技术领域
[0001] 本
发明属于杂波多普勒特性研究领域，特别涉及该领域中的一种多平台测试的海杂波多普勒谱特性分析对比方法。
背景技术
[0002] 海上雷达监视系统在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，时间相关性的分析有助于设计检测
算法区分目标和海杂波。海杂波时间相关性通常称脉间相关性，常用杂波
功率谱来描述。由于海面是运动的，海杂波谱将产生多普勒频移，所以也称为多普勒谱。在雷达动目标检测等处理中，为了有效抑制杂波，需要准确估计杂波多普勒谱中心
位置和谱宽，但是受雷达参数和海洋参数影响，海杂波谱通常会呈现不同变化趋势，不能单一地用一种条件或几种条件概括。需要研究不同海洋环境下的海面运动特性对多普勒谱的影响。
[0003] 为了获取更多海洋参数条件下的海杂
波数据，一种是时间上的积累，进行长时间的观测，这种方式比较适合岸基固定平台，另一种是空间上的变化，在不同海域进行测试，但是有些海域受多种条件限制，很难找到合适的平台搭建地点进行长期观测，而搭载某些周期性航行大型船只，可进行多次短期测试。但是这样带来的问题就是不同平台模式下，即使雷达相同，也会由于平台运动状态的影响，引入附加的多普勒谱特性差异。在分析这种移动平台测试的海杂波谱特性时，需要尽量去除平台运动引入的一些非海洋环境参数的影响，避免在分析变化趋势时带来误差。
[0004] 此外，由于不同测试环境下试验条件的差异，可能获取的海洋环境参数类型有一定差异，如何在不对等的环境参数中挑选对海杂波多普勒谱特性影响更突出的因素进行分析，需要根据理论分析和实测
数据处理经验设计一定的分析对比原则，从而在多样的雷达参数和海洋环境参数组合中更迅速的找出多普勒谱特性变化规律。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题就是提供一种多平台测试的海杂波多普勒谱特性分析对比方法。
[0006] 本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种海杂波多普勒谱特性分析对比方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
[0008] 步骤1，海杂波平均多普勒谱估计及频移谱宽计算：
[0009] 对船载平台和固定平台下的雷达采集获取的海杂波数据，首先采用功率谱
密度函数估计算法得到各组数据在每个距离
门上的平均多普勒谱，然后根据每个
距离门的平均多普勒谱的最大谱峰位置动态设置一定的区间范围，利用积分法估计多普勒谱的谱中心和谱展宽，得到频移和谱宽的初始值；
[0010] 功率谱密度函数估计算法采用Welch或Burg谱估计方法，得到平均多普勒谱曲线Pf(fi)，其中f为多普勒
频率，i＝1,2...N，N为数据点个数，在最高谱峰对应的频率值fm两边设定积分区间宽度[fm-fk,fm+fk]，其中fk根据实测数据的平均多普勒曲线
覆盖范围设定，然后由下式计算频移和谱宽的初始值fd和bw，
[0011]
[0012]
[0013] 步骤2，船载平台的海杂波频移和谱宽修正：
[0014] 读取船载平台的
姿态记录仪同步采集的经纬度值，按时间分段，根据每个时间段起始和结束的经纬度位置估算实时的船速大小和航行方向，与海杂波数据测试时间进行匹配，然后根据船体航行方向与雷达天线波束指向的几何关系，计算船体运动引起的频移和展宽值，对步骤1中的频移和谱宽的初始值进行修正；
[0015] 船体运动引起的频移f△和展宽值b△由以下计算公式得到：
[0016]
[0017] 式中：vs为船速大小；α为船体航行方向与雷达天线波束指向的夹
角；φaz为雷达天线方位波束宽度；λ为雷达
波长；
