基于雷达海杂波的区域性非均匀蒸发波导反演方法

由于不同海域上空气象条件的不同, 海上蒸发波导在大尺度海面上空发生时通常是区域性非均匀的, 这一特性使得该环境中的电波传播特性相对于水平均匀的蒸发波导环境情况而明显不同, 因此, 进行区域性非均匀的蒸发波导探测反演对正确预测电波传播特性及提高雷达系统的工作性能具有重要的意义. 考虑到实际应用中蒸发波导信息获取手段的多样性, 将中尺度数值气象模式MM5预报的区域性蒸发波导修正折射率剖面作为先验信息, 提出了一种含该先验信息的区域性非均匀蒸发波导的雷达海杂波后验概率估计模型. 该模型使用主分量分析法对蒸发波导的水平非均匀性进行参数化建模, 然后通过贝叶斯理论将修正折射率剖面参数的先验概率分布、后验概率分布和似然函数联系起来, 利用雷达海杂波实现蒸发波导剖面参数的最大后验概率估计反演. 通过我国东海海域的实际区域性非均匀蒸发波导反演测试, 表明该模型能够以更高的精度实现区域性非均匀蒸发波导的反演.     

海杂波的分段分数布朗运动模型

主要研究了分段分数布朗运动(PFBM)模型在雷达海杂波分形建模中的应用.由于自然界和人造系统中研究对象不具有数学上完美的分形特性, 从而研究对象的分形特性无法在整个尺度区间上成立, 传统上, 海杂波的单一分形模型仅利用无标度区间内海杂波的自相似信息进行参数估计, 并没有考虑海杂波在无标度区间以外的尺度下所包含的信息.分段分数布朗运动从频域角度对海杂波频谱进行分段描述, 对应到时域即从粗略尺度和精细尺度两方面描述海杂波时间序列.结合海杂波产生的物理背景, 该模型可以为海杂波时间序列在粗略尺度和精细尺度下表现出的不同粗糙度提供机理性解释.在此基础上, 还研究了具有不同多普勒频率的运动目标对海杂波的影响, 结果表明运动目标对粗略尺度和精细尺度下海杂波的影响程度是不同的.     

海杂波背景下的目标检测新方法

提出了一种基于分形布朗运动模型的S波段雷达海杂波分形维数提取方法.分析了基于记忆库混沌时间序列预测方法，引入一种改进核函数的支持向量机分类器.在此基础上，提出了一种新的海杂波背景下目标检测方法.应用S波段雷达实测海杂波数据，计算得到了该信号的分形维数与Lyapunov指数，验证了S波段雷达海杂波的混沌分形特性.仿真实验结果验证了该方法具有较强的检测能力和抗杂波性能. 关键词： 分形布朗运动 分形维数 记忆库预测方法 支持向量机分类器     

基于粒子群支持向量机的海杂波序列回归预测

在雷达数据处理中,为更好地抑制海杂波,预测海杂波是必要的;海杂波具有混沌特性,而支持向量机算法能够有效地对混沌序列进行回归预测,文章提出了一种改进的支持向量机海杂波序列回归预测算法;文中给出了算法的框架结构,采用了互信息法和改进的伪邻近点法提取海杂波混沌特性的延迟时间和嵌入维数,利用相空间重构求取SVM训练样本,应用改进的PSO算法优化SVM的核函数参数以及惩罚系数,并仿真了预测模型;仿真实验结果表明:海杂波回归预测能达到满意的精度,而PSO-SVM方法比SVM方法的预测精度更高。     

基于小波leaders的海杂波时变奇异谱分布分析

海杂波的奇异谱分析不仅能从理论上揭示海洋表面的动力学机理,同时也是对海探测雷达的关键技术之一.本文提出基于小波leaders的海杂波时变奇异谱分析方法,将时间信息引入海杂波的奇异谱分析之中,从而实现动态的解析描述海杂波随时间变化的奇异谱特性.在理论上,通过信号自身加窗,将时间信息引入传统的奇异谱(或称多重分形谱),实现了对海杂波时变奇异谱分布分析;在算法上,充分利用了小波leaders技术对于多种奇异性的提取能力(包括chirp奇异性和cusp奇异性),通过对时变奇异性指数和时变尺度函数的Legendre变换,实现对海杂波时变奇异谱分布的计算;在应用部分,采用经典的多重分形模型——随机小波序列(RWC)以及三级海态条件下连续波多普勒体制雷达海杂波进行仿真分析,实验结果表明:1)基于小波leaders的奇异谱分布能跟踪海杂波的时变尺度特性,有效展示其时变奇异性谱分布;2)算法具有较好的负矩特性和统计收敛性.该方法能为复杂非线性系统及随机多重分形信号分析提供参考.     

