一種用于VTS 導(dǎo)航雷達(dá)的雜波圖恒虛警率處理技術(shù)

練學(xué)輝，丁 春

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室，南京 210003;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

船舶交通管理系統(tǒng)(Vessel Traffic Services，簡(jiǎn)稱VTS）中的導(dǎo)航雷達(dá)一般是固定部署，提供水面船只或者浮標(biāo)等目標(biāo)的點(diǎn)跡或航跡供用戶使用。部署于國(guó)內(nèi)某VTS中的導(dǎo)航雷達(dá)全天候工作，監(jiān)視范圍從幾千米到幾十千米不等，需要處理包括江面雜波、云雨雜波、地物雜波等在內(nèi)的各種雜波。對(duì)于固定部署的雷達(dá)，常采用各種雜波圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)恒虛警率檢測(cè)。JY-14雷達(dá)是一部現(xiàn)代三坐標(biāo)對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)，采用了多種雜波圖，不僅提供氣象雜波的速度圖，也提供地雜波的雜波輪廓圖。ASR-10SS 是一種用于航管的監(jiān)視雷達(dá)，雜波圖技術(shù)在其中的功能包括零頻通道切向目標(biāo)檢測(cè)、各頻道CFAR 門限控制、控制射頻和中頻的衰減、提供氣象速度圖、濾除固定雜波等。利用經(jīng)典的雜波圖理論，對(duì)于地物雜波的處理可以獲得比較理想的效果，但在某些極端環(huán)境下會(huì)有較多剩余雜波。例如，當(dāng)風(fēng)力較大時(shí)，江面波浪會(huì)產(chǎn)生服從瑞利分布的雜波。經(jīng)典的雜波圖理論使用一定時(shí)間內(nèi)雜波功率的均值估計(jì)檢測(cè)門限，產(chǎn)生較多剩余雜波，導(dǎo)致較大虛警。當(dāng)剩余雜波超過一定數(shù)量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生飽和現(xiàn)象。有序統(tǒng)計(jì)的方法可以有效解決這類問題，但涉及到單元格內(nèi)部所有雷達(dá)分辨單元幅度的排序，計(jì)算量較大，對(duì)硬件要求較高。本文引入自適應(yīng)剩余雜波飽和抑制技術(shù)，可以迅速判斷并解決剩余雜波飽和的問題。

1 雜波圖恒虛警率處理模型

雜波圖恒虛警率處理一般涉及以下三個(gè)重要的方面，一是雜波圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何劃分，二是每一個(gè)雜波圖單元格中的雜波功率如何估計(jì)，三是雜波圖單元格中的檢測(cè)門限如何根據(jù)雜波功率設(shè)置。

1.1 雜波圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雜波圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指對(duì)于監(jiān)視區(qū)域如何劃分。最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將雜波圖單元格的距離寬度和方位寬度都設(shè)為相同。針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境，常需結(jié)合實(shí)際情況及距離遠(yuǎn)近，選擇更細(xì)致復(fù)雜的劃分方式，需要解決好雜波拓?fù)渑c環(huán)境匹配、工程易用性等問題。在該VTS中，一般在10 km左右就有橋梁遮擋或者是航道彎曲帶來的遮擋，實(shí)際有效監(jiān)視距離大約是10 km，背景環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單。雜波圖中所有單元格的距離寬度設(shè)為實(shí)際探測(cè)區(qū)域中絕大多數(shù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波距離寬度的5 倍，方位寬度設(shè)為實(shí)際探測(cè)區(qū)域中絕大多數(shù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波方位寬度的3 倍，即可與實(shí)際環(huán)境較好地匹配。雜波圖單元格過小，會(huì)以較大的概率產(chǎn)生“自遮蔽”效應(yīng);雜波圖單元格過大，可能會(huì)同時(shí)包含江面、船只、浮標(biāo)、橋梁、島嶼等不同類型的回波，導(dǎo)致雜波分布的改變，導(dǎo)致較大的虛警率或者較大的恒虛警率損失。本文不考慮雜波圖單元格包含橋梁和島嶼的情況，只考慮雜波圖單元格最多包含江面、船只、浮標(biāo)3種回波的情況。

1.2 雜波功率估計(jì)

對(duì)于某一雜波圖單元格，在第k個(gè)天線周期掃描后，首先計(jì)算出當(dāng)前單元格內(nèi)所有雷達(dá)分辨單元上的平均幅度，記為xk，雜波功率可以通過簡(jiǎn)單的一階遞歸濾波器得到。該濾波器的數(shù)學(xué)形式為

1.3 雜波圖格子的檢測(cè)門限

在第k個(gè)天線周期，某一雜波圖單元格內(nèi)的檢測(cè)門限可以由下式計(jì)算得到:

式中α 是關(guān)于檢測(cè)門限與雜波功率估計(jì)的比例系數(shù)。檢測(cè)門限是基于上一個(gè)天線周期的雜波功率估計(jì)，而不包含當(dāng)前天線周期的掃描數(shù)據(jù)。如果當(dāng)前天線周期該單元格包含目標(biāo)且參與統(tǒng)計(jì)，則將會(huì)影響對(duì)雜波的估計(jì)，抬高檢測(cè)門限，從而可能導(dǎo)致所謂的自遮蔽效應(yīng)。

