尹翰林, 樂(lè)新安*, 王俊逸, 丁鋒, 寧百齊,王永輝, 李鳴遠(yuǎn), 張寧

1 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院， 北京 100049 3 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所北京空間環(huán)境國(guó)家野外觀測(cè)研究站， 北京 100029

0 引言

非相干散射雷達(dá)是一種功能強(qiáng)大的用于探測(cè)電離層的大功率雷達(dá)，由于探測(cè)對(duì)象是等離子體，其散射截面小，信號(hào)非常微弱.三亞非相干散射雷達(dá)位于我國(guó)低緯地區(qū)(18.3°N, 109.6°E)，在其所在地區(qū)上空，有大量空間飛行器飛掠過(guò)雷達(dá)的波束掃描范圍(Li et al., 2021; Yue et al., 2020; Zhang et al., 2021).當(dāng)雷達(dá)波束內(nèi)出現(xiàn)硬目標(biāo)時(shí)，由于散射截面大，其回波功率要比電離層的非相干散射回波功率高出幾個(gè)量級(jí).同時(shí)，由于空間飛行器速度較快，雷達(dá)波束內(nèi)出現(xiàn)的硬目標(biāo)回波存在的時(shí)間往往很短.因此，三亞雷達(dá)上空的硬目標(biāo)具有數(shù)量多、但是單個(gè)目標(biāo)存在時(shí)間較短的特性.圖1給出的是三亞雷達(dá)2021年4月5號(hào)連續(xù)15.5個(gè)小時(shí)觀測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度圖，我們可以看到，在整個(gè)觀測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)，有非常明顯的硬目標(biāo)回波信號(hào)(一定高度展寬的豎條紋)，在這15.5小時(shí)內(nèi)，肉眼可見(jiàn)硬目標(biāo)數(shù)目約155個(gè)，以在頂部電離層出現(xiàn)居多.在進(jìn)行硬目標(biāo)檢測(cè)之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，導(dǎo)致常規(guī)噪聲被大幅抑制而回波信號(hào)得到顯著增強(qiáng).在圖1中標(biāo)注出來(lái)的兩個(gè)區(qū)域分別包含了回波強(qiáng)度不一致的硬目標(biāo)，上面的區(qū)域包含的硬目標(biāo)回波強(qiáng)度相對(duì)較弱，而下面區(qū)域包含的硬目標(biāo)回波強(qiáng)度普遍較高，除了距離因素，回波強(qiáng)度還跟硬目標(biāo)的回波散射截面大小有關(guān).硬目標(biāo)的散射截面大，其回波強(qiáng)度就強(qiáng)，反之就弱，即使是散射截面很小的硬目標(biāo)回波也要比噪聲強(qiáng)許多倍.

圖1 三亞雷達(dá)2021年4月5號(hào)連續(xù)15.5小時(shí)觀測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度圖(單位：dB)Fig.1 Range-Time-Intensity of SYISR signal observed at April 5, 2021 (Unit: dB)

