专利名称：基于距离-多普勒谱的电离层杂波区域识别方法
技术领域：
本发明涉及一种电离层杂波区域识别方法。
背景技术：
当高频雷达发射信号或目标回波信号中部分能量没有沿海面传播，而是“泄漏”到 电离层，并由电离层反射后通过不同路径反射回雷达接收机，现有的高频雷达发射信号的 传播路径有四种，如图1-图4所示，其中图1所示是天地路径的信号传播路线示意图，图 2所示是天海地路径的信号传播路线示意图，图3所示是海天地路径的信号传播路线示意 图，图4所示是天海天地路径的信号传播路线示意图，从而形成电离层杂波。电离层杂波几 乎可以影响到IOOkm距离外雷达探测范围内的所有区域的RD谱。实际观测发现，无论从强 度还是影响范围来讲，电离层杂波都是影响高频雷达检测性能的主要背景杂波。以往的研 究中，主要利用电离层的方向特性、空-时特性、极化特性、或利用辅助天线对电离层干扰 进行抑制处理。以空时自适应处理(STAP)方法为例，在处理过程中一般先通过对多次扫描 得到的(杂波)数据进行训练从而得到电离层杂波的统计信息，然后利用该信息对当前数 据中的杂波进行对消。但实际处理过程中，即使杂波具有一定方向性，也很难事先预估杂波 方位，因此对消过程往往是对全方向数据进行处理。显然，对于含有杂波的区域进行处理， 可以得到较理想的结果，但对没有被污染的(距离或Doppler)区域进行上述处理就难免将 目标也当作杂波对消掉。其次，训练数据中若包括目标等其它异质杂波也会影响训练学习 的效果。此外，已有的抑制电离层杂波的方法还不能完全抑制电离层杂波对检测的干扰，经 过处理的RD谱中依然存在电离层杂波成分。因此迫切需要研究基于RD谱的电离层杂波识 别方法，一方面协助对消方法自动寻找杂波区域以避免对目标的误处理，另一方面，也可以 用于对雷达性能的评估，从而协助选频或对雷达进行智能评价和管理。通过大量观测发现，对高频地波雷达(HFSWR)产生主要影响的电离层杂波主要来 自于E层和F层。其中，与E层相关的电离层反射可以分为E层镜面反射杂波、E层多次反 射杂波、突发&层反射杂波、扩展E层杂波。与F层相关的电离层反射可以分为F层镜面反 射杂波、F层多次反射杂波、扩展F层杂波。由于扩展E层、F层杂波(为方便叙述，以下简 称为扩展电离层杂波)在影响HFSWR工作的电离层杂波中覆盖范围最广、出现频率较高，对 HFSffR性能威胁也最大，但是对这两类电离层杂波的检测识别仍然是个无法解决的问题。发明目的本发明是为了传统方法在抑制电离层杂波时不能有效确定杂波的方向性以及无 法识别杂波区域的问题，从而提供一种基于距离-多普勒谱的电离层杂波区域识别方法。基于距离-多普勒谱的电离层杂波区域识别方法，它由以下步骤实现步骤一、采用Otsu法对高频雷达的RD谱分割为强散射区、中等散射区、弱散射区 和参考噪声区四个区域；所述强散射区中包括一阶海杂波、电离层杂波和船目标及地物杂 波；步骤二、采用一阶海杂波剔除模块剔除步骤一中所述的强散射区中的一阶海杂波；然后再采用采样占有率检测模块进一步剔除步骤一中所述的强散射区中的海杂波和船 目标及地物杂波；步骤三、采用卷积模板检测模块对步骤二中所述剔除一阶海杂波和船目标及地物 杂波后的强散射区进行检测，获得电离层杂波区域的识别结果并输出。步骤一中所述采用Otsu法对高频雷达的RD谱分割为强散射区、中等散射区、弱散 射区和参考噪声区四个区域，其方法是步骤A、通过最大化类间方差法选取门限x〖，并采用所述门限x〖将高频雷达的RD谱 分割成C1区域和Ctl区域两部分，即
「 ^[C1 Jf y> Xk*
IQ Jf y< xks = \ J , 1式中y是高频雷达的RD谱中采样单元的对数幅度；s是高频雷达的RD谱中单元 的分割标识，使用0或1表达，这里将第一次分割使用的门限xl称为Th1 ；步骤B、使用步骤A中的方法，将已分割的C1区域用门限Th2进行二次分割，获得 C11区域和C10区域；步骤C、使用步骤A中的方法，将已分割的Ctl区域用门限Th3进行二次分割，获得 C01区域和Ccitl区域;步骤D、根据幅度由大到小，将步骤B获得的C11区域和Cltl区域和步骤C获得的Ctll 区域和Ctltl区域依次定义为强散射区、中等散射区、弱散射区和参考噪声区；所述门限Th2 和门限Tti3均通过最大化类间方差法选取。步骤二中所述采用一阶海杂波剔除模块剔除步骤一中所述的强散射区中的一阶 海杂波，其方法是首先采用多尺度滤波的方法对高频雷达的RD谱进行平滑预处理，然后采用脊检 测的方法对平滑预处理后的高频雷达的RD谱进行一阶海杂波检测；然后对处理结果采用 图像形态学中的腐蚀方法进行滤波；最后结合谱特征准则、对称准则、连续平滑准则和SNR 准则综合确定一阶海杂波的位置。步骤三中所述采用采样占有率检测模块进一步剔除步骤一中所述的强散射区中 的海杂波和船目标及地物杂波，其方法是首先计算高频雷达的RD谱中强散射类的采样占有率srP4
I Nvsr￥A =——δ (v.)
