基于MTI技術(shù)改善雷達(dá)識別目標(biāo)性能方法

朱澤鋒，王鵬宇

(中國人民解放軍91913部隊(duì)技術(shù)室，遼寧大連 116041)

1 多普勒處理和運(yùn)動目標(biāo)指示概述

多普勒處理是指對接收到來自某一固定距離單元、一段時(shí)間內(nèi)的信號進(jìn)行濾波或譜分析處理。一般來說，來自一個(gè)距離單元的慢時(shí)間信號的頻譜包含著噪聲、雜波以及一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)信號。接收機(jī)噪聲在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)均勻分布。雜波占據(jù)了譜的一部分。譜中以雜波作為主要干擾的部分通常稱為雜波區(qū)，以噪聲作為主要干擾的譜區(qū)稱為清潔區(qū)。雜波區(qū)和清潔區(qū)之間的過渡部分被定義為過渡區(qū)。在過渡區(qū)內(nèi)，噪聲和雜波都是主要的干擾源。靜止目標(biāo)出現(xiàn)在零多普勒頻率處，而運(yùn)動目標(biāo)出現(xiàn)在譜的任何位置，這個(gè)位置取決于目標(biāo)相對于雷達(dá)的徑向速度。多普勒處理用于在多普勒域分離目標(biāo)和雜波信號。雜波信號可以被直接濾除，保留下來的目標(biāo)信號便成為最強(qiáng)的信號，或把多普勒譜直接計(jì)算出來，而位于雜波區(qū)外的目標(biāo)信號就可根據(jù)超過噪聲電平的頻率分量被檢測出來。

運(yùn)動目標(biāo)指示(MTI)是指完全在時(shí)域?qū)β龝r(shí)間信號進(jìn)行處理。而脈沖多普勒處理是指在多普勒域?qū)π盘栠M(jìn)行處理。MTI處理只需較低的運(yùn)算量，但其獲得的信息較為有限。脈沖多普勒處理要求較大的運(yùn)算量，但能獲得更多信息和更高的信干比。為便于把高速目標(biāo)從靜止目標(biāo)和相對低速的目標(biāo)中分離出來，以利于快速準(zhǔn)確捕獲和測量目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)，需要采用MTI+多普勒處理的方式對接收機(jī)所接收的信號進(jìn)行處理。

2 MTI的基本原理

雷達(dá)接收到的由M個(gè)連續(xù)脈沖組成的回波信號，經(jīng)相干解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)形成的一個(gè)二維數(shù)據(jù)矩陣，此矩陣對應(yīng)雷達(dá)三維數(shù)據(jù)塊的一個(gè)二維水平切面。也就是說，對每個(gè)天線，相位中心都接收一個(gè)類似的數(shù)據(jù)矩陣。對于一個(gè)單孔徑天線系統(tǒng)或陣列天線的某一固定波束形成輸出，只能形成單個(gè)二維數(shù)據(jù)矩陣。

二維數(shù)據(jù)矩陣中的每個(gè)列對應(yīng)于對一個(gè)脈沖的連續(xù)采樣，即連續(xù)的距離門。列中的每個(gè)元素都是一個(gè)復(fù)數(shù)，代表一個(gè)距離單元的實(shí)部和虛部分量。因此，二維數(shù)據(jù)矩陣中的每一行代表對同一個(gè)距離單元的一連串脈沖測量。快時(shí)間或距離維的采樣率至少為發(fā)射脈沖的帶寬，因此其量級為幾百kHz到幾十甚至幾百M(fèi)Hz之間。慢時(shí)間或脈沖數(shù)維按雷達(dá)的脈沖重復(fù)間隔進(jìn)行采樣。因此慢時(shí)間維的采樣率為PRF，其量級為幾kHz到幾十kHz，有時(shí)達(dá)到幾百kHz。多普勒濾波是對矩陣的行數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。

MTI處理器對慢時(shí)間數(shù)據(jù)序列執(zhí)行一個(gè)線性濾波處理，以抑制數(shù)據(jù)中的雜波分量。利用平臺運(yùn)動和場景的幾何信息把雜波多普勒譜中心搬移到零多普勒譜頻率處。然后利用高通濾波完成雜波衰減，保留了位于多普勒清潔區(qū)中的運(yùn)動目標(biāo)。MTI濾波和目標(biāo)檢測過程如圖1所示。

