文 献 综 述

高频地波雷达的散射回波中含有一阶、二阶谱信号，这些信号与海况参数有关。所以从混合的回波信号分离出一阶、二阶谱信号是非常重要的。高频地波雷达工作期间，可以利用的频段资源非常有限；同时，周围环境中大量存在的各种外部干扰与噪声，使目标检测性能受到了严重限制。这些干扰主要包括射频干扰、瞬态干扰和电离层干扰。射频干扰主要来自广播电台、民用电台和近海工作的无线通讯系统，因具有很强的功率，出现时会严重影响雷达性能。

1955年，Crombie首次利用 13.56MHz高频雷达进行了海杂波试验，发现波长为数十米的电磁波与海洋相互作用将产生绕射现象，海面回波的多普勒频率与海态无关，主要存在2个由工作载频决定的Bragg峰。1966年，J. Wait证实了用Bragg散射理论解释海杂波的正确性并且指出：在单个正弦波列条件下，可以将一阶峰的幅度和特定波长的海浪高度联系起来。1972年，美国学者Barrick通过边界微绕法对实验发现的一阶、二阶散射现象进行了理论解释，建立了海杂波一阶、二阶散射截面方程。在单基研究基础上， Gill E W和Walsh J R等开展了双基地地波雷达海杂波的研究，建立了双基地雷达回波截面积的数学模型，分析了一阶、二阶海杂波特性以及杂波谱和海风、洋流等因素的联系。在海杂波一阶、二阶散射截面方程的基础上，在极坐标条件下, 把参与散射的二维海浪波数空间分解为无数一维海浪波数空间之和, 与之对应, 并将二阶海洋回波谱的模拟转化为固定波数下二阶回波子谱的模拟, 再将各二阶回波子谱叠加就得到完整的二阶海洋回波谱，而模拟海洋回波谱的常见方法是等频线积分法, 这一方法需要进行非线性方程求根, 求解过程中容易出现收敛速度慢、难以求解的困难，这一算法避免了传统的回波谱模拟过程中需求解非线性方程#8212; 等频线方程的麻烦。

目前，风与海浪反演基于半经验公式从回波谱中求取，而前提条件是分离海洋回波谱中的一、二阶谱信息。一阶回波主要包含海洋表面流信息，二阶回波包含着整个风浪场的浪高谱信息。由于通常二阶回波比一阶回波低20dB，在提取海洋表面流时，二阶回波及高阶回波被当成噪声处理。分离一阶谱是提取海洋表面流过程的重要一步。窄波束高频地波雷达海洋回波信号只来自于波束指向的确定方位，多普勒结构简单，其一阶谱表现为很窄的尖峰。因此窄波束高频地波雷达分离一阶谱区就是直接寻找一阶峰的位置，或利用参数谱估计方法。从宽波束海洋回波多普勒谱分离一阶谱区要复杂些。不同方位的回波同时被雷达接收，每一个方位的一阶海洋回波都具有对应于一阶峰的两个主要的窄带分量，这些窄带分量因相应方位海元上的径向流速不同而有不同的多普勒漂移，进而出现Bragg峰展宽。而且某一方向回波的一阶峰往往位于其他方向回波的高阶谱区内，一阶谱区和高阶谱区的边界模糊。单纯利用一阶谱和二阶谱的结构特点分离显然不够。由高频雷达海洋回波探测海浪谱的困难在于如何高精度反演非线性的二阶雷达截面方程。二阶雷达散射截面可以从回波的二阶多普勒谱区得到。但由于一阶、二阶、高阶谱区及各种噪声混杂在一起，很难分离。现有的分离主要是针对窄波束情形，Hasselmann指出对于一阶峰值附近的二阶多普勒谱区，参与二阶散射的两列海浪中一列为短浪，由此得到二阶雷达散射截面方程成立的有效谱区范围。事实上，就是从整个频域上扣除一阶谱域。这样做的缺点是，一阶谱区分离的误差不可避免，进而传递给二阶谱区的分割。Stankovic等人利用特征值分解方法对时频信号进行分析，将时频信号分量表达成Wigner分布的和，进而分析和处理雷达信号。 Andrew将高频地波雷达的信号表达成AR（自回归）模，并对有关频谱的特征做了深入的研究，由此构造了滤波器，得到一阶峰和二阶谱。

本论文从回波形成的机理出发，建立一阶、二阶谱信号的数学模型，分析一阶、二阶谱之间的区别，包括证明其统计独立性，以及不同的频谱特征。然后，建立基于信号彼此独立和频谱特征的分离模型，构造相应的算法实现信号分离。最后，将有关算法应用于真实的地波雷达数据中。

参考文献：

[1] Lipa B J, Barrick D E. Extraction of Sea State From HF Radar Sea Echo: Mathematical Theory and Modeling, Radio Sci, 1986, 21: 81-100.

[2] Barrick D E. First-Order Theory and Analysis of MF/HF/VHF scatter from the Sea. IEEE Trans. Antennas Propag, 1972, AP-20: 2-10.

[3] Howell R, Walsh J, Measurement of Ocean Wave Spectra using a Ship-Mounted HF Radar, IEEE J. Oceanic Engineering, Vol 18, 306-310 4.

[4] 姚敏等，高频地波雷达浪高参数提取的一种新算法，电子学报，2006, Vol. 34, No 9, 1729-1733.