Nv i=\式中NV是一个距离单元内Doppler单元总数；δ ( □)是采样属于强散射区的标 识；
= k其它式中，Seg(Vi) e {1，2，3，4}，i = 1，2，...，NV;根据电离层杂波分布特征，设定门限I\P4，当强散射类的采样占有率srP4小于门限Thdp4时，将该距离单元定义为非扩展电离 层杂波区域，从而实现剔除步骤一中所述的强散射区中的海杂波和船目标及地物杂波。有益效果本发明提供了一种行之有效的高频地波超视距雷达回波谱中电离层杂 波识别方法，该方法可以完成对RD谱中的扩展E层、F层电离层杂波的自动提取和识别，并 能够准确的获得方位、强度、影响范围信息，极大的减低了目标误处理的可能性。
图1是背景技术中所述天地路径的信号传播路线示意图， 图2是背景技术中所述天海地路径的信号传播路线示意图，
图3是背景技术中所述海天地路径的信号传播路线示意图， 图4是背景技术中所述天海天地路径的信号传播路线示意图； 图5是本发明方法的流程示意图6是具体实施方式
一中对高频雷达的RD谱进行区域分割的原理示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图5和图6说明本具体实施方式
，基于距离-多普勒谱的电 离层杂波区域识别方法，它由以下步骤实现步骤一、采用Otsu法对高频雷达的RD谱分割为强散射区、中等散射区、弱散射区 和参考噪声区四个区域；所述强散射区中包括一阶海杂波、电离层杂波和船目标及地物杂 波；步骤二、采用一阶海杂波剔除模块剔除步骤一中所述的强散射区中的一阶海杂 波；然后再采用采样占有率检测模块进一步剔除步骤一中所述的强散射区中的海杂波和船 目标及地物杂波；步骤三、采用卷积模板检测模块对步骤二中所述剔除一阶海杂波和船目标及地物 杂波后的强散射区进行检测，获得电离层杂波区域的识别结果并输出。步骤一中所述采用Otsu法对高频雷达的RD谱分割为强散射区、中等散射区、弱散 射区和参考噪声区四个区域，其方法是步骤Α、通过最大化类间方差法选取门限<，并采用所述门限X=将高频雷达的RD谱 分割成C1区域和Ctl区域两部分，即式中y是高频雷达的RD谱中采样单元的对数幅度；s是高频雷达的RD谱中单元 的分割标识，使用0或ι表达，这里将第一次分割使用的门限x〖称为Th1 ；步骤B、使用步骤A中的方法，将已分割的C1区域用门限Tti2进行二次分割，获得 C11区域和C10区域；步骤C、使用步骤A中的方法，将已分割的Ctl区域用门限Th3进行二次分割，获得
C1 Jf y> Xk C0 Jf y<x: ^Jfy ^cl OJfyGC0C01区域和Ccitl区域;步骤D、根据幅度由大到小，将步骤B获得的C11区域和Cltl区域和步骤C获得的Ctll 区域和Ctltl区域依次定义为强散射区、中等散射区、弱散射区和参考噪声区；所述门限Th2 和门限Tti3均通过最大化类间方差法选取。步骤二中所述采用一阶海杂波剔除模块剔除步骤一中所述的强散射区中的一阶 海杂波，其方法是首先采用多尺度滤波的方法对高频雷达的RD谱进行平滑预处理，然后采用脊检 测的方法对平滑预处理后的高频雷达的RD谱进行一阶海杂波检测；然后对处理结果采用 图像形态学中的腐蚀方法进行滤波；最后结合谱特征准则、对称准则、连续平滑准则和SNR 准则综合确定一阶海杂波的位置。步骤三中所述采用采样占有率检测模块进一步剔除步骤一中所述的强散射区中 的海杂波和船目标及地物杂波，其方法是首先计算高频雷达的RD谱中强散射类的采样占有率srP4
权利要求