此前關(guān)于非相干散射雷達(dá)信號(hào)處理中的硬目標(biāo)問(wèn)題關(guān)注不太多，沒(méi)有成熟的經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，其中EISCAT(European Incoherent Scatter)雷達(dá)對(duì)于受到硬目標(biāo)干擾而出現(xiàn)大值的數(shù)據(jù)直接予以刪除(Turunen et al., 2000)，在EISCAT雷達(dá)探測(cè)區(qū)域上空每小時(shí)有8個(gè)衛(wèi)星穿過(guò)，它們會(huì)對(duì)非相干散射雷達(dá)的功率譜造成影響.EISCAT處理時(shí)主要是找到這些異常的功率譜并予以剔除(Porteous et al., 2003).本研究旨在引入CFAR方法到非相干散射雷達(dá)信號(hào)處理中來(lái)消除硬目標(biāo)的影響.CFAR作為經(jīng)典的硬目標(biāo)檢測(cè)手段(Finn and Johnson, 1968; Trunk, 1978; Smith and Varshney, 2000)，也不斷地發(fā)展出許多新的變種，比如WAI-CFAR、VI-CFAR、TS-CFAR、CNN-CFAR等(Rohling, 1983; Barboy et al., 1986; Nitzberg, 1986; Gao et al., 2009; Cui et al., 2011; Kang et al., 2017; Liu et al., 2019；Subramanyan et al., 2019; Ai et al., 2020)，旨在在背景雜波環(huán)境變化劇烈、信噪比降低的情況下依然能夠完成硬目標(biāo)檢測(cè).由于硬目標(biāo)的存在會(huì)使得電離層的探測(cè)數(shù)據(jù)受到污染，所以本文通過(guò)使用新開(kāi)發(fā)的VI-OS-CFAR的方法對(duì)電離層回波信號(hào)中的硬目標(biāo)干擾予以剔除，對(duì)原始的回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理.同時(shí)，三亞上空電離層背景有著顯著的地方時(shí)變化，因此本文使用的VI-OS-CFAR是結(jié)合OS-CFAR和VI-CFAR的思想，以自適應(yīng)的方法調(diào)節(jié)閾值.我們的研究表明，VI-OS-CFAR在保留電離層有用信號(hào)的基礎(chǔ)上，能對(duì)硬目標(biāo)進(jìn)行有效的剔除，為后面的信號(hào)處理和參量反演奠定了基礎(chǔ).

1 CFAR算法

單元恒虛警(CFAR)已經(jīng)發(fā)展了很多年了，針對(duì)復(fù)雜的雜波背景環(huán)境，CFAR檢測(cè)已經(jīng)有了許多的種類(lèi).本節(jié)分兩個(gè)部分，第一部分對(duì)經(jīng)典的CFAR做一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹，第二部分介紹本文使用的VI-OS-CFAR.

1.1 傳統(tǒng)CFAR介紹

對(duì)于功率為β2獨(dú)立同分布干擾噪聲，待檢測(cè)單元噪聲功率為指數(shù)分布：

(1)

為了獲得β2的最優(yōu)估計(jì)，首先要得到N個(gè)單元的聯(lián)合概率分布：

(2)

(3)

(4)

于是，檢測(cè)門(mén)限為

(5)

其中α為虛警檢測(cè)的門(mén)限系數(shù)，它和虛警概率直接相關(guān)，虛警概率與檢測(cè)門(mén)限系數(shù)的關(guān)系為

(6)

在實(shí)現(xiàn)上，針對(duì)一個(gè)檢測(cè)單元，設(shè)置相鄰的單元為保護(hù)單元，外圍的單元為參考單元用來(lái)確定背景雜波(Scharf, 1991), 傳統(tǒng)CFAR通過(guò)對(duì)參考單元取均值并乘以檢測(cè)門(mén)限系數(shù)來(lái)確定門(mén)限值，如圖2所示.

圖2 CFAR處理示意圖Fig.2 CFAR diagram

在工程實(shí)現(xiàn)中，由于雷達(dá)原始信號(hào)十分微弱，使得直接進(jìn)行硬目標(biāo)檢測(cè)的效果并不理想，因此需要對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行一定時(shí)間的積累，積累時(shí)間取決于同一指向的雷達(dá)脈沖重復(fù)周期，和雷達(dá)波形無(wú)關(guān)，因?yàn)槟繕?biāo)檢測(cè)是在功率域中進(jìn)行.但是積累時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)，越長(zhǎng)的積累時(shí)間會(huì)造成硬目標(biāo)影響的脈沖區(qū)間越長(zhǎng)，這使得有些沒(méi)有硬目標(biāo)存在的脈沖也會(huì)受到影響.理論上參考窗口中參考單元的數(shù)量可以是任意的，效果比較好的是12或者18個(gè)參考單元(Smith and Varshney, 2000)，由于三亞上空硬目標(biāo)出現(xiàn)頻繁，如果參考單元數(shù)量太多，在參考窗口中會(huì)引入更多的硬目標(biāo)信號(hào)，從而影響目標(biāo)檢測(cè)，所以我們選擇的參考單元數(shù)量為12個(gè).假設(shè)每一個(gè)單元的時(shí)間分辨率為3 s，那么對(duì)應(yīng)的參考時(shí)間約為36 s.保護(hù)單元通常設(shè)置為1個(gè)，對(duì)應(yīng)的隔離時(shí)間大約為3 s.整個(gè)目標(biāo)檢測(cè)時(shí)間跨度為78 s.