圖1 MTI濾波和目標(biāo)檢測框圖

經(jīng)過高通MTI濾波器的輸出成為一個(gè)新的慢時(shí)間信號，它包含噪聲以及可能存在的一個(gè)或多個(gè)運(yùn)動目標(biāo)信號。此慢時(shí)間信號再經(jīng)過一個(gè)門限檢測器。如果MTI濾波輸出的信號幅度超過檢測門限，則表明目標(biāo)的存在。在MTI處理中只能給出目標(biāo)是否存在的判決信息，并沒有提供任何關(guān)于目標(biāo)多普勒頻率的估計(jì)信息，也沒有提供目標(biāo)徑向運(yùn)動方向的正負(fù)號信息。也就是說，它能夠判斷目標(biāo)的存在，但不能確定目標(biāo)多普勒頻率的大小和方向。而且，它也不能提供目標(biāo)存在的數(shù)目信息。如果多個(gè)運(yùn)動目標(biāo)同時(shí)存在于某個(gè)特定距離單元的慢時(shí)間信號中，MTI處理結(jié)果也僅給出“目標(biāo)存在”的判決。另一方面，MTI處理簡單、運(yùn)算量較低。盡管處理形式簡單，但一個(gè)精心設(shè)計(jì)的MTI處理器還是能夠使信雜比(SNR)改善幾dB到20 dB。對于某些雜波環(huán)境，如海雜波影響強(qiáng)烈的區(qū)域，甚至能改善更多。

3 MTI設(shè)計(jì)的主要任務(wù)與仿真分析

MTI設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是選擇所要使用的特定濾波器。典型的MTI濾波器是一個(gè)低階、簡單的形式。實(shí)際上，許多普通的MTI濾波器都是基于簡單的探索式設(shè)計(jì)方法。假設(shè)一個(gè)固定雷達(dá)照射一個(gè)被理想靜止雜波包圍的運(yùn)動目標(biāo)。對于每個(gè)脈沖，其回波信號中的雜波分量都相同，而運(yùn)動目標(biāo)分量的相位會隨距離的變化而改變。對連續(xù)脈沖對的回波進(jìn)行相減，就可以完全對消雜波分量，而目標(biāo)信號由于其相位的改變，通常不被對消掉或不被完全對消掉。因此，實(shí)現(xiàn)MTI的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)合適的脈沖對消器[1]。

3.1 脈沖對消處理原理

當(dāng)固定目標(biāo)、海雜波與運(yùn)動目標(biāo)處于同一距離單元時(shí)，前者的回波通常較強(qiáng)，以至于運(yùn)動目標(biāo)的回波被“淹沒”其中，故必須設(shè)法對二者進(jìn)行區(qū)分。因固定目標(biāo)回波中的多普勒頻率為零，慢速運(yùn)動的雜波中所含的多普勒頻率也集中在零頻附近，它們的回波經(jīng)相位檢波后，輸出信號的相位將不隨時(shí)間變化而變化或僅隨時(shí)間作緩慢變化，反映在幅度上則為其幅度不隨時(shí)間變化而變化或隨時(shí)間緩慢變化[2-3]。相反，運(yùn)動目標(biāo)回波經(jīng)相位檢波輸出后，因其相位隨時(shí)間變化較大，反映在幅度上也是其幅度隨時(shí)間變化而變化。因此，若將同一距離單元在相鄰重復(fù)周期內(nèi)的相位檢波輸出作相減運(yùn)算，則固定目標(biāo)回波將被完全對消，慢速雜波也將得到很大程度的衰減，只有運(yùn)動目標(biāo)回波得以保留。顯然這樣便可將固定目標(biāo)、慢速雜波與運(yùn)動目標(biāo)區(qū)別開。這就是MTI對消的基本原理[3]。

3.2 脈沖對消器

為便于對脈沖對消器的基本原理進(jìn)行理解，下面分別以二脈沖對消器和三脈沖對消器為例進(jìn)行分析。圖2為二脈沖對消器的流程圖。

圖2 二脈沖對消器的流程圖

圖2中，輸入數(shù)據(jù)為對同一距離單元連續(xù)脈沖采樣的基帶復(fù)數(shù)據(jù)序列。x[n]是一個(gè)離散時(shí)間序列，其有效采樣時(shí)間間隔t等于脈沖重復(fù)間隔。此線性有限沖激響應(yīng)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為H(z)=1-z-1。把z=ej2πft代入系統(tǒng)函數(shù)中，得到以模擬頻率F為變量的頻率響應(yīng)函數(shù)，即

式(1)中，二脈沖對消器確實(shí)在零多普勒頻率處起到了抑制雜波能量的作用，使得運(yùn)動目標(biāo)的譜分量或被部分衰減，或被放大，被衰減或被放大最終取決于譜分量在多普勒軸中的準(zhǔn)確位置。

二脈沖對消器是一個(gè)簡單的濾波器。它的實(shí)現(xiàn)不需乘法運(yùn)算，每一個(gè)輸出采樣只需一次減法運(yùn)算。然而，與理想的高通濾波器相比，它只是近似，但效果差。二脈沖對消器的一個(gè)常規(guī)改進(jìn)就是三脈沖對消器，由兩個(gè)二脈沖對消器級聯(lián)得到。圖3給出了二脈沖/三脈沖對消器歸一化頻率響應(yīng)，三脈沖對消器能夠明顯地改善零多普勒附近的凹口寬度，但并不能改善非零多普勒頻率處運(yùn)動目標(biāo)的響應(yīng)。三脈沖對消器的每一個(gè)輸出采樣只需兩次減法運(yùn)算。