[0018] 通过下式对频移和谱宽的初始值fd和bw进行修正，得到船载平台运动修正后的频移fmd和谱宽bmw，
[0019]
[0020] 步骤3，海洋环境参数匹配及测试参数影响分析对比：
[0021] 以测试时间作为联系进行匹配，将海杂波数据与测试区域的海洋环境参数测试数据进行匹配，然后按照浪向一致性判读、随擦地角变化趋势分析及平稳区域确定、海情和浪向影响对比、距离
分辨率影响对比的顺序依次分析海杂波频移和谱宽的变化规律，具体步骤如下：
[0022] 步骤31，浪向一致性判读及海情等级划分：
[0023] 计算雷达天线波束指向与浪向间的夹角，判断相对浪向是逆浪、顺浪还是侧浪，并增加浪向一致性参数φcst，结合步骤2计算得到的频移修正值进行判读，对于符合逆浪条件下频移为正或顺浪条件下频移为负的数据将其对应的φcst赋值为1，否则赋值为0，侧浪条件对应的数据统一将φcst赋值为1，在以下分析过程中，优先选择φcst为1的海杂波数据；根据道格拉斯海情等级表，结合对应浪高值估算海情，标注每组海杂波数据对应海情等级，海情等级与相对浪向两两组合形成L种参数组合以及每种参数组合下对应的数据集；
[0024] 步骤32，随擦地角变化趋势分析及平稳区域确定：
[0025] 根据雷达距离
采样单元长度将海杂波数据中的距离门序号换算为实际距离，结合雷达架设高度计算每一个距离门对应的擦地角，分别绘制L种参数组合下频移和谱宽随擦地角变化的散点分布图，然后利用曲线拟合分别得到L种参数组合下的频移和谱宽随擦地角的变化曲线，对每一种参数组合下的多组数据的频移值和谱宽值求平均，得到该参数组合下频移和谱宽均值随擦地角的变化趋势，截取曲线平稳区域对应的擦地角区间；
[0026] 步骤33，海情和浪向影响对比：
[0027] 首先求取需要分析的所有参数组合下的擦地角区间的交集，提取各组海杂波数据对应该擦地角区间交集内的频移和谱宽计算值，按海情等级和相对浪向形成的L种参数组合分类，将每种参数组合下的频移和谱宽计算值分别进行合并，绘制在逆浪、顺浪、侧浪情况下频移和谱宽随海情等级变化的散点分布图，对同一海情同一相对浪向的数据求取频移和谱宽的均值，记录均值随海情和浪向的变化趋势；
[0028] 步骤34，距离分辨率影响对比：
[0029] 对于L种参数组合的每一种组合，若具有不同距离分辨率的海杂波数据，在擦地角区间交集中，分别将每种距离分辨率下对应的频移值和谱宽值在距离向求自相关函数，并计算相关长度比较大小，然后统计每种距离分辨率下的谱宽值的概率密度分布，并分别采用高斯分布和伽
马分布进行拟合，比较更接近哪一种分布，得到不同距离分辨率下海杂波在距离向的多普勒谱特性变化剧烈程度对比结果。
[0030] 本发明的有益效果是：
[0031] 本发明针对同一雷达在多平台测试的海杂波多普勒谱特性分析对比中存在的平台差异影响和测试参数条件复杂多样的现象，提供了一种海杂波多普勒谱特性分析对比方法，修正船载平台运动带来的影响，并按雷达参数和海洋环境参数影响的大小差异设计一定的分析次序和步骤，便于快速得到同一雷达在不同平台测试的多种海洋环境条件下的多普勒谱特性差异。
[0032] 与
现有技术相比，本发明所公开海杂波多普勒谱特性分析对比方法的有益效果，一是通过修正不同海杂波测量平台的运动影响，扩大了数据来源，便于分析对比多种测试参数下的海杂波多普勒谱特性，二是在海杂波数据对应的海洋环境参数复杂多样的情况下，根据理论分析和实测数据分析经验设计了参数影响的分析对比次序和步骤，便于快速有序地找出多种海洋环境条件下的海杂波多普勒谱特性变化规律，为进一步深入分析指明了方向。
附图说明
[0033] 图1是本发明
实施例1所公开方法的流程示意图；
[0034] 图2(a)是S波段5级海情的逆浪、顺浪和侧浪条件下的频移随擦地角的变化曲线及曲线拟合结果示意图；