扩展卡尔曼滤波和不敏卡尔曼滤波在实时雷达回波反演大气波导中的应用

为了改善雷达回波反演大气波导(RFC)方面存在的单时次、单方位角反演的问题,提出利用扩展卡尔曼滤波和不敏卡尔曼滤波的反演算法对大气波导结构的多方位角实时跟踪反演. 在卡尔曼滤波方法中分别给出大气波导结构的参数化方程、观测方程、滤波算法的状态转移方程,最后导出滤波反演算法的迭代求解流程. 在大气波导结构不随时间变化和随时间变化的两种条件下,对扩展卡尔曼滤波和不敏卡尔曼滤波算法进行数值实验. 实验结果表明,不敏卡尔曼滤波更适用于RFC这高度非线性反演问题,它可能今后为大气波导结构多方位角实时跟踪反演的业务化运行提供理论基础与技术保证. 关键词： 大气波导 雷达回波 扩展卡尔曼滤波 不敏卡尔曼滤波     

海洋波导中刚性球及旋转椭球前向散射场时频特征的畸变

利用波导中目标声散射理论的简正波方法,数值模拟了自由空间和浅海均匀波导中刚性球、旋转椭球的散射场,分析了波导中刚性体前向散射时频特征的畸变规律。仿真结果表明:波导中刚性体的前向散射时域波形与频谱特征受波导制约;目标散射场的固有特征受波导色散特征的调制,时频谱上呈现出由于色散的简正波间的耦合而导致各简正波能量条纹界限模糊的现象。时频特征的畸变程度与组成散射共振系统的波导、目标的尺度以及散射体布放深度有关,随波导底质透声能力和深度增加、散射体散射强度(信混比)增强而减弱。      

浅海随机相位起伏声场中速度估计的互谱分析方法

浅海条件下,目标运动速度是基于波导不变量声源被动定位的关键因素,利用浅海波导环境下的声场简正波理论,研究了浅海随机相位起伏的波束域声场互相关信号的特点,并通过声速剖面的二阶统计量对随机相位扰动进行了有效的补偿,提出利用波束域声场互相关信号进行谱分析的速度估计方法,仿真实验表明了该方法的有效性。利用2013年7月海试实验数据,该方法准确的估计出了目标的速度,并与GPS实测速度对比,速度估计的相对误差在10%以内。     

基于不同散射机制特征的海杂波时变多普勒谱模型

海杂波的多普勒谱建模对采用多普勒处理技术的雷达进行有效的海杂波抑制和目标检测具有重要的意义.本文分别考虑Bragg,白冠和破碎波三种散射机制对应的多普勒谱分量的特征,对三种谱分量的频移和展宽进行分离,并引入附加速度频移量,提出了基于不同散射机制特征的雷达海杂波时变多普勒谱模型.该模型假设谱强度为受观测时间区间影响的随机变量,能够同时适用于平均多普勒谱与短时多普勒谱建模.通过分别对黄海海域实测的岸基P,S波段海杂波平均多普勒谱与短时多普勒谱建模测试,结果表明该模型相对传统模型的建模精度更高,尤其体现在短时谱的观测时间较长和平均谱形式较为复杂的情况下,建模误差显著减小.     

基于二维IFS-CFAR算法的海杂波微弱目标检测

一直以来,统计与分形理论是分别应用在目标检测中的;CFAR检测方法采用自适应门限代替固定门限,能根据被检测点的背景噪声、杂波和干扰的大小自适应地调整;文章首先介绍了CFAR恒虚警目标检测方法,给出2D-IFS二维迭代函数系统)预测误差算法;其次运用2D-IFS方法计算了雷达回波的预测误差,结合CA-CFAR统计学目标检测提出一种新的海杂波微弱目标检测方法;最后采用实测海杂波数据进行验证,仿真结果表明文章所提方法对低目标回波信杂比具有良好的检测能力。     

Estimation of sea clutter inherent Doppler spectrum from shipborne S-band radar sea echo

