本发明涉及高频地波雷达探测领域，具体涉及高频地波雷达电离层杂波抑制方法。
背景技术
高频地波雷达具有独特的超视距和全天候探测能力，广泛应用于舰船和飞机等运动目标的探测和海洋观测。在实际应用中，由于地波雷达发射天线做不到完全理想地使电磁波沿海面传播，因此虽然大部分能量能够沿水平面发射，但仍不可避免地存在小部分能量向上发射，并经由电离层传播反射回来，被雷达所接收形成了电离层杂波。
电离层杂波能量很强，由于电离层电子浓度和高度的时变特性，杂波通常在距离维和多普勒维均有扩展，表现出明显的非平稳信号特征，这些杂波经常使雷达在相应距离上性能急剧下降甚至失效，严重影响了雷达的探测性能。在海态反演应用中，电离层杂波能量有时甚至超过海浪回波的能量，对于海洋信息的提取十分不利，其不确定性也为杂波消除带来了极大的困难。因此，对高频地波雷达电离层杂波抑制一直是研究的难点和亟待解决的问题。
目前现有的电离层杂波抑制方法包括自适应波束形成技术、极化滤波技术等。自适应波束形成技术是通过让阵列天线方向图的主瓣指向所需方向，使波束的副瓣与外部干扰的分布相适应来抑制干扰，但它对天线主瓣波束宽度有一定的限制,因而不宜应用于宽波束雷达。极化滤波技术是利用目标和干扰在极化域的特征来进行滤波处理，由于该技术需要较多的水平天线使系统变得复杂，故在高频地波雷达的实际工程应用中很少采用。常用于高频地波雷达杂波抑制的特征值分解法以及基于时频分析、基于(多普勒)频域滤波的干扰检测和抑制方法，则较多地用来抑制高频雷达中的窄带射频干扰以及瞬态冲击干扰(主要是流星余迹干扰和雷电干扰)。采用特征值分解法抑制高频地波雷达电离层杂波的同时，也会造成一阶bragg峰信息的缺失以及海浪回波能量的减弱。
电离层一般包括d层、e层和f层。高频地波雷达所接收的电离层杂波可能存在的传播模式主要包括es(或e)层直接回波、f层直接回波以及es(或e)层海面模式回波等，根据其杂波分布情况可分为聚集区和扩散区。经由天波、海洋调制的混合路径产生的电离层杂波，存在于电离层高度之上且存在较大的距离扩展，由于闪烁等原因，其时频分布显得模糊散乱，有时强于海洋回波，这样的杂波区域称为扩展区。对应于天顶方向的es层直接回波距离分布较集中且能量通常很强，有着聚集的时频分布，形成的集中分布条带状区域称为聚集区，通常出现在雷达距离-多普勒谱(r-d谱)杂波区的最底部。因es层的强反射作用，在r-d谱的上方存在es层杂波的一跳和二跳回波等，这些杂波区域能量一般较强且很集中，也属于聚集区。由于电离层es层的厚度非常薄，通常情况下为百米量级，而高频地波雷达的距离分辨率为数公里，因此es层杂波及其多跳回波在回波谱图上出现的距离相对集中，能量也主要集中在邻近的几个距离单元上(多为3至5个距离元)。聚集区杂波对同距离的有用信号形成压制性影响，必须对其进行抑制。
技术实现要素：
本发明的目的是为了解决现有方法较多地用来抑制高频雷达中的窄带射频干扰以及瞬态冲击干扰，不能很好的抑制电离层的干扰，且不宜应用于宽波束雷达，以及会造成一阶bragg峰信息的缺失以及海浪回波能量的减弱的问题，而提出一种高频地波雷达电离层杂波抑制方法。
一种高频地波雷达电离层杂波抑制方法包括以下步骤：
步骤一：由雷达距离-多普勒谱(r-d谱)，根据电离层杂波分布特性，按距离由近至远确定对应每个电离层杂波聚集区的杂波中心距离元ki,i＝0,1,…,p-1，对应es层杂波及其一跳回波、二跳回波等，p为电离层杂波聚集区的个数；
步骤二：根据步骤一确定的杂波中心距离元ki，计算电离层杂波在杂波中心距离元ki和与其相邻的距离元ki+1上的距离相关系数
步骤三：设置电离层杂波聚集区的相关系数参考阈值th1，比较由步骤二得到的距离相关系数
步骤四：利用电离层es层杂波与其多跳回波之间的互相关性，计算电离层es层聚集区的杂波中心距离元d0与第j跳回波聚集区的杂波中心距离元dj的互相关系数
步骤五：设置电离层杂波聚集区的互相关系数参考阈值th2，将步骤四求得的每个互相关系数
