率分布函数：()()⎰+=+<<111p p p 1111dpt ,p t ,p p p p P ∆Φ∆平稳随机过程：()()τΦΦ+=t ,p t ,p 11结论：平稳随机过程的概率密度函数与时间无关一般水中噪声被视为平稳随机过程，若噪声的声压概率密度函数表示为：()()222p e 21p σμπσΦ--=为高斯分布，相应的噪声称为高斯噪声。
其均值和方差：()()()()⎰⎰∞∞-∞∞--=-===dp p p p pdpp p 222ΦμμσΦμ常识：一般将干扰视为高斯噪声。
一般，表征噪声统计特性的统计量：概率密度函数、数学期望、方差、相关函数、功率谱。
由随机过程理论可知，噪声自相关函数的傅立叶变换即为功率谱密度函数：()()()()()⎰⎰∞∞---∞→=-⋅=ττωττωτd e R S dt t p t p T 21limR j TT T 若噪声的功率谱是均匀，则称之为白噪声。
噪声声压有效值e p ：等于介质阻抗为单位值时平均声强I 的平方根。
如果假设噪声的平均值为零，介质阻抗为单位值，则它的方差便等于平均声强：⎰∞∞-==dp)p (p I 22Φσ或时间平均表示：⎰-∞→==2/T 2/T 2T 2dt)t (p T 1limI σ噪声声压有效值：⎰-∞→==2/T 2/T 2T e dt )t (p T1I p lim 2、噪声的频谱分析噪声声压是一个随机量，与时间量之间不存在确定关系，因此分析噪声声压幅值的频谱没有意义；而随机过程的功率谱函数是一个确定的统计量，反映了该过程的各频率分量的平均强度。
根据信号频谱曲线形状划分：（1）线谱：数学上能够用傅氏级数来表示，水声中周期、准周期信号频谱就是线谱信号；（2）连续谱：频谱分析用傅氏变换来表示，水声中瞬态非周期信号频谱就是连续谱。
基于双尺度建模的海杂波分析
ｈ ｓ ｂ ｃ ｍ ｅ ｔ ｅ ｈ ｔｓ ｏ ｒ ｄ ａ ｌ ．Ｔｈ ｓ ｖ ｓ ｉ ｄ ｆ ｅ ｅ ｔ ｏ ｅ ｅ ｔ ｏ ｇ ｅ ｉ ｖ ｓ ｔ Ｓ ａ ｖ ｒ ｏ ｌｘ ａ ｅ ｏ ｈ ｏ ｐ ｔｇ ａ ｕ ｌ ｙ ｅ ｅ ｗａ ｅ ｓ ｉ ｒ ｎ ｌ ｃ ｒ ｍａ ｎ ｔｃ ｗａ ｅ ．Ｉ ’ ｅ ｙ ｃ ｍｐ ｅ ｆ ｔ ｑ ｅｔ ｎ ｕ ｓ ｉ ．Ｈｏ ｃ ｎ ｆ ｄ ｔ ｅ ｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ａ ｎ ｈ ｅ ｔ ｒ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ，ｔ ｅ ｓ ａ ｌ ｖ ｌｒ ｕ ｈ ｄ ｇ ｅ ｎ ｏ ｗ ａ ｉ ｈ ｏ ｎ ｃ ｉ ｍｏ ｇ ｔ ｅ ｓ ａ ｗａ ｅ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｈ ｅ ｅ ｅ ｏ ｇ ｅ ｒ ｅ ａ ｄ ｎ ｏ
ｓ ａ ｅ ｅ ｄｉｅ ｔｏ ｅ ｓ ｉ ｉｙ， ｉ ｔ ｋｅ ｐｏ ｎｔ ｆ ｈ ｓ ａ ｐｅ ｔ ｕｍ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｌ ｖ ｌ ｒ ｃ ｉ ｎ ｍｉｓｖ ｔ ｓ ｈｅ ｙ ｉ ｏ ｔ ｅ ｅ ｓ ｃ ｒ ｅ ｅ ｒ ｈ． Ｔｈ ｐ ｐ ｒ ｔｌｚ ｔ ｅ ａ ｅ ｕ ｉｉｅ ｗｏ— ｄ ｍｅ ｉ ｎ ｍ ｏ ｌｎｇ ｔ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｏ ｅ ｕ ｆ ｃ ｎｆａ ｅ ｈａ ａ ｔ ｒｓ ｉ ｉ ｎｓｏ ｄｅｉ ｏ ｄｏ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｂ ｕｔ ｓ ａ ｓ ｒ ａ ｅ ｉ ｒ ｒ ｄ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ，ｗｈｉｈ ｕ ｅ ｈ ｒｍａ ｙ ｃ ｎｄ ｒ ｔ ｅ ｐ ｉ ｒ
海洋环境噪声
– 研究海啸、冰情、鱼群
1、基础知识
• 海洋噪声分类