Measurement of shipborne radar sea echo is instrumental in collecting the sea clutter data in open sea areas. However,the ship movement would introduce an extra Doppler component into the spectrum of the sea clutter, so the sea clutter inherent spectrum must be estimated prior to investigating the sea clutter Doppler characteristics from the shipborne radar sea echo. In this paper we show some results about a shipborne sea clutter measurement experiment that was conducted in the South China Sea in a period between 2017 and 2018; abundant clutter data have been collected by using a shipborne S-band clutter measurement radar. To obtain the sea clutter inherent Doppler spectrum from these data, an estimation method, based on the mapping relationship between the shipborne clutter spectrum and the inherent clutter spectrum, is proposed. This method is validated by shipborne clutter data sets under the same measuring conditions except for the ship speed. Using this method, the characteristics of the Doppler spectrum lineshapes in the South China Sea are calculated and analyzed according to different sea states, wave directions, and radar resolutions, which can be instrumental in designing the radar target detection algorithms.     

Detection of Target Embedded in Sea Clutter by Means of Millimeter Wave Radar

Sea clutter was measured using a millimeter wave radar with a frequency of 34.86GHz and pulse length of 30ns. A car carrier ship target was embedded in sea clutter. It has been discovered that target pulse-to-pulse fluctuations obey a Weibull distribution and sea clutter obey a Rayleigh distribution. We obtained target to clutter ratio improvement of 23.8dB by applying the cell average LOG/CFAR techniques. The computer simulation has been made to evaluate the detection probability and the false alarm probability. The simulation result was in good agreement with the observed data.     

基于抛物方程的海陆环境信号时延与到达角估计

针对复杂海陆环境中的无线信号传播预测问题,研究了适用于抛物方程的信号时延与到达角估计方法。将自由空间中抛物方程轴向波前信号视为本地副本信号,然后利用信号的自相关特性,将接收信号与副本信号进行互相关运算,最后通过相关函数的峰值检索,得到脉冲信号在复杂环境中传播的附加时延。采用数值算例,验证了该方法的正确性和有效性。此外,采用多重信号分类算法,由抛物方程构建接收阵列的协方差矩阵,并对其进行特征值分解,然后利用信号子空间和噪声子空间的正交性,实现复杂环境中的信号到达角估计。仿真结果表明,相比于传统的平面波谱方法,该方法具有更高的多径分辨率。基于上述方法,并结合数字地图,在典型的海陆环境中进行了仿真实验,分析了蒸发波导对脉冲信号传播时延和到达角的影响。     

Remote sensing of atmospheric duct parameters using simulated annealing

Simulated annealing is one of the robust optimization schemes. Simulated annealing mimics the annealing process of the slow cooling of a heated metal to reach a stable minimum energy state. In this paper, we adopt simulated annealing to study the problem of the remote sensing of atmospheric duct parameters for two different geometries of propagation measurement. One is from a single emitter to an array of radio receivers (vertical measurements), and the other is from the radar clutter returns (horizontal measurements). Basic principles of simulated annealing and its applications to refractivity estimation are introduced. The performance of this method is validated using numerical experiments and field measurements collected at the East China Sea. The retrieved results demonstrate the feasibility of simulated annealing for near real-time atmospheric refractivity estimation. For comparison, the retrievals of the genetic algorithm are also presented. The comparisons indicate that the convergence speed of simulated annealing is faster than that of the genetic algorithm, while the anti-noise ability of the genetic algorithm is better than that of simulated annealing.     

The estimation of lower refractivity uncertainty from radar sea clutter using the Bayesian-MCMC method

The estimation of lower atmospheric refractivity from radar sea clutter(RFC) is a complicated nonlinear optimization problem.This paper deals with the RFC problem in a Bayesian framework.It uses the unbiased Markov Chain Monte Carlo(MCMC) sampling technique,which can provide accurate posterior probability distributions of the estimated refractivity parameters by using an electromagnetic split-step fast Fourier transform terrain parabolic equation propagation model within a Bayesian inversion framework.In contrast to the global optimization algorithm,the Bayesian-MCMC can obtain not only the approximate solutions,but also the probability distributions of the solutions,that is,uncertainty analyses of solutions.The Bayesian-MCMC algorithm is implemented on the simulation radar sea-clutter data and the real radar seaclutter data.Reference data are assumed to be simulation data and refractivity profiles are obtained using a helicopter.The inversion algorithm is assessed(i) by comparing the estimated refractivity profiles from the assumed simulation and the helicopter sounding data;(ii) the one-dimensional(1D) and two-dimensional(2D) posterior probability distribution of solutions.