张肖军，水鹏朗（Senior Member, IEEE），文航，段婷玉
国家雷达信号处理重点实验室，西安电子科技大学，西安，710071，中国
本文发表于 IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 63, 2025。
一、 学术背景与研究目的
本研究属于雷达信号处理与海洋遥感交叉领域，专注于提升海面监视雷达在短观测时间内对海杂波中低慢小目标的探测能力。对于高分辨率海上雷达而言，探测舰船、浮冰、潜望镜、无人机等低速度小目标是一项重要但极具挑战性的任务。其主要难点在于，海面的雷达后向散射回波，即海杂波，中常出现一种短暂的、高功率的离散散射现象，被称为“海尖峰”（Sea Spikes）。海尖峰通常源自破碎波或陡峭波的镜面反射，其雷达散射截面积（RCS）可达1平方米量级，持续时间从十分之一秒到数秒不等，这些特征与很多小型目标极为相似，导致雷达虚警率居高不下。传统的单极化雷达主要依赖扫描间处理来滤除由海尖峰引起的虚警，但这需要长达数秒甚至十余秒的观测时间，无法满足诸多需要快速反应的应用场景。因此，本研究旨在探讨全极化相干雷达体制下，海尖峰在不同极化通道间的特性差异，并提出一种在亚秒级（约0.1秒）短观测时间内快速鉴别海尖峰与真实小目标的方法，以有效降低虚警。
二、 研究工作流程
研究流程主要分为以下四个步骤：海尖峰提取方法的改进、全极化海尖峰特性分析、基于极化多普勒偏移差异的海尖峰鉴别方法提出，以及基于实测数据的验证。
1. 改进的海尖峰识别（提取）方法 研究首先对海面后向散射信号进行了精确建模。作者采用了PA模型（广义帕累托强度分布加A类噪声模型），即使用广义帕累托强度分布（GPID）对倾斜调制的布拉格散射背景（Bragg scattering background）进行建模，并将海尖峰视为离散的泊松过程。布拉格散射背景是海杂波的主体，其幅度分布具有非高斯性和重拖尾特征，而海尖峰作为异常值存在于数据中。为从布拉格背景中有效提取海尖峰，作者提出了一种三步识别法。第一步，使用异常值鲁棒的截断最大似然（TML）估计器（截断比β=0.85），从受尖峰污染的数据中精确估计出各极化下布拉格背景GPID分布的尺度和形状参数，并基于此参数和给定的虚警率α（取0.05）计算出幅度阈值，比传统的固定因子阈值法更适应海况和雷达参数的变化。第二步，利用该阈值筛选候选海尖峰样本，并加入最小时间宽度准则（0.1秒），在距离-时间图上初步定位出每个距离单元内的一维海尖峰片段。第三步，应用区域生长算法，基于四连通准则将相邻距离门上的海尖峰片段合并，从而提取出具有完整距离-时间二维支撑域的“全极化海尖峰”。
2. 全极化海尖峰的特性分析 研究者利用70组IPIX雷达数据库中的全极化数据，对提取的海尖峰进行了深入的特性分析。IPIX雷达工作于X波段，以凝视模式采集数据，包含HH、HV、VV三个极化通道的长时间（60秒）连续回波。 * 极化伴生性: 为量化海尖峰在不同极化间发生的关联性，作者引入了“极化可重复率”（Polarimetric Repeatability Rate）指标。分析发现，HH-HV、HH-VV、HV-VV三种极化对的平均可重复率分别高达71%、72%和70%，证实了海尖峰在不同极化通道间高度共时发生的特性。此外，通过引入“幅度峰均比”（APMR）指标，研究者发现在几乎所有合成得到的全极化海尖峰二维支撑域上，各极化的APMR均大于判断阈值，进一步确证了海尖峰是一种在不同极化上同步出现的大尺度散射现象。 * 多普勒偏移差异: 研究的关键发现是，同一海尖峰在不同极化通道上具有不同的多普勒偏移。通过对提取出的海尖峰进行多普勒偏移估计，结果清晰地显示了该现象。统计分析表明，HH-HV、HH-VV、HV-VV三种组合的多普勒偏移差异（DOD）具有不同的均值和标准差。虽然海尖峰的多普勒偏移因与之相关的破碎波径向速度不同而个体差异大，但该偏移差异是极化相关的固有特征。这一发现构成了区分海尖峰与目标的核心物理基础。
