stap方法在高频雷达中的应用研究

硕士学位论文
STAP方法在高频雷达中的应用研究
STAP APPLICATION FOR HIGH FREQUENCY RADAR
张鑫
哈尔滨工业大学
2011年6月
国内图书分类号：TN911.7 学校代码：10213 国际图书分类号：621.39 密级：公开
工学硕士学位论文
STAP方法在高频雷达中的应用研究
硕士研究生：张鑫
导 师：邓维波教授
申请学位：工学硕士
学科：信息与通信工程
所在单位：电子与信息工程学院
答辩日期：2011年6月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: TN911.7
U.D.C: 621.39
Dissertation for the Master’s Degree in Engineering
STAP APPLICATION FOR HIGH FREQUENCY RADAR
Candidate： Zhang Xin Supervisor： Prof. Deng Weibo Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality： Information and Communication
Engineering
Affiliation： School of Electronics and
Information Technology
Date of Defence： June, 2011
Degree‐Conferring‐Institution：Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要
高频超视距雷达因其探测范围大、作用距离广成为世界各国的研究热点之一。

而高频超视距雷达的杂波抑制性能和对目标的探测性能是关键问题。

空时自适应处理方法（STAP）作为新兴的杂波抑制方法，已经成为各国学者研究的重要方向，并在机载雷达中得到应用。

本文目的在于找到一种适合高频超视距雷达的STAP方法。

首先，利用实测数据，对高频超视距雷达中的一阶海杂波和电离层杂波的相关性进行分析，从杂波的平稳性角度，认为一阶海杂波具有分段平稳性，电离层杂波的平稳性较复杂，其中“点形”电离层杂波具有非平稳性，“条形”电离层杂波具有平稳性。

其次，对机载雷达中的地杂波、高频雷达中的一阶海杂波和电离层杂波进行仿真，并应用全空时自适应处理方法对杂波进行抑制。

通过仿真证明，全空时自适应处理方法有很好的杂波抑制效果，但稳健性不好。

最后，介绍了局域联合处理方法、直接数据域处理方法和混合处理方法三种降维STAP方法。

分别讨论了三种方法的样本选择策略问题，在此基础上，针对局域联合处理方法，提出了频率保护单元的概念，针对直接数据域处理方法，提出了截取相参积累周期以降低计算量的思想，并将以上两种样本选择策略结合，实现混合处理方法。

