一种岸基海杂波观测方法与流程

本发明属于雷达海杂波观测方法领域，特别涉及该领域中的一种基于岸基高分辨窄波束雷达的海杂波观测方法。

背景技术：

雷达系统在对海监视探测等工作中难免会受到来自海面的雷达回波的随机信号即海杂波的影响，为保障其在复杂海洋环境下发挥最佳性能，迫切需要研究对应体制下的海杂波变化特性。然而不同体制下的工作模式和雷达参数变化繁多，再加上海洋表面状态复杂多变，各种参数的变化会引起海浪特性变化，使得海杂波产生不同的统计特性。为了更全面准确地掌握海杂波特性变化特点，需要针对雷达体制特点，采取有效的观测手段，获取多种环境条件下真实、有效、充足的数据样本，进而分析海杂波统计特性随雷达参数和环境参数的变化趋势，反映不同参数下的真实海杂波特性。

在海杂波观测中，测试参数的合理优化配置非常重要，要综合考虑多方面因素。若是全部覆盖各种参数组合方式，一是耗时太长，海洋参数又随机多变会导致短期内同类参数下数据积累不足，二是测试组合过多，会模糊重点导致杂波特性对比分析时的盲目性，影响分析效率。

目前，部分国内外科研机构和院所公开了一些相关的海杂波测试，但一般不会给出实际观测过程中的参数配置细节，多是呈现最终测试分析结果和对应的参数。而由于雷达各自体制的特点，会分别面临一些实际问题需要解决，对于高分辨窄波束雷达，其单个波束中心下俯角覆盖的擦地角十分有限，在其他参数的多种组合的基础上，若角度再切换过于频繁则会成倍增加测试任务，因此需要合理设计观测角度。其次从海杂波特性的参数影响研究角度，为便于全面对比分析，设计的雷达可变参数可能较多，对于这样的观测系统，实际测试时，要综合考虑雷达架设的位置参数(架设高度、架设周边的地理环境、架设位置与海面的距离等)、基本雷达参数(脉冲宽度、脉冲重频、极化方式等)以及杂噪比等等，加之实用有效的参数配置方法，来合理设计观测方案，在一定观测周期内增加参数多样性，且尽量避免不同参数组合下的数据分布过于不均，从而为海杂波特性的参数影响细化分析提供数据基础。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是针对高分辨窄波束雷达，重点考虑海杂波特性分析中影响较大的参数，给出一种实用、高效的岸基海杂波观测方法。

本发明采用如下技术方案：

一种岸基海杂波观测方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，初选优先观测方位：

在雷达可选方位角范围内，计算各个方位角与实时浪向的夹角，结合逆浪、正侧浪、顺浪定义区间，分别选择最接近逆浪、正侧浪、顺浪的方位角，作为优先观测方位；

关于实时浪向的获取，在具备海浪信息采集设备的条件下同步采集获取实时浪向，当不具备该类设备时，在雷达可选方位角区间按照一定间隔进行不同方位角下的数据采集，通过求取每个方位角下的多普勒谱频移，对频移随方位角的变化曲线进行拟合，结合预报浪向，推断实时浪向；

步骤2，确定最大可观测的下俯角区间及对应脉宽：

根据经纬度信息和雷达海拔高度信息估算不同方位角下的陆海交界位置到雷达观测位置的距离，并预留一定的保护距离，计算对应的下俯角βi,βi>0，i＝1,2...n，n为步骤1的优先观测方位角个数，结合地理信息验证在下俯角范围(0,βi]内，各个优先观测方位是否存在地形遮挡，若有遮挡，在小范围内调整方位角然后重新计算，更新优先观测方位和βi值，然后再根据发射脉宽是否可选按以下步骤进一步确定最大可观测的下俯角区间：

步骤21，对于发射脉宽可选的情况，计算不同脉宽对应的雷达近距离盲区边界，得到各个脉宽下能测试的最近距离，计算对应的下俯角θk,k＝1,2...，在保证近3db点位于近距离盲区之外的前提下，结合雷达3db俯仰波束宽度φe，得到各个脉宽下的最大可设置下俯角θk'＝θk-φe/2，求取(0,βi]与(0,θk']区间的交集，同角度下优选较大脉宽，得到最大可观测下俯角区间及不同子区间对应的脉宽，同时由区间端点得到最大可观测下俯角区间；

