陳驍鋒 吳雄斌 柳劍飛 張 蘭

（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院海態(tài)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079）

基于對(duì)應(yīng)分析的高頻地波雷達(dá)干擾檢測(cè)方法

陳驍鋒 吳雄斌 柳劍飛 張 蘭

（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院海態(tài)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430079）

針對(duì)高頻地波雷達(dá)回波信號(hào)距離譜特征，采用對(duì)應(yīng)分析法和聚類(lèi)分析法實(shí)現(xiàn)干擾的自動(dòng)檢測(cè).采用對(duì)應(yīng)分析對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)間域和距離域的特征分離，采用聚類(lèi)分析對(duì)特征進(jìn)行分類(lèi)，自動(dòng)識(shí)別射頻干擾、電離層干擾、信號(hào)、噪聲，確定干擾所在的時(shí)間和距離.利用該方法連續(xù)計(jì)算了三個(gè)月的雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得了射頻干擾和電離層干擾的變化特征.

高頻地波雷達(dá)；對(duì)應(yīng)分析；干擾檢測(cè)

引 言

高頻地波雷達(dá)（High Frequency Surface Wave Radar，HFSWR）通過(guò)接收與海洋表面發(fā)生Bragg散射的電磁波，能夠?qū)崿F(xiàn)沿岸海洋動(dòng)力學(xué)要素的精細(xì)化探測(cè)［1］.然而，高頻段的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，雷達(dá)工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)各類(lèi)不同性質(zhì)的干擾，導(dǎo)致探測(cè)出現(xiàn)虛假、異常.高頻段雷達(dá)外部干擾比內(nèi)部干擾高20～40dB，是限制雷達(dá)性能的主要因素.若能在參數(shù)反演之前對(duì)信號(hào)質(zhì)量劃分等級(jí)，針對(duì)不同等級(jí)的信號(hào)采用不同反演算法，將有利于數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估及結(jié)果優(yōu)化.

前人關(guān)于干擾的工作主要集中在多普勒譜信號(hào)的特征分析、各類(lèi)干擾特征分析、抑制方法研究等方面.Fabrizio通過(guò)分析干擾的空間特征，提出了一種基于自適應(yīng)波束形成、能夠保持海雜波的非平穩(wěn)干擾抑制方法［2］.Zhou利用基于特征子空間的正交投影對(duì)射頻干擾進(jìn)行抑制［3］.沈偉等通過(guò)對(duì)發(fā)射天線(xiàn)進(jìn)行波束形成來(lái)識(shí)別電離層干擾［4－5］.王贊等提出基于獨(dú)立分量分析的單通道干擾分離方法［6］.這些方法在不同工作環(huán)境下針對(duì)不同類(lèi)型的干擾都具有一定的抑制效果，但同時(shí)也存在各自的缺陷：如小型陣列的波束形成效果不理想；干擾的空間非平穩(wěn)特性導(dǎo)致波束形成算法性能降低；干擾子空間難以確定等.實(shí)際應(yīng)用中不可能只用一種方法就能完全抑制外部干擾，如何對(duì)干擾類(lèi)型、干擾強(qiáng)度進(jìn)行量化評(píng)估分類(lèi)，對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量做出準(zhǔn)確的等級(jí)劃分，進(jìn)而采用不同的干擾抑制方法，是高頻地波雷達(dá)目前需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題之一.

對(duì)應(yīng)分析是在因子分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種特征分析方法［7］，在地質(zhì)、氣象、海洋等方面的數(shù)據(jù)中已經(jīng)得到較多的應(yīng)用［8－9］.對(duì)應(yīng)分析將數(shù)據(jù)的變量和樣本同時(shí)投影到以?xún)蓚€(gè)主因子軸為坐標(biāo)系的因子平面上，能夠研究變量和樣本之間的相互關(guān)系，對(duì)研究對(duì)象做出可靠的分析和解釋.