通过对实测数据中的杂波抑制效果以及计算量两方面的分析比较，说明改进后的局域联合处理方法在高频雷达系统中有广阔的应用前景。

关键词：高频雷达；杂波抑制；相关性；STAP
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Abstract
High Frequency Over The Horizon Radar (HF-OTHR) has attracted much attention in recent years for its properties of large scale and long distance. Two important performances are the clutter suppression and the targets detection. Space-Time Adaptive Processing (STAP) algorithm as a new algorithm for the clutter suppression, has been one of the hot topics in the research of the HF-OTHR. And STAP algorithm has been applied in the airborne radar system.
The purpose of this study is to find out a suitable STAP algorithm for the HF-OTHR system.
Firstly, we analysed the correlation of the first-order sea clutter and the ionospheric clutter in the HF-OTHR using the measured data. By the results of analysis, we considered that the first-order sea clutter was homogeneous locally, the “point” ionospheric clutter was non-homogeneous, and the “strip” ionospheric clutter was homogeneous.
Secondly, we simulated the ground clutter in the airborne radar system, the first-order sea clutter and the ionospheric clutter in the HF-OTHR system. Then we tried to suppress these three kinds of clutter using the Fully STAP algorithm. The results showed that the Fully STAP algorithm could suppress the clutter efficiently., but it was not a robust algorithm.
Finally, we introduced the Joint Domain Localied algorithm (JDL), the Direct Data Domain algorithm (D3) and the Hybrid algorithm. We also discussed how to choose the training data. For the JDL algorithm, we proposed the conception of the Protected Frequency Units and the JDL algorithm was improved. For the D3 algorithm, the idea of truncating the Coherent Integration Time (CIT) was proposed. And we combined the two ideas for the Hybrid algorithm. By comparing the three algorithms in the performance of clutter suppression and the computational load, the improved JDL algorithm has a bright future in the application for the HF-OTHR.
Keywords：HF Radar, clutter suppression, correlation, STAP
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目 录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
第1章绪论 (1)
1.1课题背景及意义 (1)
1.2国内外研究现状 (2)
1.2.1 高频雷达的研究现状 (2)
1.2.2 STAP的研究现状 (3)
1.3本文的主要研究内容 (4)
第2章高频雷达杂波的相关性分析 (6)
2.1概述 (6)
2.2高频雷达中的杂波简介 (6)
2.2.1 海杂波简介 (6)
2.2.2 电离层杂波简介 (8)
2.2.3 实测数据分析 (9)
2.3信号的相关性分析方法 (12)
2.3.1 能量信号的相关性分析方法 (12)
2.3.2 功率信号的相关性分析方法 (13)
2.3.3 周期信号的相关性分析方法 (13)
2.4海杂波相关性分析 (13)
2.5电离层杂波相关性分析 (16)
2.6本章小结 (19)
第3章 STAP原理 (20)
3.1概述 (20)
3.2全空时自适应处理原理 (20)
3.3全空时自适应处理性能分析 (21)
3.4本章小结 (26)
第4章降维STAP原理及性能分析 (27)
4.1概述 (27)
4.2局域联合处理方法 (27)
4.2.1 JDL算法原理 (27)
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4.2.2 样本选择策略 (28)
4.3直接数据域处理方法 (32)
4.3.1 D3算法原理 (33)
4.3.2样本选择策略 (33)
4.4混合处理方法 (34)
4.4.1 D3-JDL混合算法原理 (34)
4.4.2样本选择策略 (34)
4.5三种降维STAP方法的比较 (35)
4.5.1杂波抑制性能比较 (35)
4.5.2计算量比较 (36)
4.6本章小结 (37)
结论 (38)
参考文献 (40)
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 (44)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 (45)
致谢 (46)
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第1章绪论
1.1 课题背景及意义
随着武器装备的日益发展，尤其是弹道导弹等具有远程攻击能力的武器装备的不断更新，世界各军事大国都将远距离目标探测及预警作为国防的重点研究项目。

高频超视距雷达具有范围大、距离广的特点，其对地平线以下远距离目标的探测能力是其他雷达不能比拟的。

高频超视距雷达从20世纪60年代的概念研究开始，历经40余年，仍处于不断试验、改造和发展中[1]。

高频超视距雷达工作在3~30MHz的高频波段，按电波的传播方式主要分为高频天波超视距雷达和高频地波超视距雷达。

高频天波超视距雷达利用电离层对短波的反射效应使电波传播到远方，它可以克服地球曲率的影响，实现对远距离、地平线以下目标的早期预警，其作用距离为1000至4000公里[2]。

高频地波超视距雷达利用高频电波在地球表面的绕射效应使电波沿曲线传播到远方，其作用距离为300至500公里，正好可以弥补高频天波超视距雷达的探测盲区，同时也是对国家200海里专属经济区内大范围海区进行低成本、全天候、实时和超视距监视的一种理想选择。

此外，由于高频超视距雷达工作在高频波段，飞机和舰船的雷达截面积处在谐振区，使针对微波雷达设计的隐身技术对高频雷达无效。

所以，高频超视距雷达还具有很强的反隐身能力，相对于微波雷达而言，具有不可替代的优势和意义。

但是高频超视距雷达也有它的局限性。

首先，高频超视距雷达工作在3~30MHz的高频波段，在这一频段内存在很多商用和民用电台，这就导致高频雷达接收到的信号中混杂很多电台干扰，使雷达对目标的检测性能受到影响。

此外，高频雷达的杂波环境也很复杂，除了噪声，还包括海杂波和电离层杂波，其中以电离层杂波最为复杂。

目前，人们并没有完全掌握电离层的变化规律，因此电离层杂波也是影响高频雷达探测性能的重要因素之一。

空时自适应处理方法（Space-Time Adaptive Process，简称STAP）[3,4]是由Reed和Brennan于上世纪70年代提出的[5]，其最早应用于机载雷达中，主要用于抑制地杂波。