– 动力噪声——波浪、湍流、降雨、自然空化 – 冰下噪声——冰层的形成与运动 – 生物噪声——海栖动物 – 地震噪声——地壳运动、火山以及海啸 – 工业噪声——航运噪声、港湾等的水下作业
N12(0,d)8(Jk2(dk)2d)
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
对于单频或频带较窄的噪声，其相关特性曲线如下图。
3、海洋噪声空间相关函数 实验测量
O 600-800Hz · 200-400Hz m=2 4级
200-400Hz ---v=6-7m/s ——v=20m/s m=2
当风和浪达3-4级时，300-400Hz以上的频率， 上述模型与实验数据很一致。当风平浪静时，或在低
噪声的自相关函数。
5、均匀各向同性噪声的空间 相关函数
因此，时空相关函数
B12(,d)SBu(12)d R2S
又
dSR2sindd
所以
B 1(2,d ) 0 2 0 B u( 1)2 s id n d
5、均匀各向同性噪声的空间 相关函数
b. m=2时
N12 (0,d) 1[2k( )d2 (k2 )d]4coks)d(4[k( )d2(k 6)d ]3sin k)d ((k2)d4 4
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
讨论单频或窄带噪声： 2）水平方向噪声场的空间相关系数 a. m=1时
N 1(2 0 ,d)0 /20 2 co k2 sd i[0 /n c 2co o 2 s ts1 (a )d d ] n co 2tsad n
5、均匀各向同性噪声的空间 相关函数
现代雷达系统分析与设计 陈伯孝
图6.7 地基雷达杂波几何图(侧视图和下视图)
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由图6.7可以导出如下关系：
32
(6.2.12) (6.2.13) (6.2.14)
其中，ΔR是雷达距离分辨率，斜距R在地面的投影为
(6.2.15) 因此，主瓣和旁瓣对应的杂波区的面积为
(6.2.16)
(6.2.17)
33
假设雷达天线波束方向图函数G(θ)为高斯型，即
function ［sigmaC，CNR］＝clutter_rcs(sigma0，thetaE， thetaA，SL，range，hr，ht，pt，f0，b，t0，F，L，ant_id)其 中，各参数定义如表6.1所述。
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表6.1 clutter_rcs.m参数定义
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使用表6.1中参数设置，可以得到图6.8所示的杂波RCS和 CNR与斜距的关系图。注意，在对应于主瓣与第一旁瓣间零 点的擦地角，在非常近的距离会在杂波RCS上产生凹陷(dip)。
(6.2.9) 将式(6.2.9)除以式(6.2.8)就可以得到该距离单元的信杂 比为
(6.2.10)
26
［例6-1］ 考虑如图6.4所示的机载雷达。假设天线3 dB波 束宽度为0.02 rad，脉冲宽度为2 μs，目标距离为20 km，斜 视角为20°，目标RCS为1 m2，并且假设杂波反射系数σ0＝ 0.0136m2m2。计算信杂比SCR。
5
(2)通过调整雷达天线的波束形式、降低雷达的分辨单元 大小，从而减小杂波的功率；
(3)在时域采用CFAR检测、杂波图来抑制杂波； (4)在频域应用MTI、MTD技术，抑制杂波的功率，提高 信杂比； (5)地面雷达在低重频工作时，在接收机内采用STC抑制 近程杂波(但是中、高重频时不能采用)。
海洋环境噪声
若声纳系统的工作带宽为100Hz，则总噪声级
N L N0 L 1l0 o fg93 dB
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
假设表面噪声源具有如下的指向性 G2()I0co2m s
z r dS
I 0 为 0的噪声强度。
2
b. 又： 0ck osd sic [ no s 1 )d ( ] 2J 0 (ksd i)n
c.
