一種相控陣雷達數(shù)據(jù)處理中的雜波抑制方法

熊美英，陳 靜

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

現(xiàn)代雷達已采用先進的信號處理技術，運用了很多對雜波抑制的手段，如動目標顯示（MTI）、動目標檢測（MTD）、恒虛警率（CFAR）等，能夠有效地抑制虛警雜波，保持適當?shù)臋z測能力；但在氣象條件惡劣、地勢地形復雜的工作環(huán)境下，仍然會出現(xiàn)較高的雜波剩余現(xiàn)象［1］。這些剩余雜波增加了數(shù)據(jù)處理的運算量和存儲量，產生的虛假點跡干擾了真實目標的航跡起始，增加了監(jiān)控區(qū)域內航跡相關的復雜度，在相控陣雷達體系中對自動轉入跟蹤任務的虛假航跡還會占用系統(tǒng)調度資源，干擾作戰(zhàn)決策，嚴重影響對正常目標的探測。因此，在進行常規(guī)的數(shù)據(jù)處理前，預先對回波信號進行一系列的雜波抑制處理，盡可能減少雜波對數(shù)據(jù)處理的影響，具有重要的實際意義。

1 雜波特性分析

雷達雜波種類復雜繁多，對檢測能力影響較大的主要有地雜波和海雜波。地雜波是一種面雜波，它的平均回波功率為：

式中：Pr為接收功率；Pt為發(fā)射功率；Gt為發(fā)射天線增益；At為接收天線面積；R為距離；A為雷達天線的照射區(qū)域，σ0為地面散射系數(shù)。

發(fā)射波束覆蓋雜波區(qū)面積越大和后向反射系數(shù)越大，地雜波越強。地雜波的隨機起伏特性可以用概率密度分布函數(shù)和功率譜來表示，地雜波的起伏特性符合高斯分布，其高斯概率密度函數(shù)為：

式中：μ為x的均值；σ2為x的方差。

地雜波的幅度符合瑞利分布，其瑞利分布的概率密度函數(shù)為：

式中：b為瑞利系數(shù)，瑞利分布的均值μ和方差σ2分別為：

海雜波概率也可以用高斯分布來表示，其幅度概率密度分布也符合瑞利分布，但它受到風速、風向、洋流、水溫等海面狀態(tài)因素的影響而更為復雜，其概率分布時常會偏離高斯分布，有時需要采用更多的非高斯模型來分析，如對數(shù)正態(tài)分布、韋布爾分布和K分布等模型。

2 數(shù)據(jù)處理中雜波抑制

盡管在數(shù)據(jù)處理階段對雜波的抑制可利用的信息不如信號處理多，實時性不如信號處理強，但是通過對雜波特性的分析、回波信息的積累、比較及綜合判斷，也可以有效地濾除雜波信號。分析某型相控陣雷達真實發(fā)射狀態(tài)下的信號處理輸出回波信息，嘗試在數(shù)據(jù)處理中做了以下改進。

2.1 單波束內雜波濾除

每次收到來自信號處理的搜索波束數(shù)據(jù)時，對每個距離單元上過門限數(shù)據(jù)進行第1次雜波濾除。采集數(shù)據(jù)如表1所示，該數(shù)據(jù)為一個發(fā)射波束指向，方位上固定間隔的相鄰四接收波束連續(xù)距離單元上，過門限回波信號幅值和跨距離寬度。

表1 回波信號幅值和跨距離寬度

回波信號幅值反映目標回波的能量，回波跨距離寬度是指回波模擬信號經(jīng)過采樣量化和信號處理幅度檢測后占據(jù)的連續(xù)距離單元個數(shù)。分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)雜波和真實目標的回波信號在幅度和跨距離寬度上都有所區(qū)別，利用這個特征設置門限，剔除一部分雜波。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，真實目標回波跨距離寬度一般都占據(jù)連續(xù)2個距離單元以上，所以可以將回波跨距離寬度設置為2，則表1中209、273、282的距離單元上孤立的回波被當作雜波濾除掉。接下來，對于連續(xù)占據(jù)2個距離單元的回波加設幅度門限，根據(jù)距離遠近調整不同幅度門限值，幅度低于門限值的點跡予以剔除。幅度門限值設置的基本依據(jù)是雷達方程［2］和平面相控陣天線方向圖函數(shù)［3］，分別見公式（6）和公式（7）：

式中：Pr為接收功率；Pt為發(fā)射功率；Gt為發(fā)射增益；Gr為接收增益；σ為目標RCS；λ為當前發(fā)射頻率頻點折算的波長；Ft為發(fā)射方向圖；Fr為接收方向圖；R為目標距離。

公式（6）、（7）中各項根據(jù)雷達的實際參數(shù)進行設置，幅度門限值即為接收功率的開平方，依據(jù)雷達各項參數(shù)設置幅度門限后，表1中距離單元為425、426的回波被排除。由于該方法計算量較大，考慮到數(shù)據(jù)處理的實時性要求，可以預先裝訂好雷達參數(shù)和關注目標特性，將幅度門限按照距離制成表格文件直接調用。

