基于RD譜輪廓線的高頻地波雷達二階譜提取*

楚曉亮, 張 杰, 紀永剛, 王祎鳴,于長軍

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.中國海洋大學，山東 青島 266100；3.哈爾濱工業(yè)大學(威海)，山東 威海 264209)

?

基于RD譜輪廓線的高頻地波雷達二階譜提取*

楚曉亮1,2, 張 杰1, 紀永剛1, 王祎鳴1,于長軍3

(1.國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.中國海洋大學，山東 青島 266100；3.哈爾濱工業(yè)大學(威海)，山東 威海 264209)

雷達回波譜中的噪聲和目標回波會對二階譜的提取造成困難?；诘夭ɡ走_海面回波譜特性，提出了一種采用距離-多普勒譜(RD譜)輪廓線結(jié)合一階和二階譜特點的二階譜提取方法。此方法可以通過計算機自動實現(xiàn)對二階譜的提取，有利于大批數(shù)據(jù)的分析和工程化系統(tǒng)的實時處理。利用該方法對典型實測雷達回波數(shù)據(jù)進行了處理和分析。結(jié)果表明，RD譜輪廓線能夠反映一階譜和二階譜的特征，并且不易受噪聲和目標的影響；從RD譜輪廓線獲得的二階譜分界點，可以為一維多普勒回波譜中的二階譜提取提供參考，能夠較好地避免由于目標和噪聲的影響而導致的二階譜邊界誤判問題，準確地分離二階譜。

高頻地波雷達(HFSWR)；RD譜； 海態(tài)；二階譜

高頻超視距雷達可實現(xiàn)海上船只和低空飛機等目標的超視距探測及海洋動力過程的連續(xù)觀測，具有觀測距離遠、覆蓋面積大、工作全天候等優(yōu)點。高頻地波雷達的回波譜中含有豐富的海洋動力環(huán)境參數(shù)信息，因此可以從回波譜中提取海面流場、風場和海浪譜等信息，這為海洋動力學環(huán)境探測提供了新的手段。20世紀70年代Barrick等[1-3]提出了高頻地波雷達一階和二階散射截面方程，為高頻地波雷達海態(tài)反演提供了理論基礎(chǔ)，由此人們開展了大量的海態(tài)信息提取工作[4-11]。由于海態(tài)信息主要包含在高頻地波雷達多普勒回波譜中的一階譜和二階譜中，故利用回波譜反演海態(tài)信息時，需先從回波譜中分離出一階譜和二階譜。目前，從雷達回波多普勒連續(xù)譜中提取一階譜用于流場的反演，已有相關(guān)的研究[12-13]。而風浪等海態(tài)信息主要包含在高頻地波雷達回波譜的二階譜中，人們通常對二階譜進行提取并分析處理來獲得風速、有效波高和海浪譜[4-11]。相對于一階譜，二階譜的信噪比較低，并且展寬明顯，易受目標信號的影響。尤其是實測雷達回波數(shù)據(jù)中的噪聲和目標信號會影響二階譜范圍的確定，從而影響風速、有效波高等海態(tài)信息的反演結(jié)果。因而，如何有效地從回波譜中分離出二階譜顯得尤為重要。通常情況下，通過目視解譯結(jié)合經(jīng)驗等人工方法可以從回波譜中分離出二階譜，但這種方法不利于大批數(shù)據(jù)的分析和工程化系統(tǒng)的實時處理，因此需要建立從回波譜中提取二階譜的程序化方法。本文基于地波雷達的海洋回波譜特性，提出了采用距離-多普勒譜(Range Doppler Spectrum， RD譜)輪廓線結(jié)合一階和二階譜特點提取二階譜的方法，利用此方法針對典型的實測數(shù)據(jù)進行了二階譜的提取,以期避免目標回波對二階譜提取的影響，從而通過計算機自動地實現(xiàn)二階譜的準確提取。