本文將對(duì)應(yīng)分析方法應(yīng)用到高頻地波雷達(dá)的信號(hào)處理中，對(duì)雷達(dá)信號(hào)中的干擾進(jìn)行量化評(píng)估與分類(lèi).將雷達(dá)回波距離譜數(shù)據(jù)［10］進(jìn)行因子分解，通過(guò)分析各因子在主因子軸上的投影特征，采用聚類(lèi)分析識(shí)別時(shí)間域和距離域上的射頻干擾和電離層干擾，量化評(píng)估干擾相對(duì)信號(hào)的影響程度，用以綜合評(píng)估不同雷達(dá)系統(tǒng)、不同工作模式下的距離譜干擾強(qiáng)度和數(shù)據(jù)質(zhì)量.

1 方法原理

海洋回波在距離譜上是連續(xù)變化的平穩(wěn)信號(hào)，在多普勒譜上則成為兩個(gè)Bragg峰，并且某些特殊形式的射頻干擾在距離譜上比較連續(xù)、直觀(guān)、易于觀(guān)察，而在傅里葉變換后會(huì)使其離散分布在多普勒譜中各個(gè)譜點(diǎn)，使其難以檢測(cè).針對(duì)這一問(wèn)題，本文將在距離譜對(duì)信號(hào)干擾進(jìn)行檢測(cè).

為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)連續(xù)處理的要求，以相干積累時(shí)間為時(shí)間單位進(jìn)行干擾檢測(cè).將距離譜數(shù)據(jù)用AT×R表示，T為一個(gè)相干積累時(shí)間內(nèi)的幀數(shù)，R為探測(cè)距離.本文數(shù)據(jù)來(lái)源于高頻地波雷達(dá)福建示范區(qū)，探測(cè)距離分辨率為5km，掃頻周期為0.652 8s，幀數(shù)T為1 024幀.

將距離譜數(shù)據(jù)的距離域和時(shí)間域看作是對(duì)應(yīng)分析中的變量和樣本.根據(jù)對(duì)應(yīng)分析理論，對(duì)距離譜數(shù)據(jù)在兩個(gè)不同的域進(jìn)行特征分解

式中：I，Q表示對(duì)距離譜數(shù)據(jù)A的時(shí)間域和距離域分別進(jìn)行特征分解；U表示時(shí)間域特征矢量；V表示距離域特征矢量；Λ表示特征值；H表示共軛轉(zhuǎn)置.U和V之間存在以下關(guān)系［11］.

式中：λk為第k個(gè)特征值；Uk、Vk為其對(duì)應(yīng)的特征矢量.根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率取前k個(gè)最大特征值（λ1≥λ2≥…≥λk）可以得到因子載荷矩陣

取特征值最大的兩項(xiàng)作為主因子軸

通過(guò)式（4）能夠?qū)⒕嚯x譜數(shù)據(jù)A的時(shí)間特征和距離特征投影在同一個(gè)坐標(biāo)平面內(nèi)，通過(guò)分析各個(gè)投影點(diǎn)之間的位置關(guān)系，確定信號(hào)、干擾、背景噪聲之間的聯(lián)系與區(qū)別.

投影在因子平面上的點(diǎn)代表著時(shí)間域和空間域上的特征，其中干擾與背景白噪聲的特征往往相隔較遠(yuǎn)，干擾和信號(hào)則具有類(lèi)似的離散特征.為了實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，本文采用聚類(lèi)分析的方法對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)分類(lèi).聚類(lèi)分析是數(shù)值分類(lèi)學(xué)的一個(gè)分支，是研究樣本類(lèi)別相似程度的一種多元統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)一定的準(zhǔn)則研究樣本能否分類(lèi)、能分幾類(lèi)等問(wèn)題.在海洋學(xué)中被用作劃定水團(tuán)的邊界，在雷達(dá)系統(tǒng)中則被應(yīng)用于信號(hào)分選和波形分類(lèi)［12－13］.

