高效抑制雜波凸顯物標(biāo)回波的雷達(dá)導(dǎo)航技術(shù)的設(shè)計(jì)

李紅磊 陳進(jìn)濤 劉超杰 孫夢(mèng)茜

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211170)

高效抑制雜波凸顯物標(biāo)回波的雷達(dá)導(dǎo)航技術(shù)的設(shè)計(jì)

李紅磊 陳進(jìn)濤 劉超杰 孫夢(mèng)茜

(江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 211170)

在當(dāng)今航海實(shí)踐中，因駕駛?cè)藛T未能及時(shí)在雜波背景下發(fā)現(xiàn)物標(biāo)以及雷達(dá)在辨認(rèn)物標(biāo)方面的技術(shù)缺陷而導(dǎo)致的碰撞事故時(shí)有發(fā)生。以航海雷達(dá)模擬器為實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)，改進(jìn)現(xiàn)行的雜波背景下辨認(rèn)物標(biāo)的操作技能與技術(shù)手段，設(shè)計(jì)出既能高效抑制雜波又能保全與突出物標(biāo)回波的雷達(dá)導(dǎo)航技能技術(shù)改進(jìn)方案。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：本方案的實(shí)施能使駕駛?cè)藛T在霧航和夜航時(shí)，不管海浪、雨雪等雜波有多大，都能利用雷達(dá)“看清”過(guò)往船舶,避免發(fā)生船舶碰撞。

雜波抑制；物標(biāo)識(shí)別；雷達(dá)導(dǎo)航；技術(shù)改進(jìn)；技能提升

1 問(wèn)題的提出

在當(dāng)今航海實(shí)踐中，駕駛?cè)藛T大多采用“抑制雜波與保護(hù)物標(biāo)回波”兩相兼顧的經(jīng)驗(yàn)性做法，即“為保全弱小物標(biāo)回波而保留少許雜波”，這就出現(xiàn)了“雜波處理不干凈、物標(biāo)回波不清晰”的問(wèn)題。另一方面，基于“雜波背景下辨認(rèn)危險(xiǎn)物標(biāo)”的航海雷達(dá)技術(shù)改進(jìn)中，設(shè)計(jì)人員大多采用優(yōu)化原有電路的措施，而對(duì)革新式的電路設(shè)計(jì)尚未作深入的研究。

本研究將促成雷達(dá)操作技能再上一個(gè)新臺(tái)階，即設(shè)計(jì)出“既能深度抑制雜波又能確保弱小物標(biāo)回波”這一雙管齊下的操作技能改進(jìn)方案。同時(shí)在技術(shù)層面，在依托模擬器進(jìn)行可行性論證的基礎(chǔ)上對(duì)雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出技術(shù)改進(jìn)設(shè)想。

2 高效抑制雜波的雷達(dá)導(dǎo)航操作技能改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

2.1 高效抑制雷達(dá)假回波

由于雷達(dá)技術(shù)上的某些缺陷和電磁波傳播的物理特性，在雷達(dá)探測(cè)中，有時(shí)同一個(gè)物標(biāo)卻在熒光屏上多處顯示回波，或顯示的回波并不代表物標(biāo)的真實(shí)位置。

2.1.1 高效抑制間接回波

間接回波的識(shí)別：1)間接回波的距離、方位與真回波均不同，其方位為間接反射體所在方位；距離略偏大，等于反射體至物標(biāo)的距離與反射體離天線的距離之和。2)常常出現(xiàn)在扇形陰影區(qū)；3)在屏上移動(dòng)不正常，即船舶改向時(shí)，仍出現(xiàn)在扇形陰影區(qū)不變或在熒光屏上消失；4)在屏上的顯示形狀有明顯畸變，且比真回波暗些。

傳統(tǒng)抑制是單純改向回避，新型抑制技能是：臨時(shí)降低增益、啟用雨雪抑制電路FTC、啟用海浪抑制電路STC，但抑制前提是不能丟失弱小物標(biāo)。

2.1.2 高效抑制多次反射回波與旁瓣回波

在代表本船的掃描中心附近，在物標(biāo)真回波外側(cè)，連續(xù)出現(xiàn)幾個(gè)等間距、強(qiáng)度逐個(gè)變?nèi)醯募倩夭ň褪嵌啻畏瓷浠夭?，其方位與真回波一致、距離是真實(shí)距離的倍數(shù)。由天線波束的副波束掃到近處物標(biāo)所產(chǎn)生的假回波就是“旁瓣回波”。由于旁瓣波束對(duì)稱(chēng)分布于天線主瓣兩側(cè)，故旁瓣回波也對(duì)稱(chēng)分布在真回波兩側(cè),強(qiáng)度逐漸減弱，其距離與真回波相同，但方位不對(duì)。如圖1，當(dāng)主瓣為90°時(shí)顯示回波在A處，隨著天線順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旁瓣為90°時(shí)，屏上顯示的回波并不在90°上，而是顯示在主瓣所指100°方向上。[1]