[0035] 图2(b)是S波段5级海情的逆浪、顺浪和侧浪条件下的谱宽随擦地角的变化曲线及曲线拟合结果示意图；
[0036] 图3(a)是逆浪条件下2到5级海情的海杂波频移的散点分布及均值计算结果示意图；
[0037] 图3(b)是逆浪条件下2到5级海情的海杂波谱宽的散点分布及均值计算结果示意图；
[0038] 图4(a)是4级海情逆浪条件下四种分辨率对应的频移的距离相关函数曲线示意图；
[0039] 图4(b)是4级海情逆浪条件下四种分辨率对应的谱宽的距离相关函数曲线示意图；
[0040] 图5(a)是4级海情逆浪条件下60m分辨率的海杂波数据谱宽的概率密度函数及采用高斯分布和伽马分布的拟合曲线示意图；
[0041] 图5(b)是4级海情逆浪条件下30m分辨率的海杂波数据谱宽的概率密度函数及采用高斯分布和伽马分布的拟合曲线示意图；
[0042] 图5(c)是4级海情逆浪条件下15m分辨率的海杂波数据谱宽的概率密度函数及采用高斯分布和伽马分布的拟合曲线示意图；
[0043] 图5(d)是4级海情逆浪条件下7.5m分辨率的海杂波数据谱宽的概率密度函数及采用高斯分布和伽马分布的拟合曲线示意图。
具体实施方式
[0044] 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。
[0045] 实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种海杂波多普勒谱特性分析对比方法，包括如下步骤：
[0046] 步骤1，海杂波平均多普勒谱估计及频移谱宽计算：
[0047] 对船载平台和固定平台下的雷达采集获取的海杂波数据，首先采用功率谱密度函数估计算法得到各组数据在每个距离门上的平均多普勒谱，然后根据每个距离门的平均多普勒谱的最大谱峰位置动态设置一定的区间范围，利用积分法估计多普勒谱的谱中心和谱展宽，得到频移和谱宽的初始值；
[0048] 功率谱密度函数估计算法采用Welch或Burg谱估计方法，得到平均多普勒谱曲线Pf(fi)，其中f为多普勒频率，i＝1,2...N，N为数据点个数，在最高谱峰对应的频率值fm两边设定积分区间宽度[fm-fk,fm+fk]，其中fk根据实测数据的平均多普勒曲线覆盖范围设定，然后由下式计算频移和谱宽的初始值fd和bw，
[0049]
[0050]
[0051] 步骤2，船载平台的海杂波频移和谱宽修正：
[0052] 读取船载平台的姿态记录仪同步采集的经纬度值，按时间分段，根据每个时间段起始和结束的经纬度位置估算实时的船速大小和航行方向，与海杂波数据测试时间进行匹配，然后根据船体航行方向与雷达天线波束指向的几何关系，计算船体运动引起的频移和展宽值，对步骤1中的频移和谱宽的初始值进行修正；
[0053] 船体运动引起的频移f△和展宽值b△由以下计算公式得到：
[0054]
[0055] 式中：vs为船速大小；α为船体航行方向与雷达天线波束指向的夹角；φaz为雷达天线方位波束宽度；λ为雷达波长；
[0056] 通过下式对频移和谱宽的初始值fd和bw进行修正，得到船载平台运动修正后的频移fmd和谱宽bmw，
[0057]
[0058] 步骤3，海洋环境参数匹配及测试参数影响分析对比：
[0059] 以测试时间作为联系进行匹配，将海杂波数据与测试区域的海洋环境参数测试数据进行匹配，然后按照浪向一致性判读、随擦地角变化趋势分析及平稳区域确定、海情和浪向影响对比、距离分辨率影响对比的顺序依次分析海杂波频移和谱宽的变化规律，具体步骤如下：
[0060] 步骤31，浪向一致性判读及海情等级划分：