由于地杂波具有很强的方位-多普勒频率耦合性，所以，进行空时二维同时滤波（也就是STAP）会比空时级联形式的滤波效果要好。

高频雷达中，在一个相参积累周期内，电离层杂波也会存在一定的方位-多普勒频率耦合，所以将STAP方法应用于高频雷达的电离层杂波抑制问题中，具有一定的现实意义。

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1.2 国内外研究现状
1.2.1 高频雷达的研究现状
高频超视距雷达经过了近50年的研究和发展，美国、俄罗斯、英国等军事大国在该领域都已经取得了显著的研究成果，并且仍在加强研制，开拓更多的功能。

1.2.1.1 高频天波雷达的研究现状
美国是最早研究电磁波理论的国家之一，并且一直侧重于研究天波超视距雷达。

美国的发展史大致可以分为探测弹道导弹的发射、探测远距离低空飞机及海面舰船的目标、探测低可观测性的目标三个阶段。

冷战时期，美国基于脉冲体制，先后研制出了“梯皮”计划、麦得雷和AN/FPS-95天波雷达。

其中AN/FPS-95最为成功，“梯皮”在目标方位和目标距离上只能得到大致的信息，并且多普勒分辨率较低，不能跟踪快速运动目标，如导弹，同时很容易受高频信号的干扰。

麦得雷采用了匹配滤波器多普勒处理技术，使用了模拟和数字磁鼓存储器，从而提高的多普勒分辨性能，但是它的方位分辨力仍十分有限。

后来的AN/FPS-95在这方面取得了改进。

70年代美国斯坦福研究所空间相干无线电波工作站建设了宽口径雷达设备，称为WARF。

它采用的是FMCW双站体制，为后来的天波雷达体制奠定了技术基础。

此后，通用电气公司完成了型号为AN/FPS-118的天波雷达系统，成功实现了空中小目标的探测试验，雷声公司推出了具有更好定为精度的可拆迁重建式ROTHR系统，命名为AN/FPS-71，它定位精度高，应用功能扩大，建造费用大幅降低，同时可在一周内拆除、搬运、重新安装到一个预先准备好的天线基地上。

20世纪末至今，在第一代天波雷达研究的基础上，开展了名为AOTHR的先进超视距雷达计划，其目的是对付低可观测性或隐身战略威胁目标。

20世纪50年代，俄罗斯在白俄罗斯和西伯利亚部署了两部天波雷达，用于检测洲际导弹的发射，它们都是采用脉冲体制。

80年代又为海军建造了名为LADOGA的第二代天波雷达，用于监视中国和日本海地区的飞机、舰船和战略导弹的活动情况，仍然采用脉冲体制，但是进步的是采用了数字波束合成技术。

1995年后开始研制第三代天波雷达，同样属于可搬迁重建式ROTHR系统，其特点是省去了昂贵的地网费用，对地面平坦性的要求也略微降低。

1.2.1.2 高频地波雷达的研究现状
由于地波雷达较天波雷达，具有造价低、灵敏性强和全天候的特点[2]33-34，使高频地波雷达技术得到迅速发展。

20世纪80年代末，美国研制的用于探测海洋环境的高频地波雷达系统就
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已经进入市场，应用于海洋学研究，以及海冰、大型舰船目标的日常监测。

