海事雷達(dá)是全球商業(yè)、運(yùn)輸和國防的關(guān)鍵組成部分。和所有雷達(dá)一樣，傳感器發(fā)射定向電磁波能量，然后測量與雷達(dá)場景中的物體相互作用后再輻射回傳感器的接收天線中的能量。

海洋環(huán)境下的雜波最重要來源是海洋本身，也就是大家所知道的“海雜波”。

由于海面具有高動態(tài)特性，對海上和沿海雷達(dá)系統(tǒng)而言，海雜波尤其具有挑戰(zhàn)性。電磁波以接近水平的入射角與海面相互作用，在如此低的掠射角度下，為了恒虛警率(CFAR)檢測而建模的海雜波統(tǒng)計(jì)分布不再適用。

海上雷達(dá)系統(tǒng)跟蹤的目標(biāo)可能被海雜波產(chǎn)生的虛假警報(bào)所淹沒，而導(dǎo)致感興趣的目標(biāo)在強(qiáng)海雜波背景下可能檢測不到。盡管數(shù)十年來進(jìn)行了大量嘗試來設(shè)計(jì)一種緩解低掠射角海雜波的手段，但以前的方法要么在計(jì)算上不切實(shí)際，要么缺乏魯棒性。

MIT林肯實(shí)驗(yàn)室正在探索使用極化雷達(dá)測量來減輕低掠射角海雜波影響的可行性。2015年10月，研究人員組裝了一套X波段全極化雷達(dá)系統(tǒng)，并收集了雷達(dá)測量數(shù)據(jù)。所得到的數(shù)據(jù)集涵蓋各種波形方案、帶寬，海況以及目標(biāo)等。

Polarimetric Co-location Layering, PCL

利用這些數(shù)據(jù)，研究人員開發(fā)了PCL算法，它可以濾除海雜波以保留目標(biāo)回波，從而減少虛警，并且能夠直接適應(yīng)雷達(dá)處理系統(tǒng)。

常規(guī)雷達(dá)處理系統(tǒng)在相干處理時(shí)間間隔(CPI)內(nèi)產(chǎn)生一系列距離-多普勒域中的檢測結(jié)果，每個(gè)CPI的檢測結(jié)果都會輸入到雷達(dá)的跟蹤器中。跟蹤器假定所有檢測都是由目標(biāo)引起的，并嘗試將傳入的檢測結(jié)果與先前的檢測結(jié)果相關(guān)聯(lián)，以跨CPI建立目標(biāo)跟蹤。

在一個(gè)給定的CPI內(nèi)，對水平極化(HH)和垂直極化(VV)的每一個(gè)“距離-多普勒”域數(shù)據(jù)進(jìn)行的二維CFAR檢測結(jié)果，以及距離-時(shí)間幅度結(jié)果都會并行輸入到PCL中(見下圖)。

PCL建立的基本原理是海面的多普勒頻譜是與極化相關(guān)的。具體來說，由HH雷達(dá)測量的海面的平均速度與VV雷達(dá)測量的速度不同。也就是說由HH檢測的海雜波的速度在CPI內(nèi)與VV測量的海雜波的速度不同。

但是，對于目標(biāo)檢測來說并不是如此。如果一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)在HH和VV測量中都有信號，那么這個(gè)目標(biāo)在CPI內(nèi)的兩個(gè)極化方向上相對于雷達(dá)的徑向速度大致相同。

PCL算法利用這個(gè)原理來濾除最終給跟蹤器的檢測結(jié)果中的海雜波導(dǎo)致的虛警。在每個(gè)CPI上，PCL包含以下2個(gè)步驟：

1 將HH和VV通道內(nèi)的檢測結(jié)果關(guān)聯(lián)起來；

2 監(jiān)測CPI中檢測對的位移，以確定哪些對隨著時(shí)間的變化而一起移動。

以這種方式可以區(qū)分不同的物體，并且與海雜波不同。PCL將由于海雜波造成的標(biāo)準(zhǔn)CFAR虛警率降低多達(dá)兩個(gè)數(shù)量級，同時(shí)保留目標(biāo)檢測性能。

由于海雜波依賴于雷達(dá)波長和觀測方向，林肯實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)，包含多個(gè)波段和觀測方向的更廣闊的數(shù)據(jù)收集將會更好的驗(yàn)證PCL。對于海上應(yīng)用，能夠測量HH和VV極化的雷達(dá)比單極化雷達(dá)的性能有顯著提高。

雖然極化雷達(dá)系統(tǒng)對設(shè)計(jì)和應(yīng)用來說更加復(fù)雜和昂貴，但這些考慮必須與使用PCL可減輕低掠射角海雜波的解決方案所獲得的能力加以權(quán)衡。