[0061] 计算雷达天线波束指向与浪向间的夹角，判断相对浪向是逆浪、顺浪还是侧浪，并增加浪向一致性参数φcst，结合步骤2计算得到的频移修正值进行判读，对于符合逆浪条件下频移为正或顺浪条件下频移为负的数据将其对应的φcst赋值为1，否则赋值为0，侧浪条件对应的数据统一将φcst赋值为1，在以下分析过程中，优先选择φcst为1的海杂波数据；根据道格拉斯海情等级表，结合对应浪高值估算海情，标注每组海杂波数据对应海情等级，海情等级与相对浪向两两组合形成L种参数组合以及每种参数组合下对应的数据集；
[0062] 步骤32，随擦地角变化趋势分析及平稳区域确定：
[0063] 根据雷达距离采样单元长度将海杂波数据中的距离门序号换算为实际距离，结合雷达架设高度计算每一个距离门对应的擦地角，分别绘制L种参数组合下频移和谱宽随擦地角变化的散点分布图，然后利用曲线拟合分别得到L种参数组合下的频移和谱宽随擦地角的变化曲线，对每一种参数组合下的多组数据的频移值和谱宽值求平均，得到该参数组合下频移和谱宽均值随擦地角的变化趋势，截取曲线平稳区域对应的擦地角区间；
[0064] 步骤33，海情和浪向影响对比：
[0065] 首先求取需要分析的所有参数组合下的擦地角区间的交集，提取各组海杂波数据对应该擦地角区间交集内的频移和谱宽计算值，按海情等级和相对浪向形成的L种参数组合分类，将每种参数组合下的频移和谱宽计算值分别进行合并，绘制在逆浪、顺浪、侧浪情况下频移和谱宽随海情等级变化的散点分布图，对同一海情同一相对浪向的数据求取频移和谱宽的均值，记录均值随海情和浪向的变化趋势；
[0066] 步骤34，距离分辨率影响对比：
[0067] 对于L种参数组合的每一种组合，若具有不同距离分辨率的海杂波数据，在擦地角区间交集中，分别将每种距离分辨率下对应的频移值和谱宽值在距离向求自相关函数，并计算相关长度比较大小，然后统计每种距离分辨率下的谱宽值的概率密度分布，并分别采用高斯分布和伽马分布进行拟合，比较更接近哪一种分布，得到不同距离分辨率下海杂波在距离向的多普勒谱特性变化剧烈程度对比结果。
[0068] 以S波段某雷达海杂波数据为例，分别搭载了船载平台和岸基平台进行测试，按照本实施例步骤对海杂波数据进行以下处理：
[0069] 步骤1，海杂波平均多普勒谱估计及频移谱宽计算：
[0070] 基于获取的海杂波数据，首先采用Welch估计算法得到各组数据在每个距离门上的平均多普勒谱，然后搜索每个距离门的平均多普勒谱的最大值对应的频率值fmax，结合S波段实测数据多普勒谱曲线分布特点，设置fk＝200Hz，积分区间则为[fm-200,fm+200]，然后利用积分法估计得到频移和谱宽的初始值fd和bw。
[0071] 步骤2，船载平台的海杂波频移和谱宽修正：
[0072] 读取船载平台的姿态记录仪在海杂波测试时同步采集的经纬度值，本实施例按30秒间隔分段，提取每个时间段开始和结束处的船体所在的经纬度值，估算船速大小vs和航行方向 将其与雷达海杂波数据按时间信息进行匹配，读取该组数据雷达参数中的雷达天线波束指向即方位角，统一以正北方向为0°，计算雷达天线波束指向与船体航行方向的夹角，然后采用下式计算船体运动引起的在海面自身运动
基础上附加的频移f△和展宽值b△。
[0073]
[0074] 式中：α为船体航行方向 与雷达天线波束指向的夹角；φaz为雷达天线方位波束宽度；λ为雷达波长。进而对步骤1中的fd和bw进行修正，得到修正后的频移fmd和谱宽bmw，[0075]
[0076] 步骤3，海洋环境参数匹配及测试参数影响分析对比：
[0077] 以测试时间作为联系进行匹配，本实施例中首先将海杂波测试时间和海洋环境参数记录时间统一采用“年+月+日+时+分”的形式记录，对于每组海杂波数据，寻找与其时间相隔最近且小于一定的预设时间间隔
阈值的一组海洋环境参数，依次循环完成每组海杂波数据与海洋环境参数的匹配，然后按照以下步骤分析测试参数对海杂波谱特性的影响：
[0078] 步骤31，浪向一致性判读及海情等级划分：