1 高頻地波雷達回波譜分析

高頻地波雷達回波譜中的一階譜是由海浪與雷達電磁波發(fā)生布拉格散射后回波信號相互累加而產(chǎn)生的，在回波譜中占主導地位。在無海流的情況下，一階譜表現(xiàn)為頻率上的沖激函數(shù)，但在實際中由于雷達散射區(qū)域內(nèi)變化的海流導致一階譜展寬。

Barrick模型用2個沖擊函數(shù)表示返回的一階譜[1]，其散射截面方程可表示為

(1)

根據(jù)電磁波海面的作用理論，在無海流的情況下，一階譜的譜峰位于±ωB處，而ωB與k0之間滿足深水色散關(guān)系：

(2)

式中，g為重力加速度。若存在海流時，可根據(jù)一階峰偏移±ωB的大小來求出海流的流速。

高頻無線電波與海浪還存在高階作用，Barrick[2]將無海流情況下的二階散射截面用一個方程表示為

(3)

圖1 頻率為13.02 MHz的地波雷達的一維多普勒譜

不同距離單元處的一維多普勒譜構(gòu)成了二維RD譜，圖2給出了頻率為13.02 MHz的地波雷達的實測RD譜圖。從圖中看出，RD譜圖中出現(xiàn)明顯的一階譜和二階譜特征，并且一階和二階譜隨距離分布趨勢與回波功率分布趨勢相似。因此，如對RD譜進行邊緣檢測，勾勒出RD譜中的一階、二階多普勒的輪廓，就能確定二階譜大概位置。基于這一思路，可先提取RD譜中的一階譜和二階譜的輪廓線，確定一階譜和二階譜大致的范圍，然后再精確確定二階譜邊界。

圖2 頻率為13.02 MHz的雷達RD譜及其輪廓線

2 二階譜提取的方法

二階譜的提取流程如圖3所示。首先選取RD譜，利用參考單元的噪聲估計值作為門限，可以得到RD譜的二值化圖像。在只含有“0”和“1”的二值圖像中，值全為“1”的像素點將相互連接在一起成為一個連通域，提取這個連通區(qū)域的輪廓，就可以得到圖像的輪廓曲線，如圖2所示。從圖2中可以看出，輪廓線的趨勢、峰值基本能夠反映出RD譜一階譜和二階譜的特征，即輪廓線起伏趨勢實際上也具備了多普勒回波譜的特征。接著對輪廓線進行勻滑，以防止由噪聲等造成的抖動而加大尋找邊界難度。再結(jié)合二階譜的特征，通過搜索判斷獲得輪廓線中二階譜的分界點。

圖3 二階譜提取流程

搜索輪廓線中的二階譜分界點是相對比較關(guān)鍵的操作，因為由此可確定二階譜的大致范圍，為后續(xù)的一維多普勒譜中的二階譜分界點搜索提供依據(jù)。具體操作步驟：1)確定左右一階譜峰的大致位置。2)選擇二階譜的大致范圍?？紤]到能夠滿足反演海浪譜需要的二階譜區(qū)域通常為0.6ωB<|ω|<0.9ωB和1.1ωB<|ω|<1.4ωB[9]，在實際中選擇二階譜范圍的時候可以在此基礎(chǔ)上稍微擴大一些，同時也要考慮到海流引起的多普勒譜的頻移。3)在選擇的二階譜范圍內(nèi)搜索極值點，即搜索此范圍內(nèi)的所有極大值與極小值點，如果存在則進行下一步，如果不存在則說明無二階譜的存在。4)結(jié)合二階譜的特點，分別搜索左右一階峰兩側(cè)極值點的匹配點。5)在匹配的極值點中獲得一階峰兩側(cè)極小值匹配點。6)計算同側(cè)極小值包含區(qū)域的信噪比。7)判斷信噪比是否大于閾值，如果“是”則此極小值即為二階譜分界點，如果“否”則認為多普勒譜中沒有可用于反演的二階譜。為了獲得較高的海浪譜反演精度，信噪比閾值可以選擇為15 dB[16]，通常情況下信噪比閾值可選為5 dB[17]。通過以上操作就可以獲得輪廓線的二階譜分界點。