1.基于距离-多普勒谱的电离层杂波区域识别方法，其特征是它由以下步骤实现步骤一、采用Otsu法对高频雷达的RD谱分割为强散射区、中等散射区、弱散射区和参考噪声区四个区域；所述强散射区中包括一阶海杂波、电离层杂波和船目标及地物杂波；步骤二、采用一阶海杂波剔除模块剔除步骤一中所述的强散射区中的一阶海杂波；然 后再采用采样占有率检测模块进一步剔除步骤一中所述的强散射区中的海杂波和船目标 及地物杂波；步骤三、采用卷积模板检测模块对步骤二中所述剔除一阶海杂波和船目标及地物杂波 后的强散射区进行检测，获得电离层杂波区域的识别结果并输出。
2.根据权利要求1所述的基于距离-多普勒谱的电离层杂波区域识别方法，其特征在 于步骤一中所述采用Otsu法对高频雷达的RD谱分割为强散射区、中等散射区、弱散射区和 参考噪声区四个区域，其方法是步骤A、通过最大化类间方差法选取门限‘，并采用所述门限^将高频雷达的RD谱分割 成(^区域和Ctl区域两部分，即 Ici Jf y>x*k IQ Jf y< xk [IJfyGClS = <j[OJfyGC0式中y是高频雷达的RD谱中采样单元的对数幅度；s是高频雷达的RD谱中单元的分 割标识，使用0或1表达，这里将第一次分割使用的门限x〖称为Th1 ；步骤B、使用步骤A中的方法，将已分割的C1区域用门限Ttl2进行二次分割，获得C11区 域和C10区域；步骤C、使用步骤A中的方法，将已分割的Ctl区域用门限进行二次分割，获得Ctll区 域和Ccitl区域；步骤D、根据幅度由大到小，将步骤B获得的C11区域和Cltl区域和步骤C获得的Ctll区 域和Ctltl区域依次定义为强散射区、中等散射区、弱散射区和参考噪声区；所述门限1 和 门限均通过最大化类间方差法选取。
3.根据权利要求1所述的基于距离-多普勒谱的电离层杂波区域识别方法，其特征在 于步骤二中所述采用一阶海杂波剔除模块剔除步骤一中所述的强散射区中的一阶海杂波， 其方法是首先采用多尺度滤波的方法对高频雷达的RD谱进行平滑预处理，然后采用脊检测的 方法对平滑预处理后的高频雷达的RD谱进行一阶海杂波检测；然后对处理结果采用图像 形态学中的腐蚀方法进行滤波；最后结合谱特征准则、对称准则、连续平滑准则和SNR准则 综合确定一阶海杂波的位置。
4.根据权利要求1所述的基于距离-多普勒谱的电离层杂波区域识别方法，其特征在 于步骤三中所述采用采样占有率检测模块进一步剔除步骤一中所述的强散射区中的海杂 波和船目标及地物杂波，其方法是首先计算高频雷达的RD谱中强散射类的采样占有率srp4 #p4=丄穸 Nvtt式中NV是一个距离单元内Doppler单元总数；δ ( □)是采样属于强散射区的标识；^ifseg ㈨=4= k其它式中，Seg(Vi) e {1，2，3，4}，i = 1，2，...，Nv;根据电离层杂波分布特征，设定门限 Thdp4,当强散射类的采样占有率srP4小于门限Thdp4时，将该距离单元定义为非扩展电离层 杂波区域，从而实现剔除步骤一中所述的强散射区中的海杂波和船目标及地物杂波。
全文摘要
基于距离-多普勒谱的电离层杂波区域识别方法，涉及一种电离层杂波区域识别方法。它解决了传统方法在抑制电离层杂波时不能有效确定杂波的方向性以及无法识别杂波区域的问题。其方法采用Otsu法将高频雷达的距离-多普勒(Range-Doppler，RD)谱分割为强散射区、中等散射区、弱散射区和参考噪声区四个区域；采用一阶海杂波剔除模块剔除强散射区中的一阶海杂波；然后再采用采样占有率检测模块进一步剔除强散射区中的船目标及地物杂波；采用卷积模板检测模块对剔除一阶海杂波和船目标及地物杂波后的强散射区进行检测，获得电离层杂波区域的识别结果并输出。本发明适用于电离层杂波区域的识别。
文档编号G01S7/41GK102141610SQ20101060227
公开日2011年8月3日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者张宁, 李杨, 郝松 申请人:哈尔滨工业大学