此外，數(shù)據(jù)處理中還可以針對每個回波的MTD通道號來進行雜波抑制，可以將徑向速度在零附近的回波數(shù)據(jù)剔除。

2.2 全掃描區(qū)域雜波圖門限比較

對于已經(jīng)進行過單波束雜波濾除的數(shù)據(jù)，再進行一次全掃描區(qū)域的雜波圖門限比較，只有高于門限的回波才會進行數(shù)據(jù)處理。全掃描區(qū)域雜波圖是掃描范圍內按方位－距離單元分布的回波強度圖。方位－距離單元的劃分方法［4］如圖1所示，陰影部分為1個方位－距離單元。

1個方位－距離單元包括多個接收波束的連續(xù)幾個距離單元，將其中的回波幅度信息進行平均，得到幅度均值，每次掃描后得到的均值通過公式（3）進行迭代，即可獲得雜波圖中方位－距離單元上的雜波均值［4］：

圖1 方位－距離單元的劃分方法

式中：n、m分別為方位、距離單元索引；l為天線掃描周期數(shù)；ω為濾波系數(shù)，一般取經(jīng)驗值0.125。

由于雜波影響最嚴重的一般為低仰角，所以全掃描區(qū)域雜波圖采用了低仰角的掃描層數(shù)據(jù)進行更新，對雜波干擾嚴重的低仰角數(shù)據(jù)才進行雜波圖門限比對。對于快速目標（如飛機、導彈等），從一次掃描到下一次掃描一般移動幾個距離單元，所以雜波圖對運動目標影響不大。

2.3 雜波圖的空間重定位

空間雜波圖方位－距離單元的劃分建立在絕對坐標系的劃分方法上，所以需要分析雷達載體處于運動狀態(tài)時對建立的雜波圖的影響和解決辦法。在平臺運動方向的坐標系中，雜波圖的空間重定位可以通過公式（9）、（10）進行計算：

式中：d為雷達載體從周期Tn－1到Tn之間的運動距離；dn－1、θn－1分別為雜波圖中的任意一個方位－距離單元在Tn－1時刻的距離、方位；dn、θn分別為該方位－距離單元在Tn時刻的距離、方位。

當雷達載體位置發(fā)生變化時，對雜波圖中的每個方位－距離單元進行上述的空間重定位的計算量是非常大，工程應用中難以實現(xiàn)。因此，需要針對公式進行進一步簡化處理。首先，d遠小于dn－1、dn，可以將式（9）簡化為：

此外，在雜波圖的建立過程中，迭代周期內方位－距離單元還沒有形成一個比較可靠的閥值，可以粗略地在距離向做歸一化處理。通過事先做好方位－距離變化的對應表格，在實際工作中直接查表計算由于雷達載體運動造成的空間重定位，減少了復雜三角運算的計算量，能更準確實時地更新雜波圖數(shù)據(jù)。

3 雜波抑制效果比對

選取1組真實發(fā)射數(shù)據(jù)，搜索區(qū)域為法線方向（－30°，30°），掃描周期為1s，累計100個周期，統(tǒng)計結果如表2所示，顯示效果如圖2、圖3所示。

表2 雜波圖迭代數(shù)據(jù)

圖2為未做雜波抑制處理的數(shù)據(jù)處理結果顯示，每10個周期累計點跡數(shù)在600以上，100個掃描周期內虛警航跡數(shù)15條，受雜波點影響，真實目標航跡無法起始，而且由于單個波束點跡處理能力飽和，造成距離較遠的回波無法得到處理。

圖3為已做雜波抑制處理的數(shù)據(jù)處理結果顯示，剛開始10個周期內的累計點跡數(shù)在500以上，經(jīng)過雜波抑制后，10個周期內的點跡累計數(shù)基本降到100以內，并且在100個掃描周期內，虛警航跡0條，真實航跡1條，該目標航速在60m／s，表明運用雜波抑制處理后，較慢速的真實目標回波并沒有被抑制掉，因此該抑制方法對運動目標的影響不大。此外由于雜波抑制后，單波束的點跡處理負擔減弱，遠距離的回波也能被處理為點跡輸出，保證了設備發(fā)現(xiàn)目標的能力范圍。

圖2 未做雜波抑制數(shù)據(jù)處理結果顯示

經(jīng)過比對，上述方法對雜波抑制效果比較明顯。雜波抑制在數(shù)據(jù)處理階段的運用比較靈活，可以針對某個區(qū)域，可以選擇做哪種抑制處理，可以選擇抑制參數(shù)大小，這些都可以隨著現(xiàn)場雜波環(huán)境和設備關注目標類型進行選擇和調整，有效防止了真實目標丟失現(xiàn)象。

4 結束語

本文介紹了相控陣雷達數(shù)據(jù)處理中一種雜波抑制的方法，通過試驗數(shù)據(jù)效果比對，該方法對雜波的抑制作用明顯，但仍然存在雜波剩余，需要進一步對雜波特性進行分析，使得雷達性能獲得更好的改善。

圖3 已做雜波抑制數(shù)據(jù)處理結果顯示

［1］何友.雷達數(shù)據(jù)處理及應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［2］［美］斯科尼克.雷達手冊［M］.王軍譯.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［3］張光義.相控陣雷達技術［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［4］吳順君.雷達信號處理和數(shù)據(jù)處理技術［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.