在單元恒虛警算法中，OS-CFAR、CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR是應(yīng)用較為廣泛的恒虛警算法.

OS-CFAR通過(guò)對(duì)參考窗內(nèi)的數(shù)據(jù)由小到大排序，選取其中第K個(gè)數(shù)值，假設(shè)其為雜波背景噪聲(Rohling, 1983).在OS算法中，總參考窗長(zhǎng)度N及有序統(tǒng)計(jì)量K的取值是有過(guò)詳細(xì)討論的，K的經(jīng)典取值通常為3N/4左右(Rohling, 1983；Nathanson et al., 1990).OS的優(yōu)點(diǎn)為多目標(biāo)檢測(cè)性能好，但是雜波邊緣的虛警概率會(huì)提升，由于電離層背景并不是一成不變的，為了改善這種情況，本文將K的選擇根據(jù)背景環(huán)境的變化進(jìn)行靈活設(shè)定.

CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR這三種算法都是經(jīng)典的均值算法，CA-CFAR算法是計(jì)算總參考單元的均值作為門(mén)限值，GO-CFAR和SO-CFAR算法都是分別計(jì)算前后兩個(gè)參考窗口的均值，不同的是GO-CFAR選擇大值，而SO-CFAR選擇小值(Finn and Johnson, 1968; Trunk, 1978).

VI-CFAR是一種靈活的CFAR算法，它將CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR結(jié)合起來(lái)(Smith and Varshney, 2000)，根據(jù)背景雜波變化在三種算法中做出靈活的選擇，改善了CFAR檢測(cè)由于雜波環(huán)境變化帶來(lái)的虛警概率的提升.

但不管是CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR以及將三者結(jié)合的VI-CFAR，其檢測(cè)門(mén)限的靈活性并沒(méi)有得到顯著的提升，這四種算法將門(mén)限的選擇限制在了參考窗口的均值之中.OS-CFAR算法選擇第K個(gè)值作為門(mén)限，相對(duì)上述四種算法它的門(mén)限選擇靈活度更高，但是固定的K值卻也限制了它的靈活性.因此本文在VI-CFAR和OS-CFAR算法的基礎(chǔ)上提出VI-OS-CFAR算法，該算法提升了門(mén)限選擇的靈活性，改善了硬目標(biāo)檢測(cè)的效果.

1.2 VI-OS-CFAR介紹

VI-OS-CFAR通過(guò)對(duì)比參考窗口中所定義的參數(shù)，靈活地選擇K值.其具體工作原理如下：

設(shè)置兩個(gè)參數(shù)用來(lái)確定K的取值.分別計(jì)算前后參考窗口的方差值，方差定義如下：

(7)

方差代表窗口的平穩(wěn)度，表征電離層背景是否穩(wěn)定.如果電離層前后窗口的背景環(huán)境是穩(wěn)定的，那么其方差水平應(yīng)該是相似的(下文中定義的VIA和VIB分別代表前后窗口的方差).反之，如果電離層背景環(huán)境是非穩(wěn)定的，那么前后方差的差異較大.如果檢測(cè)單元處在電離層背景環(huán)境變換邊界時(shí)，前后窗口方差都很小，但是幅值卻存在巨大差異.為了避免這種情況的發(fā)生，本文定義了第二個(gè)參數(shù)MR，用來(lái)輔助方差確定背景環(huán)境是否發(fā)生變化.