英国马可尼公司在20世纪90年代研制出了用于探测低空飞机、导弹及海上舰船的预警系统S123和S124。

S123是一种低/高空监视雷达，S124是远程舰船和中程飞机监视雷达，两种型号都由固态发射机、数字接收机系统和天线阵列组成，是模块化结构，适合运输。

俄罗斯于20世纪90年代研制的“移动式”发/收分置地波雷达，用于探测海上舰船及飞机目标，民用型号命名为“金牛座”，军用型号命名为“向日葵”。

“金牛座”是目前体制上较为合理的一个系统，同时它还应用了自适应波束形成技术，可以同时对消空间的5个干扰源。

加拿大于1990年在纽芬兰东海岸Cape Race建成了第一部地波雷达，称为加拿大超视距海岸实验雷达。

该雷达已于1990年6月正式启用，实时监视大西洋和劳伦斯海湾之间航行的船只，实时探测和跟踪舰船、冰山和飞机，同时还可以提供海面水流和波浪的海洋信息。

澳大利亚的高频超视距雷达的研究是从天波开始的，并于80年代末建成了三部Jindalee雷达，Jindalee是包括天波和地波在内的高频雷达网络计划。

1998年，还在Darwin部署了一部Iluka地波雷达。

我国的高频超视距雷达研究也是从天波开始。

20世纪70年代，由中国电子科技集团22所和14所联合开始研究，先后研制了单站脉冲多普勒体制和双站调频连续波频域检测体制的天波超视距雷达。

80年代初哈尔滨工业大学开始开展高频地波雷达的研究工作，并获得了大量的宝贵数据。

1997年武汉大学启动863计划中的高频地波雷达OSMAR2000，并于2000年12月通过验收，实现对海浪表面流、浪高、风场等进行观测。

1.2.2 STAP的研究现状
美国著名科学家Brennan和Reed教授提出空时自适应处理理论，但是由于多种技术的限制，该理论与技术一度发展缓慢，但是，在最近20年中发展极为迅速，成为雷达领域的热门研究方向，引起了国内外学者的浓厚兴趣和高度重视。

STAP方法最初应用于机载雷达中，用来抑制地杂波，由于地杂波强度大，空时耦合性强，对机载雷达的探测性能影响很大，而STAP方法具有很好的空时干扰抑制性能。

但是由于空时自适应处理的系统维数较高，处理过程中的计算量很大，无法满足系统的实时性要求，此外高频雷达的杂波环境很复杂，这就给准确的估计杂波协方差矩阵带来了难题。

因此一般都采用部分自适应处理的方法进行降维处理。

目前，针对平稳杂波，STAP处理方法主要有：局域联合
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处理方法（JDL）[6-9]、空时多波束方法（STMB）[10]、线性方程求解法[11]、TDS[12]；针对非平稳杂波，主要有：直接数据域法（D3）[13]、无味变换法（UT）[14]、AR模型[15]和SDS[12]，此外为了降低计算量，还有多相滤波器方法[16]和快速全空时自适应算法（FFA）[17]。

澳大利亚的国防科学与技术组（DSTO）中的yuri Abramovich博士和Giuseppe Fabrizio博士领导的团队在STAP方法在高频雷达中的应用方面做了大量的研究[18-21]。

此外，加拿大的Maryam Ravan，Oliver Saleh，Raviraj S.Adve 等人对STAP方法在高频地波雷达中的应用也进行了大量的工作，并初步对JDL、D3、JDL和D3的混合算法[22]、参数化的匹配滤波算法（PAMF）[23]进行了仿真和实测数据的分析，并提出了一种可以降低计算量的FFA方法。

文献[24]指出，混合算法和PAMF算法都具有很好的杂波抑制性能，FFA算法可以在保持杂波抑制性能的前提下，降低计算量，加快系统的处理速度，但是并没有给出一个确切的FFA算法训练样本的选择策略，这一课题有待在之后的研究中深入探讨。

由于实际系统往往会存在阵列误差，因此就引出了STAP算法的稳健性问题，虽然在算法的稳健性方面取得了一些成果[25,26]，但是寻找一种杂波特性依赖性低、计算量小、稳健性强的STAP方法仍是我们努力的目标。

1.3 本文的主要研究内容
本文主要完成了以下方面的研究：第一，利用收/发双基地高频雷达接收的实测数据对一阶海杂波以及电离层杂波的相关性进行分析；第二，对全空时自适应处理方法进行仿真性能分析，阐述了这种理想算法不可能在实际高频雷达中得到应用，并针对存在的难题，介绍了降维STAP方法；第三，对JDL、D3以及D3-JDL混合处理方法这三种经典降维STAP方法进行介绍，针对样本选择策略的问题提出改进方法或者改进思想，并分别对平稳杂波和非平稳杂波进行抑制。

第一章为绪论部分，介绍了此课题的研究背景及意义，以及高频雷达和STAP方法的国内外研究现状。

第二章简单介绍了高频雷达中的海杂波和电离层杂波的成因及特性，利用实测数据对海杂波及电离层杂波的相关性进行分析，为第四章中应用降维STAP 方法时的杂波背景环境提供平稳性依据。