1.4 自適應(yīng)剩余雜波飽和抑制

剩余雜波飽和產(chǎn)生的原因是對(duì)于雜波功率估計(jì)偏小，或者是式(2）中的比例系數(shù)α 偏小，需要將檢測(cè)門限增大，以抑制雜波剩余飽和的現(xiàn)象。

記p為預(yù)設(shè)的過檢測(cè)門限的雷達(dá)分辨單元數(shù)與雜波圖單元格內(nèi)雷達(dá)分辨單元數(shù)N 之比的上限，r 是一微調(diào)增量。當(dāng)過檢測(cè)門限的雷達(dá)分辨單元數(shù)大于p×N時(shí)，將檢測(cè)門限Tk增加r，再將各過檢測(cè)門限的雷達(dá)分辨單元與檢測(cè)門限比較，統(tǒng)計(jì)過檢測(cè)門限的雷達(dá)分辨單元數(shù)，直到該數(shù)值小于p×N為止。其中，微調(diào)增量r的取值一般不超過熱噪聲雜波幅度在最近一段時(shí)間內(nèi)的最大變化范圍。p的取值需要通過統(tǒng)計(jì)雜波圖單元格中最大可容納目標(biāo)所含有的雷達(dá)分辨單元數(shù)來確定。采用這種方法增大檢測(cè)門限，既減少了剩余雜波，也考慮到了船只的反射功率一般比江面雜波強(qiáng)的情況。

工程中使用包含自適應(yīng)剩余雜波飽和抑制的雜波圖恒虛警率處理某一雜波圖單元格的流程如圖1所示。

圖1 雜波圖恒虛警率處理流程圖

2 仿真分析

選取某導(dǎo)航雷達(dá)含有雨雜波的雷達(dá)視頻，按照方位7.5°、距離450 m 劃分雜波圖單元格，以下對(duì)于其中某一單元格應(yīng)用雜波圖恒虛警率處理進(jìn)行分析。圖2所示為該單元格中的雷達(dá)視頻，其中含有一個(gè)浮標(biāo)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，幅度的最小值為1900，最大值為2700。

圖2 某單元格中的雷達(dá)視頻

2.1 雜波功率估計(jì)的收斂速度的比較分析

圖3 各個(gè)天線周期的雜波功率估計(jì)

2.2 剩余數(shù)的比較分析

因子w 設(shè)為0.3，雜波功率估計(jì)的初始值^x0取為1960，式(2）中的比例系數(shù)α 設(shè)為1，過檢測(cè)門限的雷達(dá)分辨單元數(shù)與雜波圖單元格內(nèi)雷達(dá)分辨單元數(shù)之比的上限p分別設(shè)為0.1、0.15、0.2和0.25，檢測(cè)門限的微調(diào)增量設(shè)為20，運(yùn)行30個(gè)天線周期。

圖4所示為檢測(cè)門限的幅度值。上限p為0.1 對(duì)應(yīng)的檢測(cè)門限比其他的都高，上限p為0.2和0.25 對(duì)應(yīng)的檢測(cè)門限基本一致。

圖4 最大比例不同時(shí)的檢測(cè)門限的幅度值

圖5所示為計(jì)算檢測(cè)門限的次數(shù)。上限p為0.1時(shí)，在雜波功率估計(jì)收斂后計(jì)算檢測(cè)門限的次數(shù)在3～5。上限p為0.2和0.25時(shí)，在雜波功率估計(jì)收斂后只需要計(jì)算一次檢測(cè)門限，因?yàn)楦鶕?jù)式(2）計(jì)算一次檢測(cè)門限就可以保證過檢測(cè)門限的雷達(dá)分辨單元數(shù)滿足比例要求。

圖5 最大比例不同時(shí)的計(jì)算檢測(cè)門限的次數(shù)

圖6為過檢測(cè)門限的雷達(dá)分辨單元數(shù)。上限p 取值為0.15、0.2和0.25時(shí)，在雜波功率估計(jì)收斂后，過檢測(cè)門限的雷達(dá)分辨單元數(shù)介于300～600，取值相差不大。當(dāng)上限p 降低到0.1時(shí)，經(jīng)過自適應(yīng)剩余雜波飽和抑制，在雜波功率估計(jì)收斂后，過檢測(cè)門限的雷達(dá)分辨單元數(shù)降低到250～300。

圖6 最大比例不同時(shí)過檢測(cè)門限的雷達(dá)分辨單元數(shù)

圖7所示為p 取0.1時(shí)圖2中的單元格經(jīng)過自適應(yīng)剩余雜波飽和抑制的雜波圖恒虛警率處理的結(jié)果，可以看出雜波有少許殘留，浮標(biāo)以及兩個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)都得到保留。

圖7 雜波圖恒虛警率處理的結(jié)果

3 結(jié)束語

對(duì)于雜波圖恒虛警處理在某些情況下雜波剩余飽和的問題，本文給出了一種基于自適應(yīng)剩余雜波飽和抑制的雜波圖恒虛警率處理的方法，并且對(duì)導(dǎo)航雷達(dá)的視頻進(jìn)行了仿真分析。目前，該方法已在某導(dǎo)航雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)中得到應(yīng)用，證明了這種方法的有效性。

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