(8)

表1 VI-OS-CFAR參量判據(jù)Table 1 Threshold of VI-OS-CFAR parameter

由于三亞地區(qū)硬目標(biāo)出現(xiàn)頻繁，在參考窗口中出現(xiàn)硬目標(biāo)是很常見(jiàn)的情況，硬目標(biāo)在參考窗口中加入的高值也有可能被選作門(mén)限從而增大漏檢率.當(dāng)VIA、VIB均大于5時(shí)，表明前后兩個(gè)窗口的背景都不再平穩(wěn)，當(dāng)MR<10時(shí)可以判斷出，這是由于電離層背景發(fā)生變化，導(dǎo)致前后兩個(gè)方差的變化，為了降低誤檢事件的發(fā)生率應(yīng)該適當(dāng)提升K的值，當(dāng)MR>10的時(shí)候，說(shuō)明除了背景變化之外，前后窗口可能攜帶了硬目標(biāo)信息，所以K的取值要比上一種情況小，但因?yàn)楸尘耙蔡幱谧兓A段，為了降低誤檢率，K的取值要比經(jīng)典值略高；當(dāng)VIA或者VIB中的一個(gè)大于1且小于5時(shí)，說(shuō)明其中至少一個(gè)窗口不再是穩(wěn)定的，正處于回復(fù)平靜階段或者離開(kāi)平靜階段的情況，另一個(gè)窗口的方差不管是大于5或者小于1或者介于兩者之間，都表示檢測(cè)單元正在經(jīng)歷背景的變化過(guò)渡期，當(dāng)MR<10時(shí)，說(shuō)明前后窗口正處于背景環(huán)境變化，K取經(jīng)典的3N/4，當(dāng)MR>10的時(shí)候，說(shuō)明硬目標(biāo)信息已經(jīng)處于前窗口或者后窗口，且其中一個(gè)窗口由于處于變化階段，K如果再取經(jīng)典值會(huì)增大漏檢事件的發(fā)生，檢測(cè)單元中的硬目標(biāo)回波被高門(mén)限掩蓋，所以K應(yīng)該取一個(gè)更小的值；當(dāng)VIA、VIB都不大于1時(shí)，這是個(gè)較強(qiáng)的約束條件，說(shuō)明前后兩個(gè)窗口都處于平穩(wěn)階段，當(dāng)MR<10時(shí)說(shuō)明，基本不變，K取經(jīng)典值，當(dāng)MR>10時(shí)說(shuō)明兩個(gè)階段雖然都趨于平靜，但檢測(cè)單元和保護(hù)單元正處于快速變化階段，為了降低誤檢K的取值應(yīng)該略微上升；在MR小于2的時(shí)候，基本不考慮前后兩個(gè)窗口的方差影響，因?yàn)樗陨砭褪且粋€(gè)很強(qiáng)的約束條件，這意味著前后窗口的電離層背景是一致的，當(dāng)前后兩個(gè)窗口的方差存在變化時(shí)，這表明背景處在小范圍的波動(dòng)狀態(tài)，這種情況顯然是不常見(jiàn)的，我們也可以認(rèn)為它處在一種特殊的穩(wěn)定狀態(tài)，K取經(jīng)典值；當(dāng)MR<2且方差變化小時(shí)，這說(shuō)明背景電離層處于非常穩(wěn)定的狀態(tài)，K取0.85N，以降低誤檢概率.

VI-SO-CFAR處理流程如圖3所示.

圖3 VI-OS-CFAR 處理流程Fig.3 VI-OS-CFAR algorithm

我們最初得到的原始I(實(shí)部)/Q(虛部)數(shù)據(jù)中信噪比相對(duì)較差，直接進(jìn)行硬目標(biāo)剔除的效果并不理想，因此我們需要將一定的數(shù)據(jù)積累起來(lái).首先將信號(hào)轉(zhuǎn)換到功率域，之后將一定數(shù)量的脈沖取平均以抑制噪聲，積累之后的數(shù)據(jù)代表的是這一段時(shí)間內(nèi)的探測(cè)目標(biāo)的平均狀態(tài)，這段時(shí)間也就是積累時(shí)間或者叫做時(shí)間分辨率，由此我們也得到了一個(gè)檢測(cè)單元，檢測(cè)單元的時(shí)間和積累時(shí)間是一致的.將經(jīng)過(guò)積累后的數(shù)據(jù)送入檢測(cè)器，首先計(jì)算前后兩個(gè)參考窗口的方差和均值，之后進(jìn)入背景環(huán)境估計(jì)的邏輯單元，選出最優(yōu)的K值，K進(jìn)入排序器進(jìn)行挑選并乘以檢測(cè)門(mén)限系數(shù)，將得到的背景環(huán)境估計(jì)和檢測(cè)單元的數(shù)據(jù)送入比較器，如果檢測(cè)單元數(shù)值較高則認(rèn)為是硬目標(biāo)并予以剔除.

