雷达大擦地角海杂波特性与目标检测研究综述.docx_海杂波反向散射系数资源-CSDN文库

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1. 引言

对海雷达快速可靠地发现海上目标具有十分重要的意义。对海雷达面临的海面环境复

杂多变，存在噪声、干扰、海杂波等诸多因素的影响，其中，海杂波由于功率水平较高，

且非高斯、非平稳特性显著，再加之其影响因素的复杂性和多变性，成为影响雷达目标探

测性能的主要制约因素之一

[1]

。当前，海杂波背景下目标检测技术研究以低擦地角为主，

大擦地角条件下的相关研究较少。但在天基与高空探测平台、海上作战飞机、弹道式反舰

导弹、飞航式超音速反舰导弹以及反舰导弹的末端跃起攻击都涉及大擦地角强海杂波背景

下目标探测问题。同时，现有研究表明，随着擦地角的增大，由于杂波分辨单元的雷达散

射截面积(RCS)变大，平均后向散射呈单调增加趋势，但幅度统计分布仍然呈现明显的非

高斯特点，且海杂波多普勒谱也具有较大差异，表明非连续性尖峰的存在以及 Bragg 散射

分量占主要地位。综合来看，随着擦地角的增大，探测目标的难度也会增大。为此，从雷

达目标探测的需求出发，开展大擦地角下的海杂波特性认知研究，掌握变化趋势并建立海

杂波模型，是有效改进和创新海杂波抑制算法和目标检测算法、削弱海杂波不利影响、实

现探测性能提升的条件和措施

[2]

。

目前，国内外围绕大擦地角下海杂波特性已开展的研究可归结为两个层面的研究工作

[3-5]

。一是物理机理层的研究，即在一定的雷达工作参数和外界环境参数条件下(如波段、

极化、海况、擦地角等)，利用电磁散射理论，计算海面后向散射系数，并对其起伏情况进

行建模与分析；二是试验数据层的研究，即开展基于实际海面或造浪池的海杂波测量试

验，利用海杂波试验数据分析海杂波特性及其随雷达工作参数、海洋环境参数等多种因素

的变化趋势，并在部分考虑机理或不考虑机理的情况下建立海杂波模型。这两部分研究相

互补充，无法相互替代。前者通常具有很高的指导意义，但由于海表面组成成分复杂，且

影响因素众多，基于机理建模得到的认知结果通常难以逼真反映实际情况。

本文按照更新时间和技术发展流程的顺序梳理了国内外大擦地角常用数据集、海杂波

特性分析、建模及目标检测技术的发展现状。下文按如下形式组织，即第 2 节梳理总结了

雷达大擦地角对海探测数据集，其中重点是常用的 Nathanson 数据集和 Ingara 数据集，第

3 节梳理总结了大擦地角下海杂波的建模研究，包括海表面模型、散射模型和幅度分布模

型，第 4 节梳理总结了大擦地角对海杂波特性的影响研究，第 5 节梳理总结了大擦地角下

雷达对海上目标检测技术研究，最后第 6 节对全文进行总结与展望。

2. 雷达大擦地角对海探测数据集

擦地角指雷达入射波和海平面之间的夹角。通常，大于 10°的擦地角被称为大擦地角

[2]

。

学者们从各种平台和条件下开展了大量大擦地角条件下对海探测试验，并基于此开展

了大擦地角海杂波特性研究

[6,7]

，公开文献资料发表的数据集主要包括：

Nathanson 数据集

[2,3,8]

，总结了从 19 世纪 60～70 年代开始针对海杂波进行的一系列测

量试验，给出了大约 60 项试验获取的后向散射数值。该数据集覆盖了 0.1°, 0.3°, 1.0°, 30°

和 60°等不同的擦地角，0～5 级海况，包括 9.3 GHz 的 X 波段在内的不同雷达频率，给出

了 HH 和 VV 极化下的后向散射系数 σ0σ0。该数据集中的后向散射系数基本上均来自试验

数据，但对数据当中明显有错误之处进行了内插和外推处理。该数据集中并没有给出 σ0σ0

随方位角(相对于风向)变化而出现的变化，而是计算了所有方位角条件下的平均后向散射

值。

美国海军研究实验室(NRL)4FR 数据集

[2,3,9]

是在 20 世纪 60 年代后期 Guinard 和 Daley

使用 4FR(UHF、L、C 和 X 波段)系统在 5°～90°擦地角、顺风/逆风/侧风、2.57～25.7 m/s

风速、水平发射-水平接收(HH)/垂直发射-垂直接收(VV)极化条件下测量了海面后向散射回

波，获取了海面后向散射系数。试验中，雷达系统用标准金属球进行校准，用测量船只记

录了观测海域的风速、浪高等信息。4FR 试验首次在如此宽的雷达频率范围内采集了机载

雷达海杂波数据，在海杂波研究历程中具有十分重要的意义。利用该数据，研究人员系统

梳理了海杂波与擦地角、频率、极化和风速/风向等因素的依赖关系，并与 Masuko 等机载

测量结果进行了对比分析。

Masuko 数据集

[2,3,8]