所以： N12(0,d)2J1k(kdd)
2、海洋表面噪声的空间相关函 数
讨论单频或窄带噪声： 2）水平方向噪声场的空间相关系数 b. m=2时
N 1(2 0 ,d)0 /20 2 co k2 sd i[0 /n c 2co o 4 s ts1 (a )d d ] n co 4tsad n
——球面处噪声源自身的时空相关函数
5、均匀各向同性噪声的空间 相关函数
因此，时空相关函数
B 1(2,d)SBs(1,2r1,r2)d R 11S d R22S
假定球面上的源是不相关的，即
B s ( 1 ,r 1 2 ,r 2 ) B u ( 1 )2 ( r 1 r 2 )
Bu(12) ：与源坐标无关的面元噪声源辐射
– 谱级： 10logSi /I0 或 10loSg(f)/I0 ——单位Hz带宽内的声强级。
1、基础知识
• 噪声的频谱分析
– 海洋环境噪声级 N L1l0oIN g/I0
假设水听器工作带宽内噪声谱为 S(f ) 、且其响应 是均匀的，则有：
因此有
IN Sf
N 1 Ll0 o fg 1l0 o S/g I0
假定海面上的源是不相关的，即
大入射余角下海杂波仿真及其时空相关性分析
动速度 何关系图
图 ３ 海面散射单元
为获得时域海杂波信号 ， 将照 射区域 分成若 干个 三角 形 反 射 面 ， 然后计算各三角 在主波束照射区域内 ，
自然科学版 ） ５卷 西安电子科技大学学报 （ 第 ３ ６ ０ ２
（ 西安电子科技大学 雷达信号处理重点实验室 ， 陕西 西安 ７ ） １ ０ ０ ７ １ 摘要 ： 基于 Ｎ 分析了海杂波信 ｅ ｕ ｍ ａ ｎ ｎ Ｐ ｉ ｅ ｒ ｓ ｏ ｎ 海表面模型产生了大 入 射 余 角 下 的 高 分 辨 海 杂 波 信 号 ， 号的幅度分布与平均多普勒特性 ， 推导了海杂波信号的时空自相关函数并分析了其时 空 相 关 性 ． 仿真结
２ ２ ２ ）＝ （ （ （） 狉） （） 狉） （） 狉） 狉（ 狋 狓 狕 ） ， ＋（ ＋（ 狔 犽 狋 －狓 犽 狋 －狔 犽 狋 －狕 ／ １ ２
图 １ 海平面模拟图
（ ） ３
２ 其中 狓 ／ａ ，狉 ＝犺－狏 ／ ｎ 狋ｃ ｏ ｓ 狋ｃ ｏ ｓ 狋 ２， 犺 为雷达照射高度 ， 狏 为雷达运 θ－狏 θ， θ－犵 θ 为入射余角 ， 狔 狉 ＝犺 ｔ 狉 ＝ ０狕
２ 到不同时刻的海杂波信号 ． 笔者分析了海杂波信号的幅度分布 ， 并用 χ 分布拟合 ． 研究了海杂波的平 均多 普
勒特性 ， 推导海杂波信号的时空相关函数 ， 分析其时空相关性 ．
１ 海表面模拟
海平面的散射是发射和接收天线波束照射到海面的覆盖区共同作用的结果 ． 对于单基地雷达而言 ， 这两 个覆盖区覆盖相同的区域 ， 并取决于距离分辨率 、 波束 宽 度 、 距离 和入射 余角 ． 若覆 盖 区 是 矩 形 区 域 （ 即在半 而在该点外的幅度迅速降为零 ） ， 雷达天线半功率波束宽度为 φ， 距离分辨 率为 Δ 入 功率点内的幅度恒定 ， 犚，