（信号与信息处理专业论文）高距离分辨率海杂波背景下目标检测方法.pdf

摘要l l i l t1 i rl l l li ii 11i iiil y 2 0 6 7 7 8 0本文主要研究高分辨海杂波背景下的若干目标检测技术。海杂波中的目标检测一直是重要的研究课题，也是雷达信号处理中最复杂的问题之一，在军事、民用领域均有广阔的应用前景。高距离分辨海杂波表现出空时非平稳特性和非高斯特性，这些特性严重影响了海面上空的空中目标和海面漂浮目标的检测。基于实测i p i x 雷达采集的海杂波数据，研究了海面上空的低空目标和海表面的漂浮目标的检测算法。针对目前广泛应用在海杂波背景下的自适应归一化匹配滤波检测器，分析了该检测器的内在矛盾，并提出了多种解决方案缓解这一矛盾，主要包括使用距离过采样样本、杂波抑制算法、块自适应归一化匹配滤波检测器和子带自适应归一化匹配滤波检测器，这些算法均建立在加性模型的基础上，适用于检测海面上空的低空目标。最后，为了更好地检测海面漂浮小目标，提出了非加性模型下的三特征检测算法。本文的主要研究成果可概括为以下五部分：第一部分，介绍了海杂波的模型，明确了海杂波的空间均匀性，描述了相干检测算法的发展历程，指出了长的积累时间与有限的参考样本数量之间的矛盾是自适应归一化匹配滤波检测器的内在矛盾，最后，介绍了i p i x 雷达采集的实测数据，为后续的研究奠定基础。第二部分，研究了自适应归一化匹配滤波检测器在距离过采样背景下的性能增益。自适应归一化匹配滤波检测器的检测性能与估计的协方差矩阵密切相关。样本协方差矩阵估计器作为一种最常见的协方差估计算法，已经在独立同分布的高斯参考样本下有了彻底研究，但是在距离过采样的样本情况下却没有被研究。现役雷达系统的接收机采用距离过采样技术，参考样本在空间上是相关的。我们参考气象和海洋雷达中的距离过采样模型，建立了距离过采样杂波向量的空间相关模型，分析了样本协方差矩阵估计器的误差，得出了过采样增益。过采样增益是与过采样因子和雷达接收机带宽密切相关的。过采样增益评价自适应归一化匹配滤波检测器的性能改善。实测的雷达数据实验结果显示，距离过采样技术使得自适应归一化匹配滤波检测器的性能有了显著的改善。第三部分，研究了高分辨海杂波背景下的杂波抑制算法和目标检测算法。该内容分为两部分：杂波抑制和目标检测。在杂波抑制部分，利用邻近的距离单元和邻近的时间区间里的时间序列计算功率谱，提出了一个基于中值的估计器来估计高分辨海杂波的功率谱，该估计器对少量异常变化的时间序列是稳健的。基于估计的功率谱，设计了一个块自适应杂波抑制滤波器来抑制积累前的杂波。在目标检测部分，由于滤波后的残余杂波服从球不变随机向量模型，将自适应归一化匹配滤波检测器延伸到残余杂波中，得到了残余杂波的自适应归一化匹配滤波检测器。紧接着，注意到高分辨海杂波和残余杂波的近似平稳时间远小于目标回波的相干处理时间，为了积累更多的脉冲，并且同时提高检测性能，我们又提出了一个具有启发式的块自适应归一化匹配滤波检测器。最后，在实测海杂波背景下，实验结果表明，当仿真目标不位于强杂波区时，自适应归一化匹配滤波检测器和块自适应归一化匹配滤波检测器在残余杂波环境下获得了更好的检测性能，鉴于此，提出了双通道检测机制。第四部分，研究了高分辨海杂波背景下子带自适应归一化匹配滤波检测器。高距离分辨海杂波的空时非平稳特性限制了自适应归一化匹配滤波检测器的检测性能，具体表现在：杂波的空间非平稳性限制了可获得的参考空间样本数，杂波的时间非平稳性限制了积累时间。为了解除这个限制，提出了子带自适应归一化匹配滤波检测器，它包括一个d f t 调制滤波器组和紧跟其后的一系列自适应归一化匹配滤波检测器。滤波器组的功能是将接收的时间序列低速率地分解成子带时间序列，它具有如下的优点：子带分解抑制通带外的杂波和改善杂波的短期平稳性。由于子带杂波具有更好的短期平稳性和更低的速率，子带自适应归一化匹配滤波检测器比自适应归一化匹配滤波检测器拥有更长的积累时间。实测的杂波数据实验结果显示子带自适应归一化匹配滤波检测器优于自适应归一化匹配滤波检测器。第五部分，研究了海面漂浮小目标的特征检测算法。海面目标改变了周围海面的散射几何结构，高分辨雷达的散射回波不再满足传统的加性模型，而是满足非加性模型。基于这个非加性模型，我们将目标检测问题转化为一种特殊的只含有一类的分类问题：纯杂波模式。提取平均功率、多普勒偏移以及多普勒带宽组成一个三维的特征向量，在三维特征空间里设计三特征检测算法。利用提出的凸包训练算法训练纯杂波模式下三维空间的检测区域，该检测区域由具有多面体结构的凸包构成，它存在快速的设计算法。利用i p i x 雷达数据的实验结果表明在检测海面漂浮小目标时，三特征检测算法比已有的检测算法具有更优越的性能。关键词：高距离分辨海杂波目标检测a n m f 检测器距离过采样杂波抑制滤波器组特征检测凸包i p i x 雷达a b s t r a c tt h em a i nr e s e a r c hi nt h ed i s s e r t a t i o ni ss e v e r a lt a r g e td e t e c t i o nm e t h o d si nh i g hr a n g er e s o l u t i o ns e ac l u t t e r d e t e c t i o ni ns e ac l u t t e ri sa ni m p o r t a n ti s s u e ，a n di ti so n eo ft h em o s tc o m p l e xp r o b l e m si nr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n g t a r g e td e t e c t i o ni ns e ac l u t t e rc a np o t e n t i a l l yb eu t i l i z e di nm i l i t a r ya n dc i v i lf i e l d d u et ot h es p a t i a l - t e m p o r a ln o n -s t a t i o n a r i t ya n dn o n g a u s s i a np r o p e r t yo fh i g hr a n g er e s o l u t i o ns e ac l u t t e r , t a r g e td e t e c t i o nm e t h o d sb e c o m ec o m p l i c a t e df o rt h ea i r c r a f t so v e rt h es e aa n dt h ef l o a t i n gt a r g e t so nt h es e as u r f a c e b a s e do nt h er e a li p i xr a d a rs e ac l u t t e r , t h ep a p e rf o c u s e so nt h et a r g e td e t e c t i o n sf o rt h ea i r c r a f t so v e rt h es e aa n dt h ef l o a t i n gt a r g e t so nt h es e as u r f a c e a d a p t i v en o r m a l i z e dm a t c h e df i l t e r ( a n m f ) d e t e c t o ri sw i d e l yu s e di ns e ac l u t t e rf o rt a r g e td e t e c t i o n w ea n a l y z et h ei n t r i n s i cc o n f l i c ti nt h ea n m fd e t e c t o r , a n dp r o p o s es o m es c h e m e st oa l l e v i a t et h ec o n f l i c t t h em a i nw o r ki n c l u d e st h eu t i l i z a t i o no fr a n g e -o v e r s a m p l e ds a m p l e s ，c l u t t e rs u p p r e s s i o na l g o r i t h m ，b - a n m fd e t e c t o r , a n ds u b b a n da n m fd e t e c t o r a l lt h ea l g o r i t h m sm e n t i o n e da b o v ea r eb a s e do nt h et r a d i t i o n a la d d i t i v em o d e l ，a n da r ea p p l i e dt od e t e c t i n ga i r c r a f t so v e rt h es e a f i n a l l y , at r i f e a t u r e s b a s e dd e t e c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rb e t t e rd e t e c t i n gt h ef l o a t i n gt a r g e t so nt h es e as u r f a c e t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w s t h ef i r s tp a r ti n t r o d u c e st h em o d e lo fs e ac l u t t e r , d e f i n e st h eh o m o g e n e o u ss e ac l u t t e r ,m a k e sad e t a i l e da n a l y s i so nt h ed e v e l o p m e n to fc o h e r e n td e t e c t o r s ，a n dp o i n t so u tt h a tt h ei n t r i n s i cc o n f l i c ti nt h ea n m fd e t e c t o ri sb e t w e e nt h el o n gi n t e g r a t i o nd u r a t i o na n dt h ef i n i t es e c o n d a r ys a m p l e s f i n a l l y , w ei n t r o d u c et h er e a ls e ac l u t t e rd a t ac o l l e c t e db yi p i xr a d a r ，w h i c hf o r m st h eb a s i sf o rt h ef o l l o w i n gs t u d y t h es e c o n dp a r tf o c u s e so nt h ep e r f o r m a n c eg a i no fa n m fd e t e c t o ri nr a n g e o v e r s a m p l i n gc a s e t h ep e r f o r m a n c eo fa n m fd e t e c t o rd e p e n d so nt h ee s t i m a t i o no fc l u t t e rc o v a r i a n c em a t r i x a sa na v e r a g ee s t i m a t o r , t h es a m p l ec o v a f i a n c em a t r i x ( s c m )e s t i m