2 VI-OS-CFAR應(yīng)用于三亞雷達(dá)數(shù)據(jù)預(yù)處理

非相干散射雷達(dá)觀測(cè)可以通過(guò)反演得到電離層的眾多參數(shù)，包括電子密度、等離子體漂移速度、電子溫度、離子溫度和離子種類(lèi)等(Dougherty and Farley, 1961; Lehtinen and Huuskonen, 1996).具體處理步驟如下：

(1) 將原始信號(hào)進(jìn)行積累是圖3的第一步，在多波束快速掃描模式下，積累時(shí)間(時(shí)間分辨率)一般選擇為30 s，這里的積累時(shí)間比圖2中要求的長(zhǎng)，因?yàn)樵诙嗖ㄊ鴴呙璧那闆r下，上一個(gè)波束和下一個(gè)波束的指向不一致(這兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間是雷達(dá)脈沖重復(fù)周期)，同一指向的波束的脈沖重復(fù)周期會(huì)變長(zhǎng)(同一波束的脈沖重復(fù)周期=雷達(dá)脈沖重復(fù)周期×掃描模式下的脈沖個(gè)數(shù))，為了保證單個(gè)檢測(cè)單元的質(zhì)量，需要對(duì)同一指向的脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，積累的第一個(gè)脈沖到積累的最后一個(gè)脈沖之間的時(shí)間跨度也會(huì)變長(zhǎng)，因此數(shù)據(jù)積累所需要的時(shí)間會(huì)變?yōu)?0 s.如果波束存在30 s以上的駐留，積累時(shí)間一般選擇為30 s.對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間積累可以改善信噪比，但是隨著積累時(shí)間的增大，信噪比改善情況并不是特別明顯，反而會(huì)犧牲很多沒(méi)有被硬目標(biāo)污染的其它有用信號(hào).

(2) 利用VI-OS-CFAR對(duì)積累后的信號(hào)進(jìn)行篩選，積累之后電離層背景在短時(shí)間看是穩(wěn)定的，而硬目標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度要比背景強(qiáng)度高20 dB以上，遠(yuǎn)大于可檢測(cè)的13 dB.基于篩選結(jié)果，我們將認(rèn)為是硬目標(biāo)的信號(hào)予以剔除.

(3) 使用GUISDAP(Lehtinen and Huuskonen, 1996)對(duì)預(yù)處理后的雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行反演，驗(yàn)證VI-OS-CFAR的可靠性.

我們首先比較研究了CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR、OS-CFAR以及本文提出的VI-OS-CFAR的硬目標(biāo)檢測(cè)性能.

