天波超视距雷达电离层相位污染及多模传播抑制研究

An investigation into key scientific problems of ionospheric phase contamination and multimode propagation suppression for sky-wave over-the-horizon radar is carried out in this project. The problems include phase contamination classification, identification and comprehensive suppression, multimode propagation suppression, multimode propagation and phase contamination coexisting suppression, etc. Combined with the ionospheric radio propagation characteristics and signal processing techniques, a study on ionopsheric phase contamination classification and identification is developed and an algorithm of comprehensive suppression for ionopsheric phase contamination with expanding working conditions and improving adaptabilities is proposed. As viewed from the ionospheric radio propagation, an algorithm of extracting the backscatter propagation mode regions is proposed by applying signal processing, image processing and radio propagation characteristic synthetically. Thereby, multimode propagation suppression based on working frequency selection is realized. Using high-resolution spectrum estimation and time-frequency analysis techniques, an algorithm of high-resolution time-frequency analysis is carried out with an idea of processing the echo data directly using time-frequency analysis to suppressing the phase contamination and multimode propagation coexistence is proposed. The theoretical storage and technique supports are provided during this study for improving the ship detection of sky-wave over-the-horizon radar.

本项目针对天波超视距雷达电离层相位污染与多模传播抑制方面存在的关键科学问题开展研究，这些问题包括相位污染分类、类型识别及综合抑制，多模传播抑制，多模传播与相位污染共存抑制等。 项目结合电离层电波传播特性及信号处理技术，开展电离层相位污染分类与类型识别技术研究，给出电离层相位污染综合抑制算法，拓宽其使用条件并提升对各种电离层相位污染类型的适应性；从电离层电波传播角度出发，综合应用信号处理、图像处理、电波传播特性给出返回散射传播模式区提取算法，实现基于工作频率选择的多模传播抑制；综合利用高分辨谱估计和时频分析技术，给出高分辨时频分析算法，提出直接进行回波数据时频分析处理，实现相位污染与多模传播共存抑制。为提升天波超视距雷达舰船目标检测能力提供理论储备和技术支撑。

电离层的非平稳性和多层结构，引起高频天波雷达地/海杂波频谱展宽、多普勒谱发生重叠、存在两个以上的布拉格峰，已经成为制约海面慢速目标检测能力、海态参数反演精度的重要因素。针对电离层相位污染与多模传播抑制问题本项目开展了相位污染分类、类型识别及综合抑制、多模传播抑制及相位污染与多模传播共存抑制等关键科学问题的研究，并基于试验数据开展了理论成果的实验验证。为提升天波超视距雷达舰船目标检测能力及海洋环境监测的应用提供理论储备和技术支撑。.在国家自然科学基金的资助下，研究工作中所取得的成果主要包括：.1..结合电离层电波传播特性，分析研究回波数据相位变化快慢特性，基于相位扰动特征参数首次建立了电离层相位扰动分类识别准则。.2..首次提出一种基于数据挖掘理论中聚类分析技术的电离层相位污染类型识别方法，实现了不同类型相位污染的自动识别。.3..综合应用电波传播特性及信号处理算法，深入分析了各典型解污染方法的使用条件，给出了不同类型电离层相位污染的适应性抑制方法。.4..首次指出基于频率选择的多模传播抑制思想的核心问题是全频段模式信息获取，并提出通过提取返回散射探测传播模式区解决的方法。.5..首次提出一种返回散射电离图前沿（含后沿和尾沿）提取算法，实现了多模情况模式区域的提取，成功解决了全频段模式信息获取问题。.6..通过对电离层多模抑制方法的深入研究，证明“已知传播模式数目”是制约该类方法抑制效果的重要先验条件。.7..首次提出一种相位污染和多模检测与识别方法，实现了无相位污染和多模、仅存在相位污染、仅存在多模、相位污染和多模共存四类情形检测与识别。.8..建立了一种基于特征分解的多模杂波抑制方法，该方法利用具有高度相关性的群距离单元信号向量构造协方差矩阵，结合特征分解和滑动模板滤波处理，实现了杂波信号的有效抑制。.9..首次提出针对相位污染与多模共存的情况，当典型解污染方法基本失效时，采用时/频分布方法从整个回波的时/频域分析检测目标的方法。.10..建立了一种高分辨时频分析改进方法，能够在时/频域上均获得较好的分辨力，针对相位污染和多模并存的复杂情况具有更好的目标检测性能。.11..基于短时傅立叶变换和平滑伪威格勒分布建立了一种联合时频分析方法，在相位污染和多模并存的复杂情况能够使杂波谱更加锐化，从而清晰地显露舰船等低速目标。