a t o rh a sb e e nt h o r o u g h l ya n a l y z e df o ri n d e p e n d e n ta n di d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e dg a u s s i a nc l u t t e rv e c t o r s ，b u tn o tf o rt h er a n g e o v e r s a m p l e ds e c o n d a r ys a m p l e s m a n yr a d a rs y s t e m so ns e r v i c eu s er a n g e o v e r s a m p l e dr e c e i v e r s t h u s ，t h es e c o n d a r ys a m p l e sa r ec o r r e l a t e di ns p a t i a l l y r e f e r r e dt ot h er a n g e - o v e r s a m p l e dm o d e li nt h ew e a t h e ra n do c e a n i cr a d a r s ，t h es p a t i a lc o r r e l a t i o nm o d e lo fr a n g e o v e r s a m p l e dc l u t t e rv e c t o r si se s t a b l i s h e d ，t h ee r r o ro ft h es c me s t i m a t o ri sa n a l y z e d ，a n dt h er a n g e o v e r s a m p l i n gg a i n ，r e l e v a n tt ot h eo v e r s a m p l i n gf a c t o ra n dt h er e c e i v e r sb a n d w i d t h ，i sd e r i v e d t h er a n g e o v e r s a m p l i n gg a i ni su s e dt oe v a l u a t et h eg a i no fp e r f o r m a n c eo fa n m fd e t e c t o r t h ee x p e r i m e n t su s i n gr e a lr a d a rc l u t t e rd a t aa r em a d et ov e r i f yt h er a n g e o v e r s a m p l i n gg a i n ，s h o w i n gt h a tt h er a n g e - o v e r s a m p l i n gi m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eo fa n m fd e t e c t o r t h et h i r dp a r ti sc o n t r i b u t e dt oc l u r e rs u p p r e s s i o na l g o r i t h ma n dt a r g e td e t e c t i o ni nh i g hr a n g er e s o l u t i o ns e ac l u t t e r t h et h e s i sb a s i c a l l yc o n s i s t so ft w op a n s ：c l u t t e rs u p p r e s s i o na n dt a r g e td e t e c t i o n i nt h ep a r to fc l u t t e rs u p p r e s s i o n ，i tc o m m e n c e sw i t hap r o p o s a lo fm e d i a n b a s e de s t i m a t o rt oe s t i m a t et h ep o w e rs p e c t r u mo fh i g hr e s o l u t i o ns e ac l u t t e rb yt h et i m es e r i e so b s e r v e di na d j a c e n tr a n g ec e l l sa n dt i m ei n t e r v a l s t h ee s t i m a t o rp r o v i d e sar o b u s te s t i m a t i o nw h e nj u s taf e wa b e r r a n tt i m es e r i e sh a p p e ni no b s e r v a t i o n b a s e do nt h ee s t i m a t o r , ab l o c k - a d a p t i v ec l u t t e rs u p p r e s s i o nf i l t e r ( b a c s f )i sd e s i g n e dt os u p p r e s st h ec l u t t e rp r i o rt ot h ep u l s ei n t e g r a t i o n i nt h ep a r to ft a r g e td e t e c t i o n ，d u et ot h a tt h er e s i d u a lc l u t t e r , t h eo u t p u to ft h eb a c s f , i sm o d e l e da ss p h e r i c a l l yi n v a r i a n tr