將得到的輪廓線的二階譜分界點作為參考值，搜索某一距離元處的一維多普勒譜的二階譜分界點，其步驟與上述過程類似。搜索過程中若有噪聲或目標回波的干擾，輪廓線的二階譜分界點就成為重要的判斷標準，確保準確地確定一維多普勒譜中的二階譜范圍。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

利用二階譜提取方法對圖2的數(shù)據(jù)進行了處理，在獲得譜輪廓線后，對其進行勻滑峰并確定峰值點和邊界點。正一階峰兩側(cè)的二階譜的邊界點和峰值點用星號表示，結(jié)果如圖4所示。其中，4個邊界點的坐標分別是0.646 2，0.861 6，1.358 6和1.706 5。結(jié)合圖2可以看出，獲得的二階譜輪廓線的分界點能夠反映二階譜在RD譜上存在的大致范圍。對于某一距離上的多普勒譜，可按照上述步驟搜索二階譜的分界點，搜索過程中受噪聲等因素的影響會比較大，但以輪廓線的分界點為參考，可以大大降低這種影響，并可準確地獲得二階譜的分界點，從而提取出二階譜。圖5給出的是圖2中第15個距離單元處的一維多普勒譜，以圖4中獲得的二階譜輪廓線的邊界點為參考，對一維多普勒譜進行搜索就可以比較容易地確定二階譜范圍，如圖5中灰色區(qū)域，其二階譜4個邊界點的歸一化多譜勒頻率分別為0.646 2，0.886 4，1.358 6和1.690 0，這與輪廓線的二階譜分界點歸一化多普勒頻率略有差異。

圖4 輪廓線二階譜特征點的提取

圖5 一維多普勒譜中二階譜的提取

在實際探測中，船只等目標會在雷達多普勒回波譜中產(chǎn)生較強的回波，這會對二階譜的提取造成干擾，計算機在自動提取二階譜邊界時容易產(chǎn)生誤判，利用本文的方法能夠最大限度地排除這種干擾，準確地提取二階譜。為了說明本文方法的有效性，我們給出了工作頻率為11.07 MHz的地波雷達實測RD譜作為個例，如圖6a所示，圖中的二階譜較圖2來說相對較弱，而RD譜中的目標較為明顯。利用本文方法對含有目標的多普勒譜進行二階譜分離，首先對RD譜進行譜包絡(luò)線的提取，提取結(jié)果如圖6b所示，可以看出目標對輪廓線基本上沒有影響。進而可以獲得二階譜輪廓線的邊界坐標。選取RD譜上第16距離單元格和12距離單元格的一維多普勒譜，分別含有目標1和目標2的信號，如圖7和圖8所示。圖7中，目標1靠近右側(cè)一階峰，并且幅度較大，這通過曲線平滑是消除不掉的。另外，目標1和其他目標相對于右側(cè)一階峰近似對稱，若直接對一維多普勒譜來提取二階譜，會因受目標回波的影響，易將目標誤當成二階譜，使二階譜的邊界點出現(xiàn)誤判，從而不能正確地提取二階譜。而輪廓線則不受目標的影響，所以借助于譜輪廓線中的二階譜邊界點，可以正確分離一維多普勒譜中二階譜的區(qū)域，如圖7中的灰色區(qū)域。由圖8可知，右側(cè)一階峰旁的二階峰出現(xiàn)明顯分裂。結(jié)合圖6的RD譜及上述分析，出現(xiàn)譜峰分裂是由于目標2的信號疊加到了二階譜上，從而對二階譜的提取造成影響，即在提取過程中有可能把2個峰值間的波谷誤認為是二階譜的分界點，或把左側(cè)稍高的峰當作二階譜的峰值。采用本文方法，輪廓線得到的二階譜峰值歸一化頻率為1.475，而圖8中二階譜中左側(cè)峰值(目標2峰值)歸一化頻率為1.34，二者相差較大，很容易將此峰值排除，從而獲得二階譜范圍，如圖中灰色區(qū)域。若要對二階譜中的目標進行消除，可以考慮利用CFAR檢測方法檢測出目標后[18]，將目標所占的單元格用周邊無目標的單元格的均值代替，消除目標對海雜波的影響。也可以借鑒海雜波循環(huán)對消方法[19]，將目標消除，這樣就可以將二階譜提取出來，如圖9所示。為了進一步通過實測數(shù)據(jù)驗證本文方法，我們給出了工作頻率為13.02 MHz的雷達回波譜的二階譜提取結(jié)果(圖10)，所采用的數(shù)據(jù)與圖2相比，除雷達頻率相同外，實際海況條件和時間都不相同。結(jié)果顯示，本文方法依然可以對二階譜進行正確的提取。