步骤六：由步骤五筛选得到的每个满足条件的杂波中心距离元dj，对应的雷达接收回波谱信号记为
步骤七：对应每个满足条件的dj，由步骤六得到相应的聚集区信号矩阵
步骤八：根据步骤七得到的多聚集区联合参考矩阵x，求得x的相关矩阵的最大似然估计r；
步骤九：对步骤八求得的最大似然估计r进行特征值分解，得到降序排列的特征值λs和与λs相对应的特征向量vs，s为特征值的个数；
步骤十：在r中，电离层杂波的能量所占比重较大，在步骤十得到的特征向量vs中，认为前l个大的特征值所对应的特征向量为电离层杂波的特征向量，取前l(l为经验值)个大的特征值所对应的特征向量为电离层杂波的特征向量，构成矩阵，形成电离层杂波子空间特征向量矩阵v；
步骤十一：利用步骤十得到的特征向量矩阵v，构造正交投影矩阵p；
步骤十二：通过将步骤七得到的多聚集区联合参考矩阵x，投影到由步骤十一确定的正交投影矩阵p的正交子空间上，来消除待处理距离元上与多聚集区联合参考矩阵相关的电离层杂波，求出待处理聚集区经过正交投影处理后的杂波抑制信号矩阵y。
本发明的有益效果为：
本发明的目的是提供一种基于多聚集区距离相关性的高频地波雷达电离层杂波抑制方法，以解决现有背景技术中存在的问题，更好的实现电离层杂波抑制，提高高频地波雷达的探测性能。
本发明相对传统杂波抑制算法，利用电离层多聚集区杂波之间的互相关性来完成对消处理，在抑制电离层杂波的同时，保留海浪回波及一阶bragg峰的信息，减少正常海洋回波能量的下降。
经过本发明方法处理后，雷达回波谱中的强电离层杂波被明显抑制，杂波抑制幅度提高，回波信杂噪比获得显著改善。
实施例一中定量分析本发明的抑制效果，以两个一阶bragg峰为信号，信号以外的其余部分为杂波和噪声基底，分别计算算法处理前后的信杂噪比，计算两者差值可以得到杂波抑制幅度，它反映了算法的真实性能。取121.5km处的回波数据计算，得到处理前回波谱的信噪比为14.74db，处理后回波谱的信噪比为30.65db，信噪比改善幅度提高15.91db，杂波抑制的效果明显。
实施例二中定量分析本发明的抑制效果，分别计算算法处理前后的信杂噪比。取119km处的回波数据计算，得到处理前回波谱的信噪比为13.01db，处理后回波谱的信噪比为25.03db，信噪比改善幅度提高12.02db，杂波抑制的效果明显。
附图说明
图1为实施例一电离层杂波严重的原始回波r-d谱；
图2为实施例一杂波聚集区的原始回波谱；
图3为实施例一杂波对消处理后的回波r-d谱；
图4为实施例一聚集区杂波对消处理前后的回波谱对比图；
图5为实施例二电离层杂波严重的原始回波r-d谱；
图6为实施例二杂波聚集区的原始回波谱；
图7为实施例二杂波对消处理后的回波r-d谱；
图8为实施例二聚集区杂波对消处理前后的回波谱对比图；
图9为本发明流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：一种高频地波雷达电离层杂波抑制方法包括以下步骤：
步骤一：由雷达距离-多普勒谱(r-d谱)，根据电离层杂波分布特性，按距离由近至远确定对应每个电离层杂波聚集区的杂波中心距离元ki,i＝0,1,…,p，对应es层杂波及其一跳回波、二跳回波等，p为杂波中心距离元的个数；
步骤二：根据步骤一确定的杂波中心距离元ki，计算电离层杂波在杂波中心距离元ki和与杂波中心距离元相邻的距离元ki+1上的距离相关系数
步骤三：研究表明，正常海洋回波信号的距离相关系数为0.6至0.8，而聚集区内杂波的距离相关系数则超过0.88。因此可以利用聚集区内邻近距离元回波信号的强相关性，来区别正常海洋回波信号与聚集区杂波。
根据高频地波雷达回波信号的距离相关系数分布情况，设置电离层杂波聚集区的相关系数参考阈值th1，比较由步骤二得到的距离相关系数