圖4中我們針對(duì)三亞雷達(dá)的三次觀測(cè)(每次均持續(xù)2 h)，分別用五種方法進(jìn)行了硬目標(biāo)剔除實(shí)驗(yàn)，在本次實(shí)驗(yàn)中每一種方法的虛警概率都是一樣的.在尋常的硬目標(biāo)檢測(cè)中虛警概率通常為10-4或者更小(Finn and Johnson, 1968; Trunk, 1978; Rohling, 1983; Barboy et al., 1986; Nitzberg, 1986; Smith and Varshney, 2000; Gao et al., 2009; Cui et al., 2011; Kang et al., 2017; Liu et al., 2019；Subramanyan et al., 2019; Ai et al., 2020)，但是由于存在散射截面較小的硬目標(biāo)回波，其回波信號(hào)較弱，雖然虛警概率的提升會(huì)導(dǎo)致零散剔除點(diǎn)增加，但是數(shù)據(jù)剔除的更為徹底，使得數(shù)據(jù)的整體質(zhì)量得到有效提升，而我們的目的是改善數(shù)據(jù)質(zhì)量，因此我們將虛警概率提升到10-0.65.圖4中每一行對(duì)應(yīng)同一觀測(cè)數(shù)據(jù)，從圖上可以看到，對(duì)于CA、GO、SO的CFAR檢測(cè)方法而言，當(dāng)硬目標(biāo)出現(xiàn)十分頻繁時(shí)，這三種檢測(cè)方法的適用性就會(huì)下降，均出現(xiàn)了不同程度的漏檢(如黑色框就是漏檢的).而OS算法和VI-OS算法則體現(xiàn)出良好的適應(yīng)性.但是，從第三行的檢測(cè)結(jié)果可以看出，當(dāng)干擾信號(hào)出現(xiàn)在電離層區(qū)域時(shí)，尤其是信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，OS的性能會(huì)下降，因?yàn)镺S屬于排序檢測(cè)，當(dāng)硬目標(biāo)存在時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，OS在檢測(cè)時(shí)會(huì)將其當(dāng)成背景環(huán)境的變化從而漏檢.但是VI-OS算法結(jié)合了方差和幅值之后可以對(duì)較長(zhǎng)時(shí)間的干擾和突變做出合理的判斷.經(jīng)過(guò)五種方法的對(duì)比可以看出，VI-OS算法具有更好的適應(yīng)性以及更高的檢測(cè)率，能夠更好地完成電離層探測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，盡可能地剔除異常數(shù)據(jù).

圖4 三亞雷達(dá)三次(上、中、下)實(shí)驗(yàn)期間回波信噪比(單位：dB)隨脈沖個(gè)數(shù)和高度的變化.從左至右分別是五種檢測(cè)方法檢測(cè)并剔除掉硬目標(biāo)之后的分布Fig.4 The signal to noise ratio of the echo (unit: dB) versus pulse number and altitude observed by SYISR during three (top, middle, bottom panels) experiments. From the left to the right are the results after eliminating the hard targets by five methods, respectively

為了能夠更好地對(duì)VI-OS-CFAR的效果做一個(gè)評(píng)估.我們對(duì)三亞雷達(dá)地長(zhǎng)達(dá)300 h的觀測(cè)，同時(shí)應(yīng)用VI-OS-CFAR、OS-CFAR、CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR五種方法進(jìn)行了硬目標(biāo)檢測(cè)實(shí)驗(yàn).統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示，可以看到VI-OS-CFAR相比于其它的幾種方法具有最高的檢測(cè)率以及最低的虛警檢測(cè)和最低的漏檢概率.SO-CFAR雖然具有較高的檢測(cè)率，但是SO-CFAR使用的是最小均值，所以它的虛警檢測(cè)概率相比其它的方法要高很多(Jalil et al., 2016).

圖5 基于三亞雷達(dá)300 h觀測(cè)，利用五種檢測(cè)方法檢測(cè)的虛警事件、成功檢測(cè)事件、和漏檢事件Fig.5 The false alarm event, accurate detected event, and the missing event by five methods on the basis of 300 h SYISR observations