以距離域特征（frx，fry）為例進(jìn)行方法說(shuō)明.距離域的干擾檢測(cè)主要針對(duì)電離層干擾，其特點(diǎn)是在某些距離上覆蓋所有時(shí)間單元.聚類(lèi)分析的步驟如下：

1）計(jì)算（frx，fry）的中心位置作為初始凝聚點(diǎn)（f0x，f0y）＝mean（frx，fry）；

2）計(jì)算各點(diǎn)到凝聚點(diǎn)（f0x，f0y）的距離：

3）確定門(mén)限距離d0作為第一次分類(lèi)的判別標(biāo)準(zhǔn)，可將數(shù)據(jù)分為兩個(gè)子類(lèi)（fAx，fAy）和（fBx，fBy）；

4）計(jì)算兩子類(lèi)各自的中心位置作為子類(lèi)的凝聚點(diǎn)（fA0x，fA0y）（fB0x，fB0y）；

5）計(jì)算各點(diǎn)到子類(lèi)凝聚點(diǎn)的距離

6）通過(guò)判斷drA與drB的大小關(guān)系，判斷第r點(diǎn)屬于子類(lèi)A還是子類(lèi)B，從而更新子類(lèi)點(diǎn)；

7）對(duì)子類(lèi)重復(fù)上述操作，直到分類(lèi)滿(mǎn)足需求.

其中，第3步驟門(mén)限距離d0的確定方法很多，針對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)特征，本文采用一種平均值比值法，即對(duì)dr進(jìn)行排序，尋找一個(gè)極限值，該極限值的特點(diǎn)是其到最小距離的平均值與其到最大距離的平均值的比值是曲線(xiàn)極值點(diǎn).

在分離干擾之后，需要進(jìn)一步對(duì)干擾強(qiáng)度等級(jí)進(jìn)行量化，以評(píng)估各個(gè)相干積累時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，便于針對(duì)不同質(zhì)量的數(shù)據(jù)采用不同的干擾抑制方法.不同雷達(dá)系統(tǒng)、不同發(fā)射功率、不同工作模式下，即使是完全相同的干擾，對(duì)信號(hào)的影響程度也是不相同的.本文采用對(duì)應(yīng)分析點(diǎn)聚圖中各個(gè)干擾特征點(diǎn)到背景白噪聲特征點(diǎn)凝聚中心的距離總和作為干擾強(qiáng)度的量化，采用各個(gè)信號(hào)特征點(diǎn)到噪聲特征點(diǎn)凝聚中心的平均距離作為信號(hào)強(qiáng)度的量化.于是，距離譜的相對(duì)干擾強(qiáng)度可用下式表示為

式中：ˉdSignal是信號(hào)特征點(diǎn)的平均距離；∑dInterference是干擾特征點(diǎn)的距離和，相當(dāng)于用信號(hào)平均能量對(duì)干擾總能量作歸一化處理.采用該定義的原因在于干擾能量總和是所有干擾的累加，能夠整合不同類(lèi)型的干擾，可以對(duì)不同工作模式、發(fā)射功率的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化比較，不受時(shí)間變化的影響.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1所示為福建高頻地波雷達(dá)示范區(qū)東山站2009年10月24日16：30的距離譜數(shù)據(jù)（圖1（a））及其對(duì)應(yīng)分析的坐標(biāo)投影結(jié)果（圖1（b））.從圖1（b）可以看出：（gtx，gty）代表的時(shí)間特征點(diǎn)非常集中，說(shuō)明數(shù)據(jù)A的時(shí)間域特征平緩一致；（frx，fry）代表的距離域特征則相對(duì)分散，說(shuō)明數(shù)據(jù)A的距離域特征變化較大，而離散程度較大的點(diǎn)代表特征差異明顯的信號(hào)及干擾.

圖2是針對(duì)圖1（a）的特征點(diǎn)進(jìn)行聚類(lèi)分析的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)聚類(lèi)分析方法能夠分離信號(hào)、干擾、噪聲.以距離域特征（frx，fry）為例可以看出，代表干擾的三個(gè)“o”能夠被明顯標(biāo)識(shí)，它們代表第43、44、45個(gè)距離元（距離分辨率5km），各點(diǎn)到噪聲聚類(lèi)中心點(diǎn)的距離代表干擾強(qiáng)度的相對(duì)大小，如表1所示.信號(hào)和干擾的區(qū)分采用的是信號(hào)在近距離上連續(xù)的經(jīng)驗(yàn)性特征方法.