a n d o mv e c t o r ( s i r v ) ，u p o na p p l y i n ga na n m fd e t e c t o rt ot h er e s i d u a lc l u t t e r , ar e s i d u a lc l u t t e r sa n m fd e t e c t o ri sd e r i v e d m o r e o v e r , i nh i g hr e s o l u t i o nr a d a rb a c k g r o u n d ，c o n s i d e r i n gt h a tt h ea p p r o x i m a t e l ys t a t i o n a r yi n t e r v a l so fs e ac l u t t e ra n dr e s i d u a lc l u t t e ra r em u c hs h o r t e rt h a nt h ec o h e r e n tp r o c e s s i n gi n t e r v a l( c p i ) ，a n o t h e rh e u r i s t i cb a n m fd e t e c t o ri sp r o p o s e d i tc a ni n t e g r a t em o r ep u l s e sa n da c h i e v eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt h ea n m fd e t e c t o rd o e s t h ec h a p t e rc o n c l u d e sw i t he x p e r i m e n t so fs i m u l a t e dt a r g e ta g a i n s tt h er e a ls e ac l u t t e r e x p e r i m e n t a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t ，w h e nt a r g e t sd o p p l e rf r e q u e n c yi sb e y o n ds t r o n gc l u t t e rr e g i o n ，t h ea n m fd e t e c t o ra n db a n m fd e t e c t o rp e r f o r mb e t t e ri nr e s i d u a lc l u t t e rt h a ni nc l u t t e r h e n c e ，ad o u b l e - c h a n n e ls c h e m ei sg i v e n t h ef o u r t hp a r tf o c u s e so nt h es u b b a n da n m fd e t e c t o ri nh i 【g hr a n g er e s o l u t i o ns e ac l u t t e rw h i c hi ss p a t i a l - t e m p o r a l l yn o n - s t a t i o n a r y t h ea n m fd e t e c t o ri sl i m i t e di np e r f o r m a n c e ，b e c a u s et h en o n - s t a t i o n a r i t yi ns p a t i a l l yo ft h ec l u t t e rr e s t r i c t st h es p a t i a ls a m p l e sa v a i l a b l ea n dt h en o n s t a t i o n a r i t yi nt e m p o r a l l yr e s t r i c t st h ei n t e g r a t i o nd u r a t i o n i no r d e rt oo v e r c o m et h i sl i m i t a t i o n ，as u b b a n da n m fd e t e c t o ri sp r o p o s e d i tc o n s i s t so faf o r w a r dd f tm o d u l a t e df i l t e rb a n kf o l l o w e db yas e to fa n m fd e t e c t o r si ni n d i v i d u a ls u b b a n d s t h ef o r w a r df i l t e rb a n ki su s e dt od e c o m p o s er e c e i v e ds i g n a l so fh i g hr a t ei n t os u b b a n ds i g n a l so fl o wr a t e t h es u b b a n dd e c o m p o s i t i o nv i at h ef i l t e rb a n kr e a l i z e sc l u t t e rs u p p r e s s i o no u t s i d ee a c hs u b b a n da n di m p r o v e st h es h o r t - t e r ms t a t i o n a r i t yo fs e ac l u t t e r i m p r o v e ds h o r t t e r ms t a t i o n a r i t ya n dt h el o wr a t eo fs u b b a n ds i g n a l sa l l o wt