步骤四：电离层杂波不仅在每个聚集区内有很强的相关性，在es层杂波与其多跳回波形成的多个聚集区之间也存在着很强的互相关性。由实测数据的相关性计算结果可知，es层杂波与其多跳回波之间的互相关系数为0.65至0.8，而正常海洋回波信号与es层杂波及多跳回波的互相关系数小于0.45，即前者的互相关性大于后者的互相关性。因此可以利用es层杂波与其多跳回波形成的多个聚集区之间的互相关性，来实现对多个聚集区中包含强电离层干扰雷达回波信号的杂波抑制。
利用电离层es层杂波与其多跳回波之间的互相关性，计算电离层es层聚集区的杂波中心距离元d0与第j跳回波聚集区的杂波中心距离元dj的互相关系数
步骤五：根据es层杂波与其多跳回波形成的多个聚集区之间的互相关系数分布情况，设置电离层杂波聚集区的互相关系数参考阈值th2，将步骤四求得的每个互相关系数
步骤六：由步骤五筛选得到的每个满足条件的杂波中心距离元dj，对应的雷达接收回波谱信号记为
步骤七：对应每个满足条件的dj，由步骤六得到相应的聚集区信号矩阵
步骤八：根据步骤七得到的多聚集区联合参考矩阵x，求得x的相关矩阵的最大似然估计r；
步骤九：对步骤八求得的最大似然估计r进行特征值分解，得到降序排列的特征值λs和与λs相对应的特征向量vs，s为特征值的个数；
步骤十：在r中，电离层杂波的能量所占比重较大，在步骤十得到的特征向量vs中，认为前l个大的特征值所对应的特征向量为电离层杂波的特征向量，取前l(l为经验值)个大的特征值所对应的特征向量为电离层杂波的特征向量，构成矩阵，形成电离层杂波子空间特征向量矩阵v；
步骤十一：利用步骤十得到的特征向量矩阵v，构造正交投影矩阵p；
步骤十二：通过将步骤七得到的多聚集区联合参考矩阵x，投影到由步骤十一确定的正交投影矩阵p的正交子空间上，来消除待处理距离元上与多聚集区联合参考矩阵相关的电离层杂波，求出待处理聚集区经过正交投影处理后的杂波抑制信号矩阵y。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤二中计算电离层杂波在杂波中心距离元ki和与杂波中心距离元相邻的距离元ki+1上的距离相关系数
其中x(ki)为雷达在第ki个距离元上的回波数据，cov[x(ki),x(ki+1)]为第ki个距离元与第ki+1个距离元上回波数据的协方差，var[x(ki)]为x(ki)的方差；
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤四中计算电离层聚集区的杂波中心距离元d0与第j跳回波聚集区的杂波中心距离元dj的互相关系数
其中x(d0)为雷达在es层聚集区的杂波中心距离元d0上的回波数据，x(dj)为雷达在第j跳回波聚集区的杂波中心距离元dj上的回波数据，cov[x(d0),x(dj)]为电离层es层杂波与其第j跳回波数据的协方差，var[x(dj)]为x(dj)的方差；
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述步骤六中使用每个有效距离元信号
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤七中取
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤八中根据步骤七得到的多聚集区联合参考矩阵x，求得x的相关矩阵的最大似然估计r具体为：
其中xh为x的共轭转置。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤九中对步骤八求得的最大似然估计r进行特征值分解，得到降序排列的特征值λs和与λs相对应的特征向量vs的具体过程为：
其中
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述步骤十中取前l个大的特征值所对应的特征向量为电离层杂波的特征向量，构成矩阵，形成电离层杂波子空间特征向量矩阵v具体为：
v＝[v1,…,vl]