第三章对全空时自适应处理方法进行介绍，并通过仿真机载雷达中的地杂波、高频雷达中的海杂波和电离层杂波对全空时自适应处理方法的杂波抑制性能进行分析。

第四章详细介绍了JDL、D3和D3-JDL混合处理方法的原理，针对高频雷
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达系统，对样本选择策略进行初步的讨论，并分别对平稳杂波和非平稳杂波进行抑制。

在文章的结论部分，对本文进行了总结，并指出了下一步需要继续研究的问题。

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第2章高频雷达杂波的相关性分析
2.1 概述
高频雷达系统的杂波环境是复杂多样的，其中对目标探测性能影响最大的是海杂波和电离层杂波。

人们对海杂波的特性研究已经有五十多年的历史。

从D.D.Crombile最初定性的揭示海浪对雷达电波有散射作用，到D.E.Barrick运用边界微扰法定量的解释了一阶海杂波的形成机制，再到各国学者对海杂波的深入研究，无论是以统计特性来分析模拟海杂波[27-29]，还是以混沌特性来研究海杂波[30]，对于不同体制的雷达，在不同条件、不同环境下的海杂波也是不同的。

所以，至今为止仍没有一个普适的理论来描述海杂波的特性[31]。

电离层杂波非常不稳定，与季节、时间、天气、地理位置等因素密切相关。

目前，人们尚未全面了解电离层的变化规律，只能针对电离层的某些特点对电离层杂波进行仿真。

文献[24]在Fabrizio和Riddolls提出的电离层杂波数据模型的基础上，发展出了更加符合加拿大当地电离层情况的数据模型。

尽管电离层杂波复杂多样，但是人们在了解电离层杂波特性方面的努力从未停止过。

文献[1]中，根据处理后的多普勒频谱的形态将电离层大致分为“条形”干扰、“点形”干扰、扩展型干扰、慧尾型干扰、扩展阻塞型干扰等等。

文献[32,33]对电离层杂波的空间特性进行了分析，认为电离层杂波只出现在某些距离单元内，并且在方位上的分布是不均匀的。

本章利用收/发双基地高频雷达的实测数据，分析一阶海杂波和电离层杂波在距离维上的相关性。

2.2 高频雷达中的杂波简介
2.2.1 海杂波简介
最早在二战期间，英国海边防控雷达网就捕获了不明回波，后来新西兰、澳大利亚的科学家在海边进行电离层观测时也都发现了这种不明回波，这是对海杂波最早的发现。

直到1972年，D.E.Barrick运用边界微扰法定量解释了随机海面上一阶回波的形成机制，同年他又导出了一个将雷达电波二阶海面回波的多普勒频率谱与海面风浪场的浪高谱相联系的二维非线性积分方程，对雷达的二阶回波数学表达式的解释揭示了海浪与雷达电波之间的二次相互作用机制[34]。

高频雷达探测海面实验得到的一阶海杂波多普勒频率如图2-1所示。

它主要是
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由关于0Hz 中心对称的两个尖峰构成。

图2-1 高频雷达一阶海杂波多普勒频谱
根据傅里叶理论，随机运动的海面可以表示为具有不同幅度、相位、频率和运动方向的波的叠加，然而海面上所有存在的重力波都满足色散关系，这就确定了可以传播的海波相位传播速度与其波浪长度p v L 的关系：
p v =其中 为重力加速度。

g 假设波长为λ的雷达电波以角度θ入射到海面上，当满足式(2-2)时，产生谐振现象，这种现象类似于光栅理论中的Bragg 散射，因而后来就将海浪对雷达电波的散射机制成为Bragg 散射，将图2-1中的两个尖峰称为Bragg 峰。

cos 2
L λθ= (2-2) 由此产生的多普勒频移，可表示为
2p
b v f λ=±==== (2-3) 对于收/发双基地高频雷达系统，收/发站和目标的几何关系可以用图2-2来表示。

图2-2 收/发双基地高频雷达系统示意图
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其中，0R 为发射站和接收站的距离，T R 为目标距发射站的距离，r R 为目标距
接收站的距离，β为双基地角。