是 1986 年 Masuko 等人公开的 1980 年和 1981 年在日本外海两个

试验地点获取的大擦地角海杂波测量数据集。该数据集主要获取了 X 和 Ka 波段雷达在

HH 和 VV 极化下后向散射系数 σ0σ0 的测量结果。为了在全方位角(0°～360°)下对各所选

的擦地角进行测量并获得具有统计意义的样本，该项试验沿预订航行路线重复飞行了多

次，每次飞行都保持在 3100 m 高度，所选擦地角为 20°～90°，步进 10°，数据处理时对多

次测量的后向散射进行了平均处理，标准差在 0.3～1.0 dB 之间。对于数据收集时间的海面

参数测量，在第一试验地点使用了气象水文浮标自动测量，在第二试验地点则利用船只进

行了手工测量。该试验覆盖的风速条件为 3.2 m/s, 7.9 m/s, 9.3 m/s 和 14.5 m/s，数据均为多

次测量的平均值，且假定试验区域内风速均匀。

Ingara 数据集

[2,3,9]

是澳大利亚国防科学与技术组织(DSTO)利用全极化 X 波段雷达系统

Ingara

[2,3,9]

开展试验获取的数据。该数据集涉及两个不同区域、两种不同条件下的试验，第

1 次海杂波测量试验编号为 2004(SCT04)，试验海域为南澳州林肯港南大约 100 km 处的南

部海域

[10,11]

。由于所选试验海域位于南澳州大陆架边缘，因此，几乎不存在浅水区对浪场

的影响。试验期间，研究人员分 8 天在不同海况条件下收集了一系列几何形状目标的海面

后向散射数据。第 2 次海杂波测量试验编号为 2006(MAST06)，试验海域为北领地靠近达

尔文市的沿海和外海海域，研究人员也获取了一系列几何形状目标在不同海况条件下的数

据。本次试验共收集了 4 天的数据，其中 2 天在距达尔文市 25 km 左右的沿海地区，2 天

在达尔文市以西约 200 km 的外海区域。在收集海面后向散射数据期间，Ingara 按照环扫聚

束模式运行，即飞行器按逆时针方向绕指定兴趣点(观察海域)飞行，而雷达束波则一直指

向兴趣点。在雷达沿 360°航行路线飞行过程中连续不断地收集回波数据，并适时调整雷达

发射脉冲重复频率(PRF)，保证不同的发射脉冲位置之间具有固定的空间间隔。在该模式

下，一次数据收集称之为一次“运行”，单次“运行”数据收集过程可能飞机沿航线飞行多

次。为分析擦地角对海面后向散射的影响，试验中选取了不同海拔高度和圆形航线半径。

SCT04 和 MAST06 数据均是在预定擦地角 15°至 45°，增幅为 5°条件下收集的兴趣点数

据。目前，很多公开文献均采用了 Ingara 数据集研究大擦地角下海杂波特性和目标检测技

术。

3. 海表面散射模型与大擦地角海杂波模型

3.1 海表面散射模型

常见海表面散射模型包括 Bragg 共振散射模型、复合表面模型、海尖峰模型等。

Bragg 共振散射模型在 Rice

[12-14]

提出电磁散射的摄动理论后，由 Peake

[15]

应用在雷达

散射截面积、Wright

[16,17]

推广到水面得到。研究发现，雷达后向散射可以通过风和浪分量

进行阐释。在风域和风速极小时，由 1 阶共振可以看出，雷达后向散射与水浪幅度的平方

成正比。可以用来解释小幅度、机械产生的水浪数据。

如图 1Bragg 共振示意图

[2]

。粗曲线表示海平面频谱的共振分量，细射线表示入射雷达

电磁波。当雷达电磁波传播至相继海浪波峰的路程差为雷达波长 λλ 的一半时，即会出现 1

阶共振。这种情况下，相继反射同相叠加，通过强化或共振的方式产生强后向散射。同样

可以看出，当雷达波传播至相继海浪波峰的路程差为 λ/2λ/2 的任意整数倍时，也会产生相

同结果。设 θθ 为擦地角，共振海浪的波长为 ΛΛ，那么 Bragg 共振的条件为

图 1 雷达波长和海浪波长的一阶 Bragg 共振示意图，散射的波同相叠加增强

下载: 全尺寸图片幻灯片

nλ=2Λcosθ,n=0,1,2,⋯nλ=2Λcos⁡θ,n=0,1,2,⋯

(1)

但该模型并没有涉及流体动力学调制等非线性因素影响，同时无法拟合海平面的破碎

波/波峰碎白浪花、泡沫和喷溅等非 Bragg 散射物理结构。

针对上述问题，研究人员对 1 阶 Bragg 散射理论进行了拓展，提出了双尺度复合表面

模型

[12,17-20]

。将粗糙表面分为大尺度和小尺度分量，大尺度分量进行几何或物理光学处

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