h es u b b a n da n m fd e t e c t o rt oh a v em u c hl o n g e ri n t e g r a t i o nd u r a t i o n st h a nt h et r a d i t i o n a la n m fd e t e c t o rt od o t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t su s i n gr e a ls e ac l u t t e rd a t as h o wt h a tt h es u b b a n da n m fd e t e c t o ra t t a i n sam u c hb e t t e rd e t e c t i o np e r f o r m a n c et h a nt h et r a d i t i o n a la n m fd e t e c t o rd o e s t h ef i f t hp a r ti sc o n t r i b u t e dt ot h ef e a t u r ed e t e c t i o nf o rf l o a t i n gs m a l lt a r g e t so ns e as u r f a c e p r e s e n c eo fas u r f a c et a r g e ta l t e r st h es c a t t e r i n gg e o m e t r yo ft h es e as u r f a c ea r o u n dt h et a r g e t i ti ss h o w nt h a tt h eo b s e r v a t i o ni nt h eh i g hr a n g er e s o l u t i o nf o l l o w st h en o n a d d i t i v em o d e lr a t h e rt h a nt h et r a d i t i o n a la d d i t i v eo n e u n d e rt h en o n a d d i t i v em o d e l ，t a r g e td e t e c t i o nb o i l sd o w nt oas p e c i a lc l a s s i f i c a t i o np r o b l e mo ft h ec l u t t e r - o n l yp a t t e r n t h ea v e r a g ep o w e r , t h ed o p p l e ro f f s e ta n db a n d w i d t ha r ce x t r a c t e da n da r r a n g e di n t oat h r e e d i m e n s i o n a lf e a t u r ev e c t o r t h et r i f e a t u r e s - b a s e dd e t e c t o ri sd e s i g n e di nt h et h r e e d i m e n s i o n a lf e a t u r es p a c e ac o n v e x h u l lt r a i n i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e dt od e t e r m i n eat h r e e d i m e n s i o n a ld e c i s i o nr e g i o no ft h ec l u t t e r - o n l yp a t t e r nf r o mc l u t t e r - o n l yd a t a t h ec o n v e x - h u l l sp o l y h e d r o ns t r u c t u r eo ft h ed e c i s i o nr e g i o ns u p p o a saf a s td e c i s i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t su s i n gt h ei p i xd a t a s e t ss h o wt h a tt h et r i f e a t u r e s - b a s e dd e t e c t o ra t t a i n sa ne x c e l l e n tp e r f o r m a n c et h a na v a i l a b l ed e t e c t o r sd oi nd e t e c t i n gf l o a t i n gs m a l lt a r g e t so ns e as u r f a c e k e y w o r d s ：h i g hr a n g er e s o l u t i o ns e ac l u t t e rt a r g e td e t e c t i o na n m fd e t e c t o rr a n g e - o v e r s a m p l i n gc l u t t e rs u p p r e s s i o nf i l t e rb a n kf e a t u r ed e t e c t i o nc o n v e xh u l li p i xl h d a r作者简介时艳玲，湖北安陆人，1 9 8 3 年1 2 月生。2 0 0 6 年7 月毕业于西安电子科技大学、获自动化专业学士学位。2 0 0 6 年8 月进入西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室攻读硕士学位并于2 0 0 8 年3 月转入攻读博士学位。