圖6給出了一次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的反演結(jié)果對(duì)比圖.左邊一列是剔除硬目標(biāo)之后的反演結(jié)果，右邊一列是沒(méi)有進(jìn)行硬目標(biāo)剔除的反演結(jié)果.每一列自上而下分別是電子密度、離子溫度、電子離子的溫度比和視線漂移速度四個(gè)反演參量.對(duì)電子密度而言，由于硬目標(biāo)的信號(hào)很強(qiáng)，在反演時(shí)會(huì)對(duì)電子密度造成非常大的影響，具有不符合電離層特性的反演結(jié)果.對(duì)離子溫度而言，原始反演數(shù)據(jù)中的異常區(qū)域已經(jīng)標(biāo)注出來(lái)，在右列圖像最上方區(qū)域中，由于回波太強(qiáng)導(dǎo)致反演結(jié)果錯(cuò)誤出現(xiàn)溫度躍變，在下方區(qū)域中電離層范圍內(nèi)也出現(xiàn)了硬目標(biāo)造成的反演錯(cuò)誤，在剔除硬目標(biāo)之后，左列圖像相同位置處的值更加平滑.對(duì)電子離子溫度比而言，硬目標(biāo)的影響是類(lèi)似的，硬目標(biāo)造成的明顯差異區(qū)域已經(jīng)在圖中標(biāo)注出來(lái)，可以看到當(dāng)有硬目標(biāo)存在時(shí)反演結(jié)果在數(shù)值上并不連續(xù)，這種跳變是不合理的.對(duì)漂移速度而言，硬目標(biāo)會(huì)對(duì)漂移速度的方向以及大小造成十分明顯的影響，會(huì)造成速度反向和異常增大，在右列原始反演結(jié)果中差異較大的4個(gè)區(qū)域已經(jīng)標(biāo)注在圖中，在左邊的兩個(gè)標(biāo)注區(qū)域內(nèi)，由于硬目標(biāo)的存在導(dǎo)致漂移速度的值出現(xiàn)躍變，其數(shù)值并不連續(xù)，在右邊的兩個(gè)標(biāo)注區(qū)域中，尤其在高高度區(qū)域，由于硬目標(biāo)回波強(qiáng)度強(qiáng)且出現(xiàn)頻繁，導(dǎo)致速度反演結(jié)果雜亂，而在電離層區(qū)域雖然硬目標(biāo)也存在，但是出現(xiàn)的頻率并不高，因此對(duì)速度造成的影響相對(duì)不明顯，在剔除硬目標(biāo)的影響之后尤其是在標(biāo)注區(qū)域內(nèi)，反演結(jié)果更加平滑、連續(xù)、真實(shí)可信.在離子溫度和電子離子溫度比的反演結(jié)果中，上方和底部存在異常值，這是由于這部分電離層回波較弱而反演時(shí)使用的功率譜對(duì)溫度又不敏感，所以使得在上方和下方都有溫度異常的存在.

圖6 使用GUISDAP對(duì)三亞非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演的結(jié)果，觀測(cè)時(shí)間是2021年4月17號(hào).(a) 應(yīng)用VI-OS-CFAR去除硬目標(biāo)后的結(jié)果; (b) 沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)處理直接反演的結(jié)果. 反演結(jié)果從上至下依次是電子密度、離子溫度、電子離子溫度比和視線漂移速度Fig.6 The inversion result of SYISR observation by GUISDAP during April 17, 2021. (a) The data inversion result excluding hard targets; (b) The direct inversion result. Each row from top to bottom is the electron density, ion temperature, electron-ion temperature ratio, and line of sight drift speed

3 討論和結(jié)論

本文使用的VI-OS-CFAR的方法進(jìn)行檢測(cè)的前提是要進(jìn)行信號(hào)積累，而且根據(jù)探測(cè)模式的不同，積累的時(shí)間也不一樣.有積累時(shí)間作為前提，意味著硬目標(biāo)準(zhǔn)確地進(jìn)入波束和離開(kāi)波束的時(shí)間是不確定的，CFAR檢測(cè)剔除的目標(biāo)會(huì)連同一部分有用信號(hào)一起剔除.這就需要在執(zhí)行預(yù)處理的時(shí)候進(jìn)行綜合考慮，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量良好的同時(shí)，盡可能減少有用數(shù)據(jù)的剔除.在使用VI-OS-CFAR的時(shí)候，將電離層的短時(shí)變化造成的方差和均值的變化作為判別依據(jù)，靈活地選取排序后的參考窗口中的值作為門(mén)限.這樣靈活選擇的方法，在很大程度上增加了檢測(cè)概率的準(zhǔn)確性，同時(shí)降低了誤檢事件的發(fā)生率.

本文通過(guò)使用CFAR硬目標(biāo)檢測(cè)方法，對(duì)三亞非相干散射雷達(dá)數(shù)據(jù)中的硬目標(biāo)進(jìn)行門(mén)限檢測(cè)，并將識(shí)別出的硬目標(biāo)數(shù)據(jù)予以剔除，有效地改善了三亞非相干散射雷達(dá)的反演結(jié)果，使得反演數(shù)據(jù)更加真實(shí)可信.未來(lái)該方法有望應(yīng)用于日常數(shù)據(jù)處理.