圖1 旁瓣回波的成因

上述兩種回波具有共同的特點(diǎn)：在近距離出現(xiàn)且強(qiáng)度弱時(shí)，傳統(tǒng)抑制是減小增益。新型抑制是：在減小增益的基礎(chǔ)上，加大“海浪抑制”(STC)旋鈕、降低“掃描線亮度”、調(diào)弱“調(diào)諧”。仿真研究表明，效果理想。

2.1.3 高效抑制二次掃描回波

當(dāng)出現(xiàn)超折射現(xiàn)象時(shí)，屏上出現(xiàn)的距離超出量程的回波即二次掃描回波。其圖形與實(shí)際物標(biāo)形狀不符，遠(yuǎn)處直線陡岸在屏上顯示時(shí)變成V字形彎岸，顯示的方位是物標(biāo)的真實(shí)方位，但距離是實(shí)際距離與量程之差。傳統(tǒng)抑制是改變量程，新型抑制是：增大量程、使用寬脈沖。

2.2 高效抑制干擾回波的操作技能改進(jìn)

2.2.1 高效抑制海浪回波

傳統(tǒng)抑制是酌情調(diào)節(jié)“海浪抑制”控鈕，但這存在著近距離小物標(biāo)容易丟失的副作用。新型抑制是“多管齊下、綜合整治”：1)將調(diào)諧調(diào)到最佳狀態(tài)，適當(dāng)增大增益和掃描線亮度；2)選用窄脈沖；3)選用S 波段雷達(dá)；4)選用高轉(zhuǎn)速天線(若有雙轉(zhuǎn)速天線，如40rpm以上)調(diào)整至船舶下風(fēng)處的海浪雜波消失,上風(fēng)處仍保留適當(dāng)少量回波,以保證微小物標(biāo)的回波不被抑制為度；5)采用窄脈沖或脈沖壓縮技術(shù)以提高雷達(dá)分辨力，檢測(cè)海浪雜波中的小物標(biāo)；6)采用脈沖多普勒信號(hào)發(fā)射體制。

2.2.2 高效抑制雨雪回波

傳統(tǒng)抑制技能：使用顯示器面板上的雨雪干擾抑制FTC控鈕，該電路雖能凸顯物標(biāo)前沿，但后沿減弱或消退，容易丟失弱小回波。

2.2.3 高效抑制同頻回波

同頻干擾回波使屏幕凌亂，弱小物標(biāo)不易發(fā)現(xiàn)。傳統(tǒng)做法是啟用同頻干擾抑制電路RIC抑制，效果尚可。但在兩船相距很近時(shí)，干擾回波卻很難完全消除，同時(shí)也會(huì)削弱所有物標(biāo)回波的強(qiáng)度，因此只有在同頻干擾嚴(yán)重時(shí)，方用此電路。

新型的抑制技法：1)在傳統(tǒng)技法基礎(chǔ)上，加上亮度、增益和調(diào)諧控鈕的配合調(diào)節(jié)，使雷達(dá)處于最佳狀態(tài)，細(xì)心觀察屏幕，防范丟失弱小物標(biāo)；2)如果同頻干擾抑制電路與其他抗干擾電路同時(shí)使用，回波的損失會(huì)更大。因此要盡量避免與雨雪、海浪抑制電路同時(shí)使用；3)開(kāi)啟異頻雷達(dá)，可以根本上消除同頻干擾；4)運(yùn)用量程，量程越大干擾越嚴(yán)重，應(yīng)盡量選擇近量程。

綜上所述，啟用電路均有抑制不穩(wěn)定雜波的作用，但在船首向上顯示方式下，當(dāng)改向或船首偏蕩時(shí)，弱小物標(biāo)的回波也變得不穩(wěn)定，從而被電路當(dāng)作雜波抑制掉。因此在這種情況下不能啟用電路。

3 突出顯示有用物標(biāo)回波的雷達(dá)導(dǎo)航操作技能方案設(shè)計(jì)

海面上兩個(gè)鄰近似物標(biāo)，如果在雷達(dá)屏幕上剛好能夠被分開(kāi)顯示，這時(shí)這兩物標(biāo)能夠被分開(kāi)的實(shí)際距離Δrmin或方位角Δαmi，就分別叫做雷達(dá)的距離分辨力和方位分辨力。分辨力與雷達(dá)操作技能密切有關(guān)。

3.1 提高雷達(dá)距離分辨力的技能改進(jìn)