将于2 0 1 1 年1 2 月毕业于西安电子科技大学获信号与信息处理专业工学博士学位。导师：水鹏朗教授。主要研究方向：海杂波散射特性研究，复杂电磁环境下的目标检测等。在2 0 0 7 2 0 0 8 年度总评中荣获“二等奖学金”和“优秀研究生 ，2 0 0 8 2 0 11 学年总评中三次荣获“优秀研究生干部 称号。代表性成果及经历l 在( 1 e tr a d a r , s o n a ra n dn a v i g a t i o n 、( i e ti n t e r n a t i o n a lr a d a rc o n f e r e n c e ) 、l ：电子与信息学报、西北大学学报( 自然科学版) 、l ：中国雷达等权威刊物发表学术论文6 篇，已投相关学术论文多篇正在评审中，申请国家专利一篇。y a n - l i n gs h i ，w a sb o r ni na n l u ，h u b e ip r o v i n c e ，c h i n a ，i nd e c e m b e r19 8 3 s h er e c e i v e dh e rb a 。i na u t o m a t i o nf r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a n , c h i n a ，i nj u l y2 0 0 6 f r o ma u g u s t2 0 0 6t op r e s e n t ，s h eh a sb e e nw o r k i n gt o w a r d st h ep h d d e g r e ea l o n g 谢mt h em s d e g r e ei nt h en a t i o n a lk e yl a bo fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gi nx i d i a nu n i v e r s i t y 。s h ew i l lr e c e i v eh e rp h d d e g r e ei ns i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n gf r o mx i d i a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a ，i nd e c e m b e r2 011 h e ra d v i s o ri sp r o f e s s o rp e n g - l a n gs h u i h e rr e s e a r c hi n t e r e s t si n c l u d es c a t t e r i n gp r o p e r t yo fs e ac l u t t e r , t a r g e td e t e c t i o ni nc o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ，e t c f r o m2 0 0 7t o2 0 0 8 ，s h eh a sb e e na w a r d e d s e c o n dp r i z es c h o l a r s h i p a n d e x c e l l e n tg r a d u a t es t u d e n t ”b yx i d i a nu n i v e r s i t y f r o m2 0 0 8t o2 011 ，s h eh a sb e e na w a r d e d “e x c e l l e n tg r a d u a t el e a d e r b yx i d i a nu n i v e r s i t yt h r i c e s h eh a sp u b l i s h e ds i xj o u r n a la n dc o n f e r e n c ep a p e r so nj o u r n a l so fi e tr a d a r , s o n a ra n dn a v i g a t i o n ，l e ti n t e r n a t i o n a lr a d a rc o n f e r e n c e ，j o u r n a lo fe l e c t r o n i c s & i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , j o u r n a lo fn o r t h w e s tu n i v e r s i t y ( n a t u r a ls c i e n c ee d i t i o n ) a n dc h i n ar a d a r s h eh a ss u b m i t t e ds e v e r a lr e l a t e da c a d e m i cp a p e r sw h i c ha r eu n d e rr e v i e wa n da p p l i e df o rap a t e n t 第一章绪论弗一旱珀比1 1 研究背景和意义雷达杂波定义为雷达接收的不希望探测的各种物体上反射回来的信号，当杂波足够强且分布范围足够广时，杂波将严重限制雷达接收机的灵敏度、影响雷达的作用距离【1 1 。不同于接收机噪声可以通过合理的系统设计、增加发射功率降低信噪比到适当的水平，杂波是雷达目标检测中环境所固有的、与目标信号共生共存的无用信号，无法通过增加发射功率提高信杂比，所以，雷达在杂波背景下的目标检测是对信号处理理论和水平要求很高的一个研究领域i l j 。雷达在现代科学技术、生活和军事等领域都得到了广泛的应用，其目的主要有两种【l 】 第一是遥感大气、陆地和海洋等，第二是在战争环境中检测和识别目标。