步骤22，对于发射脉宽不可选的情况，计算当前脉宽对应的雷达近距离盲区边界，得到能测试的最近距离，计算对应的下俯角θ，结合雷达3db俯仰波束宽度φe，进而得到当前脉宽下的最大可设置下俯角θ'＝θ-φe/2，求取(0,βi]和(0,θ']的交集作为最大可观测下俯角区间，同时由区间端点得到最大可观测下俯角；

步骤3，分级不同海面状态进行参数配置：

将不同海面状态进行分级，粗略划分中低海情和高海情，或按照浪高细化划分量级，在各个量级下，分别确定最小可观测下俯角和可选脉冲重频，参数配置过程如下：

步骤31，确定最小可观测下俯角：以最小下俯角的俯仰波束中心回波强度满足一定杂噪比为原则，将步骤2得到的最大可观测下俯角作为起点，设置一定的步进间隔，依次递减至接近0°，然后计算各个下俯角时的俯仰波束中心的实际回波杂噪比，确定满足杂噪比要求的下俯角，得到当前海面状态量级下可设置的最小下俯角；

步骤32，确定可选脉冲重频：根据不同量级的回波强度选择脉冲重频，确保最大频移分量在[-prf/2,prf/2]区间，prf为脉冲重频，以雷达最接近逆浪和顺浪的实际回波数据进行估计，得到最大频移分量，反推可设置的脉冲重频，同时考虑占空比，根据脉宽*脉冲重频≤最大占空比，确定可选的脉冲重频范围,然后结合所需单组时间序列样本数确定测试时长和脉冲重频；

步骤4，测试任务分类规划及重点参数切换：

依据分析目的将测试任务进行分类，每个任务中切换重点要分析的参数，其他参数选择一个典型值固定，包括典型分辨率的连续下俯角变换测试和典型下俯角的不同参数对比测试，若受雷达功能所限，某项参数不具备可变性，可跳过该部分参数的切换设置；

以上两类测试任务的参数切换设置过程如下：

步骤41，典型分辨率的连续下俯角变换测试：固定分辨率参数，然后分别以步骤3得到的最小可观测下俯角和步骤2得到的最大可观测下俯角为区间两端，考虑天线的俯仰向波束方向图有效补偿区域，设计俯仰向波束中心步进间隔，然后在步骤1的优先观测方位中选择一个能覆盖更大下俯角区间的值，在该方位角下依序转动天线进行不同下俯角的测试，若具备不同极化方式，完成极化方式的切换测量，可在一种极化方式各个下俯角测试完毕后再反向变化下俯角测试下一种极化方式，以上多个下俯角的测量整体构成该分辨率对应的一轮测试任务；

步骤42，典型下俯角的不同参数对比测试：在步骤3得到的最小观测下俯角和步骤2得到的最大可观测下俯角构成的区间内选择一个典型值，在步骤1的优先观测方位中先选择第一个值，切换极化方式，每种极化方式下切换分辨率，然后更换至下一个优先观测方位重复极化方式和分辨率的切换测量，以上方位角、极化方式以及分辨率的不同参数对比测试，整体构成该下俯角对应的一轮测试任务；

步骤5，按不同模式执行测试任务：

在步骤4的基础上按照不同模式执行测试任务，模式包括常规观测模式和特殊观测模式，单日安排多轮测量任务，常规观测模式下分时段进行测试，特殊观测模式下加密测量，并及时根据实际情况切换适当模式；不同模式下的循环设置如下：

步骤51，常规观测模式下单日安排2到3个时段，每个时段中将步骤4中的测试任务进行循环测量，设定循环次数下限；

步骤52，特殊观测模式下加密观测，包括高海情模式和稀缺浪向模式，其中执行步骤4的典型下俯角的不同参数对比测试中，在不同轮中设置不一样的下俯角，至少在可设置的下俯角区间内选择两个角度；

步骤6，部分参数定期更新：

随着实测海杂波数据的积累，对于步骤3中最小可观测下俯角和可选脉冲重频，定期结合典型的实测数据进行计算，若不符合，进行更新，随之更新步骤4和步骤5的测试任务中对应的参数值，定期对观测数据进行预处理，将预处理后的数据和海洋环境参数进行匹配，统计预处理数据的海洋环境参数覆盖情况，更新步骤5的稀缺浪向区间。

