【雷达回波】基于二维阵的高频表面波雷达电离层回波方向估计附Matlab代码

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🔥 内容介绍

一、引言

高频表面波雷达（HF Surface Wave Radar, HFSWR）凭借 “超视距探测” 能力，在海洋监测、空天目标预警、电离层研究等领域具有不可替代的价值 —— 其通过高频电磁波（3-30MHz）沿地球表面的绕射传播，可实现对数百公里外目标的探测。然而，HFSWR 接收信号中除目标回波外，还混杂着电离层回波（高频信号经电离层反射后的杂波）、海杂波、射频干扰等，其中电离层回波因受电离层电子密度不均匀性、闪烁效应影响，具有 “信号弱、多普勒展宽、方向时变” 的特征，不仅干扰目标检测，其自身的方向信息还可反演电离层结构参数（如电子密度剖面、运动速度）。

传统 HFSWR 多采用一维线阵进行方向估计，受 “孔径限制” 与 “角度模糊” 影响，无法同时实现方位角与俯仰角的高精度估计；且针对电离层回波的时变特性，经典方向估计算法（如波束形成法）分辨率低、抗干扰能力弱。二维阵（如矩形阵、圆形阵）通过二维空间采样，可同时获取信号的方位角（Azimuth）与俯仰角（Elevation）信息，结合高分辨率方向估计算法，能有效突破一维阵的性能瓶颈。

本文聚焦基于二维阵的 HFSWR 电离层回波方向估计技术，构建 “电离层回波信号建模→二维阵接收模型→高分辨率方向估计算法设计→性能验证” 的完整框架，重点解决电离层回波 “弱信号检测、时变方向跟踪、角度模糊抑制” 三大问题，为 HFSWR 电离层回波利用与目标干扰抑制提供技术方案。

二、核心理论基础

2.1 高频电离层回波特性分析

高频电磁波与电离层的相互作用是产生电离层回波的物理基础，其信号特性由电离层结构与传播模式共同决定：

1. 传播模式：高频信号经电离层 F 层（主要反射层，高度 200-400km）单次或多次反射后返回地面，形成 “天波传播”，HFSWR 接收的电离层回波多为天波信号的杂散反射；

1. 信号幅度特性：受电离层闪烁效应（电子密度随机起伏）影响，电离层回波幅度呈 “瑞利分布或莱斯分布”，信噪比（SNR）通常低于 - 10dB，远弱于目标回波与海杂波；

1. 多普勒特性：电离层运动（如漂移、扩张）导致回波产生多普勒频移，频移范围通常为 - 50Hz~50Hz，且因电离层不均匀性存在多普勒展宽（展宽宽度 5-20Hz）；

1. 方向时变特性：电离层电子密度随太阳活动、地磁变化动态调整，导致回波入射方向（方位角、俯仰角）随时间缓慢变化（变化率通常为 0.1°/min~1°/min），给方向跟踪带来挑战。

⛳️ 运行结果

📣 部分代码

for j=1:x

if(I6(i,j,1) ==1)

Y1(i,1)=Y1(i,1)+1;

end

end

end

[temp MaxY]=max(Y1); %计算行列像素值总和。并将最大的列所在的位置存放到MaxY中

PY1=MaxY; %先将最大的像素总和位置赋值给PY1

while((Y1(PY1,1) >=50) && (PY1>1))

PY1=PY1-1;

end %while循环得到和最大像素点连通区域的上边界

PY2=MaxY; %先将最大的像素总和位置赋值给PY2

while((Y1(PY2,1) >=50) && (PY2<y))

PY2=PY2+1;

end %while循环得到的和最大像素点连通的区域的下边界

%求的车牌的列起始位置和终止位置

X1=zeros(1,x); %定义一个1行x列的矩阵

for j=1:x

for i=PY1:PY2

if(I6(i,j,1)==1)

X1(1,j)=X1(1,j)+1;

end

end

end %通过循环，求得到像素值总和最大 的位置

PX1=1; %先将PX1赋值为1

while((X1(1,PX1)<3) && (PX1<x))

PX1=PX1+1;

end %用while循环得到左边界

PX2=x; %将PX2赋值为最大值x

while((X1(1,PX2)<3) && (PX2>PX1))

PX2=PX2-1;

end %用while循环得到右边界

PX1=PX1-1;

PX2=PX2+1;

PY1=PY1+15/915*(PY2-PY1);

PX1=PX1+15/640*(PX2-PX1);

PX2=PX2-15/940*(PX2-PX1);

%根据经验值对车牌图像的位置进行微调

I=imresize(I,[2*181,2*181]);

PX1=round(PX1);

PX2=round(PX2);

PY1=round(PY1);

PY2=round(PY2);

dw=drawRect(I,[PX1,PY1],[PX2-PX1,PY2-PY1],3);

figure('Color','white');

imshow(dw);

set(get(gca, 'XLabel'), 'String', '方位角：-90° ~ 90°');

set(get(gca, 'YLabel'), 'String', '俯仰角：-90° ~ 90°');

set(get(gca, 'Title'), 'String', '功率谱');

px1=PX1/2-91;

px2=PX2/2-91;

py1=PY1/2-91;

py2=PY2/2-91;

text(2,8,['方位角：' num2str(px1) '~' num2str(px2)],'Color','white','FontSize',14);

text(2,8+14,['俯仰角：' num2str(py1) '~' num2str(py2)],'Color','white','FontSize',14);

end

🔗 参考文献

[1]刘爱军.基于极化信息的高频地波雷达干扰抑制方法研究[D].哈尔滨工业大学,2011.DOI:10.7666/d.D264108.

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