圖3 二脈沖/三脈沖對消器歸一化頻率響應(yīng)

盡管結(jié)構(gòu)簡單，但對于具有中等到較高脈沖相關(guān)性的雜波，二脈沖和三脈沖對消器是有效的。通過對雜波序列進(jìn)行仿真研究可以得出以下結(jié)論:一個(gè)白噪聲序列通過一個(gè)具有高斯功率譜的低通濾波器，在歸一化頻率上的標(biāo)準(zhǔn)差為整個(gè)頻譜寬度的5%。雜波序列通過二脈沖對消器后，其功率衰減了13.4 dB，而對于三脈沖對消器，輸出功率衰減了21.9 dB。

3.3 系統(tǒng)仿真分析

基于Matlab的雷達(dá)系統(tǒng)仿真框圖，如圖4所示。由于本系統(tǒng)只為仿真雷達(dá)系統(tǒng)處理部分，輸入的是中頻段回波。雷達(dá)發(fā)射采用線性調(diào)頻信號，回波信號中包括2個(gè)速度為50 m/s和110 m/s運(yùn)動目標(biāo)回波，一個(gè)固定目標(biāo)的回波用來檢驗(yàn)MTI性能，信號淹沒在系統(tǒng)噪聲當(dāng)中。接收信號首先經(jīng)過數(shù)字正交解調(diào)得到I，Q兩路信號，分別對這兩路信號進(jìn)行頻域脈沖壓縮處理，之后進(jìn)行一次二脈沖對消，將對消后的信號進(jìn)行多普勒濾波。濾波后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理就可得到速度和距離信息。

圖4 雷達(dá)仿真系統(tǒng)框圖

圖5是正交解調(diào)后的波形，這時(shí)的信號脈沖和噪聲混疊在一起無法分辨出有用信息。

圖5 I，Q兩路數(shù)據(jù)波形

由圖6可見，在接收信號進(jìn)行脈沖對消之前，運(yùn)動信號與固定目標(biāo)和噪聲幅值大小難以區(qū)分，而經(jīng)過MTI處理后，多數(shù)干擾被抵消掉，運(yùn)動目標(biāo)清晰的顯示出來。對這樣的信號進(jìn)行多普勒濾波可以得到正確的目標(biāo)信息。

圖6 脈沖對消前后接收信號波形模值

圖7是沒有經(jīng)過MTI處理的多普勒濾波結(jié)果，從圖中可以看出，接收回波中的固定目標(biāo)被誤判為低速運(yùn)動目標(biāo)。

圖7 未經(jīng)MTI處理的多普勒濾波結(jié)果

圖8顯示的是經(jīng)過MTI處理的多普勒濾波結(jié)果，與圖7相比，固定目標(biāo)經(jīng)脈沖對消處理后被抵消，得到正確的運(yùn)動目標(biāo)信息。經(jīng)計(jì)算速度信息有1.4%的誤差，如果增加濾波器的組數(shù)，可以減小速度誤差。MTI技術(shù)在雷達(dá)目標(biāo)的識別、探測和跟蹤過程中起著關(guān)鍵的作用。

圖8 經(jīng)過MTI處理的多普勒濾波結(jié)果

4 MTI技術(shù)運(yùn)用實(shí)際

為改善復(fù)雜海雜波條件下雷達(dá)捕獲被測目標(biāo)的性能，某新型脈沖雷達(dá)采用4個(gè)二脈沖對消器級聯(lián)的方式來消除海雜波對被測目標(biāo)回波信號的影響。經(jīng)過230 h對海雜波的特性錄取和分析，提取出海雜波的平均多普勒功率譜，并以此作為門限，可極大地提高在強(qiáng)雜波干擾條件下捕獲并連續(xù)跟蹤被測目標(biāo)的概率。對于徑向速度＞3 m·s-1的目標(biāo)，可達(dá)到99.9%以上的捕獲概率。

5 結(jié)束語

在監(jiān)視雷達(dá)或測量雷達(dá)中引入MTI技術(shù)，可在較大程度上衰減固定目標(biāo)回波和雜波，從而大大改善運(yùn)動目標(biāo)回波信號的強(qiáng)度，使運(yùn)動目標(biāo)從固定目標(biāo)和雜波中分離出來，這樣雷達(dá)就可以快速發(fā)現(xiàn)外來運(yùn)動目標(biāo)，并對其進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的跟蹤測量。

[1]古小月.某雷達(dá)雜波抑制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2010.

[2]姜曉靜，吳仁彪，盧曉光.基于MTI濾波器特性的改進(jìn)直接數(shù)據(jù)域算法的研究[J].南京信息工程大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009(2):116-120.

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