本发明的有益效果是：

本发明针对高分辨窄波束雷达，在长期积累的海杂波研究经验的基础上，提供了一种岸基海杂波观测方法，通过合理的观测参数配置和测试任务规划，有利于降低海杂波多参数对比观测中的参数选择盲目性，同时解决了雷达波束过窄带来的角度参数设置问题，可作为岸基海杂波观测的方法参考，对于后期分析海杂波特性的多参数影响，能减少数据冗余，提高测试效率和数据利用率。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开方法的流程示意图；

图2是本发明实施例1所公开方法中步骤2确定最大可观测的下俯角流程示意图；

图3是本发明实施例1所公开方法中步骤4典型分辨率的连续下俯角变换测试流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种实用高效的基于岸基高分辨窄波束雷达的海杂波观测方法，包括如下步骤：

步骤1，初选优先观测方位：

在雷达可选方位角范围内，计算各个方位角与实时浪向的夹角，结合逆浪、正侧浪、顺浪定义区间，分别选择最接近逆浪、正侧浪、顺浪的方位角，作为优先观测方位；

关于实时浪向的获取，在具备海浪信息采集设备的条件下同步采集获取实时浪向，当不具备该类设备时，在雷达可选方位角区间按照一定间隔进行不同方位角下的数据采集，通过求取每个方位角下的多普勒谱频移，对频移随方位角的变化曲线进行拟合，结合预报浪向，推断实时浪向。

例如，采用浮标设备可以获取海面多种环境参数，包括浪高、浪向、浪周期、流速、流向等等，配合数据处理分析软件可实时获取最常用的浪高、浪向参数。在不具备这样的设备能即刻获取实时浪向的条件下，通过变换雷达多个方位角的测试来估计浪向，以正北为0°，假设雷达可选方位角区间为[20°,180°],在该区间内每间隔20°取一个角度，时长可以较短，如10s，每个方位角下测试的数据选取同一个距离门的数据，估计其多普勒频移，然后进行拟合，可采用下式拟合：

f＝acos(φaz-b)

其中f为多普勒频移，φaz为雷达方位角，一般取波束中心对应的方位角，a，b由拟合结果得到。

不同雷达可覆盖方位角范围不同，不一定能找到曲线最高点和最低点，主要是寻找多普勒频移接近0(对应正侧浪)、正向最大值(对应逆浪)或负向最大值(对应顺浪)的大概位置，三者不全的情况下，结合海洋环境预报浪向辅助判别，假设找到130°为零频移点的位置，估计为正侧浪方向，则浪向可能是40°和220°，再结合当日预报为东北浪向，推断浪向为40°。然后在[20°,180°]选取最接近逆浪、正侧浪和顺浪的角度，可以找到最接近逆浪方向的20°、正侧浪方向的130°，最接近顺浪方向的180°。

步骤2，确定最大可观测的下俯角区间及对应脉宽：

如图2所示，根据经纬度信息和雷达海拔高度信息估算不同方位角下的陆海交界位置到雷达观测位置的距离，并预留一定的保护距离，计算对应的下俯角βi,βi>0，i＝1,2...n，n为步骤1的优先观测方位角个数，结合地理信息验证在下俯角范围(0,βi]内，各个优先观测方位是否存在地形遮挡，若有遮挡，在小范围内调整方位角然后重新计算，更新优先观测方位和βi值，然后再根据发射脉宽是否可选按以下步骤进一步确定最大可观测的下俯角区间：

步骤21，对于发射脉宽可选的情况，计算不同脉宽对应的雷达近距离盲区边界，得到各个脉宽下能测试的最近距离，计算对应的下俯角θk,k＝1,2...，在保证近3db点位于近距离盲区之外的前提下，结合雷达3db俯仰波束宽度φe，得到各个脉宽下的最大可设置下俯角θk'＝θk-φe/2，求取(0,βi]与(0,θk']区间的交集，同角度下优选较大脉宽，得到最大可观测下俯角区间及不同子区间对应的脉宽，同时由区间端点得到最大可观测下俯角区间；

步骤22，对于发射脉宽不可选的情况，计算当前脉宽对应的雷达近距离盲区边界，得到能测试的最近距离，计算对应的下俯角θ，结合雷达3db俯仰波束宽度φe，进而得到当前脉宽下的最大可设置下俯角θ'＝θ-φe/2，求取(0,βi]和(0,θ']的交集作为最大可观测下俯角区间，同时由区间端点得到最大可观测下俯角。