双基地海杂波的多普勒频移可表示为
b f ==由于双基地角的存在，会导致一阶海杂波频谱展宽[35,36]。

2.2.2 电离层杂波简介
电离层是高层大气电离了的部分，它可以对高频电波产生折射作用，高频天波雷达正是利用这个特性实现电波的远距离传播。

但是电离层是高度不稳定的，存在多径效应、多普勒频移、相位起伏、频谱扩散等效应[37]。

高频地波雷达中，由于发射天线会有部分电磁波向上辐射，经过电离层反射，经各种路径到达雷达接收机，形成电离层杂波。

电离层按电子浓度随高度变化分为D 层、E 层和F 层，E 层中又会出现突发E 层（Es 层），F 层可分为F1层和F2层，其中Es 层的浓度要比E 层高，在中国较为常见。

它们的大致区域和位置见表2-1。

表2-1 电离层大致区域和位置
区域 近似高度(Km)层 最大电离高度(Km)
电子浓度(cm -3)附注 D 60~90 D 75~80 1×103~1×104
夜间消失 E 90~140 E 、Es 100~120
2×105不稳定浓度和出现均不稳定F >140 F1 F2 160~200
250~450 3×105 1×106~2×106夏季白天多出现 在高频雷达中，电离层杂波主要来自于E 层和F 层的影响。

相关于E 层的电离层杂波可以分为如下几种：
1. E 层镜面反射杂波；
2. E 层多次反射杂波；
3. 突发Es 层反射杂波；
4. 扩展E 层杂波。

相关于F 层的电离层杂波可以分为如下几种：
1. F 层镜面反射杂波；
2. F 层多次反射杂波；
3. 扩展F 层杂波。

其中，E 层杂波对雷达性能的影响要小于F 层杂波的影响。

这是因为首先E 层的杂波幅度要低于F 层杂波，其次，多数E 层杂波出现在距离雷达200公里以内，在这一范围内，目标的幅度较大，利于检测。

此外，E 层只在白天存在，夜间
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消失，而F层是全天存在的。

2.2.3 实测数据分析
本文所使用的数据参数为：雷达工作频率为13MHz，信号形式为间断线性调频信号，信号周期为21ms，信号带宽为40KHz，相参积累周期为40.96s，接收阵列为8元均匀线阵，波束间隔为6度，双站距离为785公里，双站连线方向与接收天线阵法线方向夹角为31度。

图2-3为第一个积累周期，经过数字波束形成后，波束指向-30度的距离-多普勒谱。

图2-3 第一个积累周期-30方向的距离-多普勒谱
如图2-3所示，第10个距离单元至第26个距离单元，可以看到清晰的海杂波，其中18、19、20距离单元海杂波最为清晰，且杂波和干扰很少。

同时，在±0.5Hz 之间，第27个距离单元至第50个距离单元处，存在“点形”电离层杂波；在0.5Hz 至1.5Hz之间，第62个距离单元至第68个距离单元处，存在“条形”电离层杂波。

这些杂波都会影响高频雷达对目标的检测性能。

图2-4为第19个距离单元的多普勒剖面，从图中可以看出，在这一距离单元内，海杂波明显占优，不存在其它杂波和干扰。

图2-5为第19个距离单元的角度-多普勒谱。

从图中可以看出，海杂波在各个角度均存在，且能量分布较为均匀。

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图2-4 海杂波多普勒剖面
图2-5 海杂波的角度多普勒谱
图2-6为第41个距离单元的多普勒剖面，从图中可以看出，在±0.5Hz之间，由于存在“点形”电离层杂波，噪底被明显抬高。

图2-7为第41个距离单元的角度-多普勒谱，从图中可以看出，在±0.5Hz之间，电离层杂波是普遍存在的，且在角度上的能量分布不均匀，存在一定的方向性。

图2-8为第67个距离单元的多普勒剖面，从图中可以看出，在0.5Hz~1.5Hz 之间，由于存在“条形”电离层杂波，噪底被明显抬高。

图2-9为第67个距离单元的角度-多普勒谱，从图中可以看出，假如在这个范围内存在弱目标，将给检测带来困难。

在0.5Hz~1.5Hz间，普遍存在电离层干扰，且存在一定方向性。

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图2-6 “点形”电离层杂波多普勒剖面
图2-7 “点形”电离层杂波的角度-多普勒谱
图2-8 “条形”电离层杂波角度-多普勒剖面。