这两种不同的应用都基于相同的电磁学原理【1 1 ：当电磁波照射到物体表面上时，物体反射电磁波，电磁散射回波中包含着被照射物体的几何形状和电磁特性信息等。海表面电磁回波反映海水的介电常数、浪高、风速、风向等，来自海表面的雷达回波是人们不想要的回波，会对目标检测产生严重影响，被称作海杂波l l j 。海洋面积占全球面积的四分之三左右，为了充分利用这个丰富的天然资源，人们需要对海洋遥感。我国海岸线长达一万八千多公里，海洋国土面积3 0 0 多万平方公里，海杂波的研究在我国岸基和舰载防御系统中占有重要地位，对我国海防建设具有特殊的战略意义。国外对海洋表面的电磁散射特性以及海面目标检测研究开展得很早，投入了大量的人力物力，对此进行了大量的实验和理论研究。国内在这方面的实验和理论研究相对较少，尤其是缺乏必要的实测数据支撑，这严重制约了在现有的雷达平台海洋背景下对目标检测、识别等众多方面的潜力的深度发掘，影响了这些系统的目标检测性能。在强海杂波背景下检测弱目标的问题是国内外尚待解决的难题，海杂波的物理组成机理以及海杂波的统计特性对恒虚警率检测器的设计有重大影响，海杂波的频谱特性直接关系到m t i 和脉冲多普勒滤波器的设计等等。找出目标回波和海杂波特性差异尤其重要，这将影响和决定信号和杂波的建模以及相应的检测策略、方法和算法。杂波特性的描述在雷达系统设计、雷达信号处理和目标检测以及遥感等应用中有重要的地位，特别是在现代的高距离分辨雷达中，海杂波特性的研究对提高掠海小目标检测能力、巩固国防有重要意义。高距离分辨海杂波背景下目标检测方法1 1 1 海杂波物理组成机理【2 】海杂波的特性与海表面特征以及多种环境因素有关，如，海波、涌浪、风速等。海杂波主要由风波、重力波和毛细波组成。风波是指水表面在风的作用下而传播的波：重力波是指传播速度主要由重力控制的波，水波长度大于5 厘米的波被认为是重力波；毛细波是指传播速度主要由流体的表面张力控制的波，长度小于2 5 厘米的水波被认为是毛细波。海表面反射系数代表了平均杂波功率，接收来自单个雷达分辨单元的瞬时功率在这个平均杂波功率附近波动。海表面的散射系数同海况、局部风、强的涌浪、强风等因素有关。局部风导致了小尺度的表面粗糙，它对风速的变化做出快速的响应，改变了后向散射，不带有局部风的强的涌浪产生了较低的反射系数，而一阵局部强风会在相对平坦的海面产生较高的反射系数。海表面的反射系数还与入射波的入射角有关，在接近垂直入射时，后向散射是准镜面反射，在这个区域，后向散射的强度与海面粗糙度成反比。垂直入射时最大的后向散射来自一个完全平坦的表面。在中等掠射角时，反射系数随着掠射角变化很小，称之为稳定状态；当掠射角小于一个特殊的值( 典型值是1 0 掠射角，但也与海面粗糙度有关) 时，随着掠射角的减小，反射系数迅速减小。低距离分辨的海杂波可用散斑( s p e c k l e ) 模型模拟，它的时域相关时间很短，大约为5 1 0 毫秒，脉冲间频率捷变技术可以实现这种杂波的去相关。随着雷达距离分辨率的提高，海杂波中出现了纹理( t e x t u r e ) 分量，雷达分割了海表面细节结构，海杂波的幅度统计特性偏离了瑞利分布，脉冲间频率捷变技术不能实现这种分量的去相关，最长的相关时间延长到秒级，同时在距离上也存在相关性。高分辨海杂波有两个幅度波动分量，第一个分量的空间平均水平是变化的，它是由大量与长的海波和涌浪结构相关的散射体导致的，具有很长的相关时间，不受频率捷变技术的影响；第二个分量是指s p e c k l e 分量，它是由在任意距离单元杂波的多个散射体导致的，它可以通过频率捷变技术或者散射体的相互运动去时间上的相关性，但是在空间上仍然存在相关性，只是影响较小而已。至于海杂波的物理机制，文献【2 j 认为海杂波是由三个不同特征的分量组成的：平滑调制、b u r s t 散射和w h i t e c a p 散射。b u r s t 散射和w h i t e c a p 散射都属于s p i b散射。( 1 ) 平滑调制一般是由b r a g g 散射引起，在微波波段，b r a g g 散射与谐振的毛细波有关，这种现象是由雷达散射单元内大量海面散射子的回波合成的结果，它导致了海杂波的s p e c k l e 分量，呈现出局部高斯特性。b r a g g 散射所引起的回波依赖于雷达波长，可以通过脉冲间频率捷变去相关。在高频( i - t f , h i g hf r e q u e n c y ) 雷达中，b r a g g 散射主要由波长较长的波和涌浪的后向散射构成，这些长波和涌浪改变2了海表面的局部倾斜度，从而调制短波幅度并同时导致遮挡和多径效应。b r a g g 散射的雷达截面积( r c s ，r a d a rc r o s ss e c t i o n ) 在w 极化下强于在h h 极化下。b r a g g散射具有宽的、近似对称的、中心频率接近零频的多普勒谱。( 2 ) b u r s t 散射出现在波跌落之前的波冠处，它导致了特殊的、具有很短持续时间( 大约2 0 0 毫秒) 的后向散射。在持续时间内，b u r s t 散射是相干的。b u r s t 散射在h h 极化下具有大的r c s ，在w 极化下具有小得多的r c s 。b u r s t 散射具有窄的多普勒谱，并且多普勒速度与波顶端的移动速度相一致。由于b u r s t 散射在距离上短的持续长度以及时间上相对长的相干区间，通过脉冲间频率捷变技术很难解相关。一般情况下，b r u s t 散射具有极化敏感性，并且它的出现是随机和稀疏的，在传统目标检测方法中，很容易被判定为目标。( 3 ) w h i t e c a p 散射是波或涌破裂形成浪花时粗糙海表面的后向散射。与b u r s t散射相比，w h i t e c a p 散射的尖峰更像噪声。与b r a g g 散射相比，由于破裂波的波冠的运动，w h i t e c a p 散射具有较宽的多普勒谱和较大的多普勒中心偏移。w h i t e c a p散射与雷达的距离分辨率有很强的依赖关系，不能通过脉冲间频率捷变技术去相关。w h i t e c a p 散射的r c s 与极化方式关系不大。w a l k e