例如，通过雷达和陆海交界位置的经纬度信息，首先计算得到在第一个优先观测方位下，雷达到陆海交界位置的水平距离1.5km，已知雷达高度300m，预留一定的保护距离0.2km，斜距约等于1.726km，对应的下俯角β1约等于10.0°。本例假设该角度下无地形遮挡。关于各个方位角的陆海交界位置到雷达的水平距离以及该角度下的地形遮挡，可预先以一定间隔(如5°)选取多个角度结合地理信息统一进行计算，记录成表格，便于之后测量时查阅。

假设雷达脉宽有10μs和20μs，分别计算两个脉宽下的近距离盲区范围，结果为1.5km和3km，对应的下俯角为11.54°和5.74°，考虑雷达3db俯仰波束宽度1.0°，则两个脉宽下的最大可设置下俯角分别为11.04°和5.24°。与(0,10.0°]求交集，可得最大可观测下俯角区间为(0,10.0°]，同时得到最大可观测下俯角为10.0°，其中(0,10.0°]分为两个子区间，(5.24°,10.0°]区间只能采用10μs，(0,5.24°]区间可采用10μs和20μs，根据同角度下优选较大脉宽，可优先采用20μs。

步骤3，分级不同海面状态进行参数配置：

将不同海面状态进行分级，粗略划分中低海情和高海情，或按照浪高细化划分量级，在各个量级下，分别确定最小可观测下俯角和可选脉冲重频，参数配置过程如下：

步骤31，确定最小可观测下俯角：以最小下俯角的俯仰波束中心回波强度满足一定杂噪比为原则，将步骤2得到的最大可观测下俯角作为起点，设置一定的步进间隔，依次递减至接近0°，然后计算各个下俯角时的俯仰波束中心的实际回波杂噪比，确定满足杂噪比要求的下俯角，得到当前海面状态量级下可设置的最小下俯角；

步骤32，确定可选脉冲重频：根据不同量级的回波强度选择脉冲重频，确保最大频移分量在[-prf/2,prf/2]区间，prf为脉冲重频，以雷达最接近逆浪和顺浪的实际回波数据进行估计，得到最大频移分量，反推可设置的脉冲重频，同时考虑占空比，根据脉宽*脉冲重频≤最大占空比，确定可选的脉冲重频范围，然后结合所需单组时间序列样本数确定测试时长和脉冲重频。

例如，根据国家海洋预报中心的浪高预报结果，可粗略按预报的有效浪高值划分两种量级：中低海情和高海情，以预报值1.5m为界限。另一种情况若具备浮标等设备能得到实时浪高的情况下，可更细致地按当前海域的浪高测量值划分，如可划分为0.6m以下，0.6m到1.5m，1.5m以上三个量级。

以步骤2中得到的最大的下俯角10.0°为起点，取[10.0°7.0°4.0°2.0°1.0°0.5]几个下俯角进行测试，计算各个下俯角的俯仰波束中心的实际回波杂噪比，设定一定阈值，如10db，确定满足杂噪比要求的下俯角，得到当前海面状态量级下可设置的最小下俯角，记录下来，作为之后测试的参考。不同量级下的最小下俯角随着测试数据的积累，可以越来越完善。同样选择脉冲重频时，在最初测试时，也不能完全覆盖各种情况，需要逐渐积累，假设可选脉冲重频为[300hz1500hz3000hz]，而当前海面状态下最大频移分量为180hz，反推可设置的脉冲重频，则最小应为360hz。同时考虑占空比，假设占空比为5％，则10μs脉宽下最大可设脉冲重频为5000hz，20μs脉宽下最大可设脉冲重频为2500hz，对应可选的脉冲重频分别为[1500hz3000hz]和1500hz。结合单组数据所需时间序列样本数，确定测试时长和脉冲重频，如需20000样本数，可采用1500hz重频测试14s以上。

步骤4，测试任务分类规划及重点参数切换：

依据分析目的将测试任务进行分类，每个任务中切换重点要分析的参数，其他参数选择一个典型值固定，包括典型分辨率的连续下俯角变换测试和典型下俯角的不同参数对比测试，若受雷达功能所限，某项参数不具备可变性，可跳过该部分参数的切换设置；