圖6 頻率為11.07 MHz的雷達RD譜

圖8 第12距離單元的多普勒譜圖

圖9 第12距離單元的二階譜提取

圖10 頻率為13.02 MHz的雷達回波譜的二階譜提取

4 結(jié) 語

利用高頻雷達數(shù)據(jù)反演風速、有效波高等海態(tài)信息時，需要從雷達回波譜中提取二階回波譜。本文基于地波雷達的海洋回波譜特性，提出了采用RD譜輪廓線結(jié)合一階和二階譜特點的二階譜提取方法，此方法可以通過計算機自動實現(xiàn)對二階譜的提取，有利于大批數(shù)據(jù)的分析和工程化的系統(tǒng)實時處理。為了驗證該方法的性能，本文選取了典型實測雷達回波數(shù)據(jù)進行處理和分析，從實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果來看，本文所提出的方法可避免噪聲和目標對二階譜提取的影響，能夠準確地分離二階譜，具有一定的實用性。由于本文所采用驗證的實測數(shù)據(jù)比較有限，對本文的方法還需要選取不同實驗地點、不同海況條件的大量實驗數(shù)據(jù)來進行驗證和完善，以進一步提高其可靠性。

[1] BARRICK D. First-order theory and analysis of MF/HF/VHF scatter from the sea[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, AP-20(1), 1972:2-10.

[2] BARRICK D. Remote Sensing of sea state by radar[C]∥IEEE International Conference on Engineering in the Ocean Enviroment,Newport:IEEE 1972:186-192.

[3] WEBER B L, BARRICK D E. On the nonlinear theory for gravity waves on the ocean's surface. Part I: derivations[J]. Journal of Physical Oceanography, 1977,7(1):3-10.

[4] BARRICK D E, WEBER B L. On the nonlinear theory for gravity waves on the ocean's surface. Part II: interpretation and applications[J]. Journal of Physical Oceanography, 1977,7(1):11-21.

[5] LIPA B. Inversion of second-order radar echoes from the sea[J].Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 1978, 83(c2): 959-962.

[6] LIPA B, BARRICK D. Extraction of sea state from HF radar sea echo: Mathematical theory and modeling[J]. Radio Science, 1986, 21:81-100.

[7] WYATT L R. High-frequency radar measurements of the ocean wave directional spectrum[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1991, 16(1):163-169.

[8] HOWELL R, WALSH J. Measurement of ocean wave spectra using narrow-beam HE radar[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 1993,18(3):296-305.

[9] HISAKI Y. Nonlinear inversion of the integral equation to estimate ocean wave spectra from HF radar[J]. Radio Science, 1996,31(1): 25-29.

[10] GREEN J J, WYATT L R. Row-action inversion of the Barrick-Weber Equations[J].Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2006,23(3): 501-510.

[11] ESSENH H H. GURGEL K W, SCHLICK T. Measurement of ocean wave height and direction by means of HF radar: An empirical approach[J]. Deutsche Hydrografische Zeitschrift, 1999, 51(4):369-383.