[0079] 计算每组数据雷达天线波束指向与浪向间的夹角，判断相对浪向是逆浪、顺浪还是侧浪，并增加浪向一致性参数φcst，结合步骤2计算得到的频移修正值fmd进行判读，一般逆浪条件下频移为正，顺浪条件下频移为负，对于符合以上情况的数据将其对应的φcst赋值为1，否则赋值为0，侧浪条件对应的数据统一将φcst赋值为1，在以下分析过程中，优先选择φcst为1的海杂波数据；根据道格拉斯海情等级表，结合对应浪高值估算海情，标注每组海杂波数据对应海情等级，海情等级与相对浪向两两组合形成L种参数组合，每种参数组合下对应一个数据集。本实施例中海情等级和相对浪向情况如下：
[0080] 海情等级：2、3、4、5级；相对浪向：逆浪、顺浪、侧浪，且在每一种海情下均有三种浪向的海杂波数据；因此共计12种参数组合。
[0081] 步骤32，随擦地角变化趋势分析及平稳区域确定：
[0082] 根据雷达距离采样单元长度将海杂波数据中的距离门序号换算为实际距离，本实施例中需首先找出该S波段雷达
泄漏信号所在位置，将其作为第一个距离门，然后将变换后的距离门序号乘以距离采样长度60m，得到每个距离门和雷达发射天线的真实距离R，结合雷达架设高度H，利用arcsin(H/R)得到每个距离门对应的擦地角。分别绘制12种参数组合下频移和谱宽随擦地角变化的散点分布图，然后进行曲线拟合，本实施例中频移散点图采用多项式模型进行拟合，谱宽散点图采用指数模型进行拟合，如图2(a)，2(b)所示为S波段5级海情的逆浪、顺浪和侧浪条件三种参数组合下的海杂波数据的频移和谱宽随擦地角的散点分布图及曲线拟合结果。对每一种参数组合下的多组数据的频移值和谱宽值求平均，得到该参数组合下频移均值和谱宽均值随擦地角的变化趋势，截取曲线平稳区域对应的擦地角区间，对于不同参数组合，情况会有所差异，有时在整个区间内比较平缓，可作为一个区间，有时根据变化趋势急缓程度分为几个区间。
[0083] 步骤33，海情和浪向影响对比：
[0084] 首先求取需要分析的所有参数组合下的擦地角区间的交集[θ1,θ2]，对于本实施例中的12种参数组合，这个擦地角交集对于频移值为[0.5°,1°]，对于谱宽值为[0.7°,1°]。分别提取各组海杂波数据对应其擦地角交集内的频移和谱宽计算值，按12种参数组合对数据分类，将每类下所有数据的频移和谱宽计算值分别进行合并，绘制在逆浪、顺浪、侧浪情况下频移和谱宽随海情等级变化的散点分布图，对同一海情同一浪向的数据求取频移和谱宽的均值，记录均值随海情和浪向的变化趋势。如图3(a)，3(b)所示为逆浪条件下2到5级海情的海杂波频移和谱宽的散点分布图，图中“□”为频移和谱宽的均值。可以清晰看到，随着海情的升高，频移和谱宽逐步增高。
[0085] 步骤34，距离分辨率影响对比：
[0086] 对于本实施例的12种参数组合，均具有四种不同距离分辨率(60m，30m，15m，7.5m)的测试数据，在某一参数组合下，提取各组数据擦地角区间交集[θ1,θ2]内的频移值和谱宽值，在距离向求取自相关函数，并计算相关长度比较大小，如图4(a)，4(b)所示为4级海情逆浪条件下四种分辨率对应的频移和谱宽的距离相关函数，频移的距离相关长度分别为75m、45m、22.5m和15m，谱宽的距离自相关长度分别为60m、37.5m、22.5m和15m，相关长度越小，距离向的频移和谱宽变化程度越剧烈。
[0087] 然后统计每种距离分辨率下的谱宽值的概率密度分布，并分别采用高斯分布和伽马分布进行拟合，比较更接近哪一种分布，如图5(a)，5(b)，5(c)，5(d)所示为4级海情逆浪条件下四种分辨率的海杂波频移和谱宽与高斯分布和伽马分布的拟合结果，由图可见，在4级海情逆浪条件下，整体来看四种分辨率都更接近伽马分布，而且分辨率越高越接近伽马分布，说明随着分辨率的提高不同距离门之间的变化剧烈程度会越大。