以上两类测试任务的参数切换设置过程如下：

步骤41，测试任务一，典型分辨率的连续下俯角变换测试：如图3所示，固定分辨率参数，然后分别以步骤3得到的最小可观测下俯角和步骤2得到的最大可观测下俯角为区间两端，考虑天线的俯仰向波束方向图有效补偿区域，设计俯仰向波束中心步进间隔，然后在步骤1的优先观测方位中选择一个能覆盖更大下俯角区间的值，在该方位角下依序转动天线进行不同下俯角的测试，若具备不同极化方式，完成极化方式的切换测量，可在一种极化方式各个下俯角测试完毕后再反向变化下俯角测试下一种极化方式，以上多个下俯角的测量整体构成该分辨率对应的一轮测试任务。

对于窄波束雷达，由于无法一次性获取连续较大擦地角范围内的数据。考虑采用分段测量，然后合并分析。因此需要设计俯仰向波束中心移动区间和步进间隔，从考虑天线的俯仰向波束方向图有效补偿区域考虑，确保各段的海面位置对应的雷达波束角度在3db波束内，在后期补偿中可以减小误差。

步骤42，测试任务二，典型下俯角的不同参数对比测试：在步骤3得到的最小观测下俯角和步骤2得到的最大可观测下俯角构成的区间内选择一个典型值，在步骤1的优先观测方位中先选择第一个值，切换极化方式，每种极化方式下切换分辨率，然后更换至下一个优先观测方位重复极化方式和分辨率的切换测量，以上方位角、极化方式以及分辨率的不同参数对比测试，整体构成该下俯角对应的一轮测试任务。

实际中，为了尽量确保在对比分析极化影响和分辨率影响时海洋参数的相似性，所以尽可能在相近时刻完成极化和分辨率的切换，然后为了对比不同浪向的变化，切换不同方位完成同样参数组合的测试。

步骤5，按不同模式执行测试任务：

在步骤4的基础上按照不同模式执行测试任务，模式包括常规观测模式和特殊观测模式，单日安排多轮测量任务，常规观测模式下分时段进行测试，特殊观测模式下加密测量，并及时根据实际情况切换适当模式；不同模式下的循环设置如下：

步骤51，常规观测模式下单日安排2到3个时段，每个时段中将步骤4中的测试任务进行循环测量，设定循环次数下限。

实际中根据浪高适当调节单日的时段个数，如浪高0.6m，海情相对较低，单日可设置2个时段，按上午和下午，在上午完成步骤4的两个测试任务后，下午发现浪高变化依然较低，例如0.5m，可以只进行测试任务二的测试。

步骤52，特殊观测模式下加密观测，主要包括高海情模式和稀缺浪向模式，其中执行步骤4的典型下俯角的不同参数对比测试中，在不同轮中设置不一样的下俯角，至少在可设置的下俯角区间内选择两个角度。加密观测在保证雷达运作正常的前提下，尽量缩短测试间隔，完成一轮步骤4两类测试任务后，检查设备及回波状态，无异常情况时继续下一轮测量，设定循环次数下限，保证一定的循环次数。

对于高海情模式，主要针对4级及以上海情，对于稀缺浪向模式，由于观测地点的地理位置和当地气候状况受限，一年四季的浪向会有比较集中的区间，而雷达架设位置受地形影响，方位可选范围有限，因此与浪向的夹角变化范围有限，则逆浪、顺浪和正侧浪中就可能有很少见的浪向，因此将该区间的浪向划分为稀缺浪向。稀缺浪向区间的确定一方面通过历史海洋环境参数统计分析得到，另一方面通过自身测试数据的浪向覆盖情况定期更新。

步骤6，部分参数定期更新：

随着实测海杂波数据的积累，对于步骤3中最小可观测下俯角和可选脉冲重频，定期结合典型的实测数据进行计算，若不符合，进行更新，随之更新步骤4和步骤5的测试任务中对应的参数值，定期对观测数据进行预处理，将预处理后的数据和海洋环境参数进行匹配，统计预处理数据的海洋环境参数覆盖情况，更新步骤5的稀缺浪向区间。

例如，在测试初期，不一定能遇到特别高的海情或稀缺浪向，最大回波强度和最大频移值都不一定达到最大值，随着测试时间的推移，很可能不符合初期的设定值。通过观察海洋参数的变化可以大概预估特殊情况，然后对测试的数据进行分析，更新步骤3中最小可观测下俯角和可选脉冲重频，进而对步骤4和步骤5中的测试任务涉及的相应参数进行更新。