[12] YANG S L, KE H Y, HOU J C, et al. Super-resolution ocean surface current algorithm based on MUSIC for OSMAR 2000[J].Journal of Wuhan University(Natural Science Edition),2001,47(5)：601-608.楊紹麟,柯亨玉,侯杰昌,等.OSMAR2000基于MUSIC的超分辨率海洋表面流算法[J].武漢大學學報(理學版),2001,47(5)：601-608.

[13] MIDDLEDITCH A ,WYATT L R.An instantaneous-frequency filtering technique for High-Frequency radar oceanography[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2006,31(4): 797-803.

[14] JI Z Y, MENG X D,YUAN Y S. Analysis and emulation for second order sea clutter in research of sea clutter in HF ground wave over-the-horizon radar[J].Modern Radar,2003，25(4): 4-6.冀振元,孟憲德,袁業(yè)術(shù). 高頻地波OTH雷達二階海雜波分析及模擬[J].現(xiàn)代雷達,2003,25(4): 4-6.

[15] SHEARMAN E D R. Radio science and oceanography[J]. Radio Science, 1983, 18(3): 299-320.

[16] WYATT L R. Limits to the inversion of HF radar backscatter for ocean wave measurement[J]. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology,2000, 17(17): 1651-1666.

[17] WU X B, LI L, LI Y, et al. Experimental research on significant wave height detecting with HFSWR OSMAR071[J]. Oceanologia Et Limnologia Sinca, 2012,43(2):210-216.吳雄斌,李倫,李炎,等.高頻地波雷達海面有效波高探測實驗研究[J].海洋與湖沼， 2012，43(2): 210-216.

[18] PONSFORD A M, WANG J. A review of high frequency surface wave radar for detection and tracking of ships[J]. Turkish Journal of Electrical Engineering Computer Sciences,2010,18(3):409-428.

[19] GUO X, NI J L, LIU G S. The ship detection of sky wave over the horizon radar with short coherent integrationtime[J].Journal of Electronic and Information Technology,2004，26(4):613-618.郭欣，倪晉麟，劉國歲.短相干積累條件下天波超視距雷達的艦船檢測[J].電子與信息學報，2004，26(4):613-618.

Received: August 14, 2014

The Second Order Spectrum Extraction From High Frequency Ground Radar Sea Echoes Based on the Outline of the RD Spectrum

CHU Xiao-liang1,2, ZHANG Jie1, JI Yong-gang1, WANG Yi-ming1, YU Chang-jun3

(1.TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061，China;2.OceanUniversityofChina, Qingdao 266100, China; 3.HarbinInstituteofTechnology，Weihai， Weihai 264209,China)

The noise and the target echo signal existing in the Hgh Frequency Surface Wave Radar (HFSWR) echoes can cause trouble for extraction of second order spectrum. According to the characters of the HFSWR echoes, a method exploring the outline information of the Range Doppler (RD) spectrum in combination with the features of the first and second spectrum is presented in this paper. The method can be implemented to extract the second order spectrum by computer, which is conducive to amounts of data analysis and the real time processing data by engineering system. This method is applied to the typical radar data processing and analysis, and the results show that the features of the first and second spectrum can be reflected by the outline of RD spectrum which is not influenced by noise and target echo. Based on the second spectrum boundary points obtained from the outline, the issue of boundary error judgment due to the influence of the noise and the target echo can be avoided, when the second spectrum is extracted from the one dimensional Doppler spectrum echo.

High-Frequency Surface Wave Radar(HFSWR); Range Doppler Spectrum; sea state; second order spectrum

2014-08-14

國家自然科學基金重點項目——高頻天波/地波集成技術(shù)非協(xié)作目標信息獲取與處理(61032011)；中國博士后科學基金項目——天地波集成體制超視距雷達海浪反演研究(2013M531559)

楚曉亮(1977-)，男，山東平度人，講師，博士，主要從事高頻地波雷達及X波段導航雷達海態(tài)反演方面研究.E-mail：xlchu@ouc.edu.cn

(王 燕 編輯)

TN958

A

1671-6647(2016)01-0114-07

10.3969/j.issn.1671-6647.2016.01.011