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述步骤十一中利用步骤十得到的特征向量矩阵v，构造正交投影矩阵p的具体为：
p＝i-vvh
其中vh为v的共轭转置。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述步骤十二中求出待处理聚集区经过正交投影处理后的杂波抑制信号矩阵y的具体过程为：
y＝xph
其中ph为p的共轭转置；
得到的矩阵y是杂波抑制后各聚集区回波的联合矩阵，即：
其中
其它步骤及参数与具体实施方式一至九之一相同。
实施例一：
实验中采用的数据来源于哈尔滨工业大学电子所某雷达实验站于2016年4月10日下午18时采集的实测数据，表1给出雷达的相关参数。
表1雷达系统参数
根据相关要求，部分参数不予给出，以*代替。
原始雷达回波数据经两次fft运算、一次dbf运算后得到回波数据的方位-距离-多普勒谱(ard谱)，由ard谱可得到每个波束的距离-多普勒谱(r-d谱)和每个距离元的多普勒谱。当高频地波雷达受到很强的电离层杂波干扰时，其第4波束上接收回波的r-d谱和聚集区的回波谱如图1和图2所示。图1中120km，240km和350km附近呈横向条带状分布的杂波分别为es层杂波、一跳回波和二跳回波，相应区域为杂波集中分布的聚集区，图2选取杂波聚集区内一个距离门上的数据，在多普勒频率-0.2hz和0.2hz附近相对零频对称的两个尖峰是一阶bragg峰，可以看出聚集区内的电离层杂波很强，对需要提取的一阶bragg峰信息造成了很大影响。
采用基于多聚集区距离相关性的高频地波雷达电离层杂波对消算法，取r＝4,l＝8，
图3给出了利用多聚集区距离相关性对消处理后得到的回波r-d谱，从图中可以看出，经过算法处理后，聚集区的电离层杂波被明显抑制，同时保留了一阶bragg峰的信息，正常海洋回波能量也没有明显减弱。
图4给出了利用多聚集区距离相关性对消处理前后得到的回波谱对比图，从图中可以看出，经过算法处理后，两个一阶bragg峰之间及bragg峰附近的强电离层杂波被明显抑制。
定量分析本发明的抑制效果，以两个一阶bragg峰为信号，信号以外的其余部分为杂波和噪声基底，分别计算算法处理前后的信杂噪比，计算两者差值可以得到杂波抑制幅度，它反映了算法的真实性能。取121.5km处的回波数据计算，得到处理前回波谱的信噪比为14.74db，处理后回波谱的信噪比为30.65db，信噪比改善幅度提高15.91db，杂波抑制的效果明显。
实施例二：
实验中采用的数据来源于哈尔滨工业大学电子所某雷达实验站于2016年4月10日下午19时采集的实测数据，表2给出雷达的相关参数。
表2雷达系统参数
根据相关要求，部分参数不予给出，以*代替。
原始雷达回波数据在第4个波束上接收回波的r-d谱和聚集区的回波谱如图5和图6所示。图5中120km，240km和350km附近为杂波集中分布的聚集区。图6选取杂波聚集区内一个距离门上的数据，在多普勒频率-0.2hz和0.2hz附近相对零频对称的两个尖峰是一阶bragg峰。
图7给出了利用多聚集区距离相关性对消处理后得到的回波r-d谱，从图中可以看出，经过算法处理后，聚集区的电离层杂波被明显抑制，同时保留了一阶bragg峰的信息，正常海洋回波能量也没有明显减弱。
图8给出了利用多聚集区距离相关性对消处理前后得到的回波谱对比图，从图中可以看出，杂波对消处理前，正一阶bragg峰被电离层杂波淹没，算法处理后，两个一阶bragg峰之间及bragg峰附近的强电离层杂波被明显抑制，被淹没的正一阶bragg峰显现出来。
定量分析本发明的抑制效果，分别计算算法处理前后的信杂噪比。取119km处的回波数据计算，得到处理前回波谱的信噪比为13.01db，处理后回波谱的信噪比为25.03db，信噪比改善幅度提高12.02db，杂波抑制的效果明显。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。