3. 基于极化DOD的鉴别方法提出 基于上述发现，研究提出了一套完整的“先检测后鉴别”的双阶段处理方案。第一阶段：全极化融合检测。对每个极化通道的回波数据，以极短的128毫秒相干处理间隔（CPI）进行长时间自适应相干检测。采用了一种简单有效的单元中值动目标检测（CM-MTD）算法，该算法在中重尾的复合高斯杂波背景下具有恒虚警率（CFAR）特性。然后，对HH、HV、VV三个通道的检测结果按“或”规则进行融合，得到候选目标点。此阶段以检测高SCR的目标和强海尖峰为主，保证了高检测概率，但同时也包含了大量由海尖峰引起的虚警。第二阶段：海尖峰鉴别。对每一个候选目标点，提取其全极化的雷达回波数据，通过谱峰搜索估计出其在HH、HV、VV三个极化上的多普勒频率。最后，利用构建的检验统计量，即三个极化对（HH-HV, HH-VV, HV-VV）的多普勒偏移差绝对值之和，与预先设定的门限进行比较。由于真实目标的雷达回波多普勒偏移与极化方式无关，其统计量理论上接近于零；而海尖峰因存在固有的极化多普勒偏移差异，其统计量将显著大于零。通过此判决准则，可有效剔除海尖峰虚警。
4. 实测数据验证与结果 研究者使用18组带有合作目标（漂浮的小船）的IPIX雷达数据集对所提方法进行了验证。在这些数据中，目标SCR在HH和VV极化上能达到20dB以上，而在HV极化上则较低。实验设置参数为：CPI=128毫秒，参考单元数P=24，CM-MTD的虚警率设为10^-4。实验结果显示，在全极化融合检测阶段，单元平均虚警率约为0.02-0.03。经过极化DOD鉴别器处理后，在最优门限下，平均检测概率可达0.74（部分数据集高达0.92），而单元平均虚警率降至约0.002-0.004，下降了一个数量级。判别器的平均正确分类概率约为84%，有效证实了该方法在亚秒级观测时间内既能保证对小目标的有效检测，又能显著抑制海尖峰虚警。
三、 核心结论与价值
本研究得出两个重要结论：第一，海尖峰是全极化同步发生的大尺度散射现象；第二，同一海尖峰在不同极化上的多普勒偏移存在固有差异。基于此提出的极化多普勒偏移差异海尖峰鉴别方法，成功在约0.128秒的短相干积累时间内，实现了低慢小目标的有效检测与海尖峰虚警的显著抑制。其科学价值在于深入揭示了海尖峰的全极化散射机理，为利用极化信息解决海洋目标检测难题提供了新的物理认知。其应用价值在于，该方法为高分辨率海上监视雷达在快速扫描模式下排除海尖峰虚警提供了一种高效、低延时的技术途径，打破了传统扫描间处理方法对长观测时间的依赖，对提升雷达对海面弱小目标的快速预警和跟踪能力具有重要意义。
四、 研究亮点
本研究的亮点体现在三个方面。首先，方法的新颖性：提出的基于极化DOD的鉴别器巧妙地利用了极化散射机制的物理差异，将目标检测中的极化辅助信息从传统的幅度域、相关域拓展到了多普勒域，为区分海尖峰和目标提供了鲁棒性更强的特征。其次，基础发现的创新性：通过大样本的IPIX数据分析，系统性地确证了海尖峰的极化伴生性和极化多普勒偏移差异，尤其是对HV交叉极化通道特性的深入分析，填补了该领域研究的不足。最后，工程实用性强：整套方案采用简单的CM-MTD检测器和快速频谱分析，计算复杂度低，且可在单个CPI（约0.1秒）内完成，相比于需要数秒级观测的特征检测算法，具有极高的实时性优势，易于在实际雷达系统中部署应用。