同理，時(shí)間維度各點(diǎn)（gtx，gty）的聚類(lèi)分析可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的效果.值得一提的是，時(shí)間域的特征點(diǎn)較為集中，建議在聚類(lèi)分析時(shí)將特征點(diǎn)進(jìn)行三次或三次以上的分類(lèi)，然后對(duì)非干擾的特征點(diǎn)進(jìn)行合并.

對(duì)東山站2009年10－12月的連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，圖3所示為射頻干擾和電離層干擾的檢測(cè)結(jié)果.可以發(fā)現(xiàn)射頻干擾白天分布較分散，在夜間18：00－24：00時(shí)段出現(xiàn)較為頻繁，這與夜間電離層D層消失，短波通信增加有關(guān).電離層干擾主要集中在12：00－18：00時(shí)間段；10月26日下午出現(xiàn)異常、明顯強(qiáng)于其它日期，通過(guò)檢查雷達(dá)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)該時(shí)段在200km探測(cè)距離之后存在大片連續(xù)的電離層干擾.

3 結(jié) 論

本文將對(duì)應(yīng)分析和聚類(lèi)分析應(yīng)用到高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)的干擾檢測(cè)上，通過(guò)在時(shí)間域和距離域進(jìn)行特征分析與分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)射頻干擾和電離層干擾檢測(cè)的功能.該方法能夠?qū)崿F(xiàn)高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量的分類(lèi)與評(píng)估，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)外部電磁環(huán)境檢測(cè)，為最優(yōu)化處理方案提供決策支持.下一步工作可在對(duì)應(yīng)分析中各特征量的內(nèi)在聯(lián)系、聚類(lèi)分析的凝聚方法與自適應(yīng)門(mén)限值選擇兩方面進(jìn)行.

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Interference detection method based on correspondence analysis for high frequency ground wave radar

CHEN Xiaofeng WU Xiongbin LIU Jianfei ZHANG Lan
（Radio Oceanography Laboratory，Electronic Information Institute of Wuhan University，Wuhan Hubei 430079，China）

According to characteristics of high frequency surface wave radar range spectrum，a new method of interference detection is proposed by using correspondence analysis and cluster analysis.The correspondence analysis separates the characteristic factors of range spectrum in time domain and range domain.The cluster analysis classifies the characteristic factors.And then automatic identify the radio frequency interference，ionospheric clutter，signal and noise.By using this method，three month radio frequency interference and ionospheric clutter characteristics from measured data is attained.

HF ground wave radar；correspondence analysis；interference detection

TN958

A

1005-0388（2015）01-0172-05

陳驍鋒 （1987－），男，湖北人，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院博士研究生，主要研究方向?yàn)楦哳l地波雷達(dá)海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理.

吳雄斌 （1968－），男，湖北人，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)主要從事無(wú)線(xiàn)電海洋遙感、無(wú)線(xiàn)電波傳播等研究.

柳劍飛 （1989－），男，湖北人，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院博士研究生，主要研究方向?yàn)楦哳l地波雷達(dá)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù).

陳驍鋒，吳雄斌，柳劍飛，等.基于對(duì)應(yīng)分析的高頻地波雷達(dá)干擾檢測(cè)方法［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，30（1）：172-176.

10.13443／j.cjors.2014030601

CHEN Xiaofeng，WU Xiongbin，LIU Jianfei，et al.Interference detection method based on correspondence analysis for high frequency ground wave radar［J］.Chinese Journal of Radio Science，2015，30（1）：172-176.（in Chinese）.doi：10.13443／j.cjors.2014030601

2014-03-06

國(guó)家高技術(shù)發(fā)展研究計(jì)劃（863計(jì)劃：2012AA091701）聯(lián)系人：吳雄斌E-mail：xbwu＠whu.edu.cn