新媒體讓一直以來(lái)相對(duì)封閉的高校校園徹底打開(kāi)了大門(mén)，變得更加開(kāi)放和活躍，而教師和管理者很難對(duì)新媒體進(jìn)行有效的管控，這在一定程度上導(dǎo)致教育工作者的主體地位被動(dòng)搖。

雷達(dá)的距離分辯力主要取決于發(fā)射脈沖寬度、接收機(jī)通頻帶及屏幕光點(diǎn)尺寸大小等因素，具體可由下式?jīng)Q定：

(1)

式1中：C-電波傳播的速度，τ-發(fā)射脈沖寬度，Δf-接收機(jī)通頻帶，d-光點(diǎn)直徑，D-屏幕直徑，RD-所用量程距離。

τ造成物標(biāo)回波向后徑向延伸Cτ/2的長(zhǎng)度，若兩標(biāo)間距小于Cτ/2，則兩標(biāo)回波將會(huì)重迭；Δf越窄則失真越大，光點(diǎn)會(huì)造成回波向外擴(kuò)展d/2。所以?xún)晌飿?biāo)實(shí)際間距Δr必須大于上述三者之和Δrmin,方能使兩物標(biāo)回波在屏上分開(kāi)可辨(如圖2)。[2]

圖2 雷達(dá)圖像的徑向擴(kuò)大效應(yīng)與距離分辮力

由式1可見(jiàn)，提高雷達(dá)的距離分辨能力的綜合技能：即為使Δrmin小，則應(yīng)做到：使用窄脈沖(τ小)工作；使用寬通頻帶(Δf大)；聚焦要良好(d小)。此外，盡量選用大屏幕雷達(dá)(D大)，用近量程觀測(cè)(RD小)。

3.2 提高雷達(dá)方位分辨力的技能改進(jìn)

影響方位分辨力的主要因素是天線水平波束寬度θ°H、光點(diǎn)角尺寸d°(由光點(diǎn)直徑對(duì)屏中心的張角)及回波在屏幕掃描線上所處的位置?；夭óa(chǎn)生“角向肥大”，θ°H/2+d°/2。d°與回波在掃描線上的位置有關(guān)：光點(diǎn)離掃描中心愈近則d°越大，反之越小。

綜上可見(jiàn)，為提高雷達(dá)方位分辯力(使小)Δαmin應(yīng)做到：減小天線水平波束寬度θ°H；良好聚焦，減小光點(diǎn)直徑d尺寸；正確選擇量程，盡可能使欲分辯的回波顯示在約2Ls/3區(qū)域(太靠近屏邊緣不好，因那里聚焦不良)；還應(yīng)適當(dāng)降低亮度、增益，以減小回波亮點(diǎn)尺寸。仿真試驗(yàn)表明：

(2)

4 雷達(dá)技術(shù)改進(jìn)設(shè)想

4.1 增設(shè)掃描相關(guān)電路

普通雷達(dá)僅僅是設(shè)置了各種類(lèi)型雜波的抑制電路，啟用一個(gè)電路只能抑制一種雜波，會(huì)削弱有用物標(biāo)的回波強(qiáng)度，難以在雜波中分辨出微弱的物標(biāo)回波,因而不利于避讓。

物標(biāo)的回波(如船舶、島嶼)在幾次掃描期間是穩(wěn)定的,但海浪雨雪等雜波則是隨機(jī)的, 時(shí)有時(shí)無(wú)、時(shí)強(qiáng)時(shí)弱。依據(jù)這一回波相關(guān)原理，對(duì)相鄰的兩條或多條掃描線進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。因?yàn)閷?duì)于物標(biāo)而言，在相鄰的掃描線的相同位置上，都具有該物標(biāo)的的回波，則認(rèn)為是有用物標(biāo)予以保留，而雜波則不具有這種相關(guān)性，則雷達(dá)認(rèn)為是雜波予以去除。[3]

圖3 掃描相關(guān)電路設(shè)計(jì)構(gòu)想

本電路(如圖3)運(yùn)用“從掃描到掃描”相關(guān)聯(lián)的方式,對(duì)有效的圖像進(jìn)行存貯均衡,保留穩(wěn)定、規(guī)則的回波,而抑制不穩(wěn)定隨機(jī)的雜波,易于從雜波中區(qū)分識(shí)別物標(biāo)回波。

4.2 改進(jìn)電路接收方式

如圖4，在雷達(dá)接收系統(tǒng)內(nèi)除了回波通道外，增設(shè)GPS參考通道，參考通道只接收直達(dá)信號(hào)(不含雜波)，回波通道接收經(jīng)過(guò)任何物標(biāo)反射回來(lái)的回波信號(hào)(含雜波)。接收機(jī)對(duì)接收到的參考信號(hào)進(jìn)行通道均衡，即使之轉(zhuǎn)換為雷達(dá)能接受的信號(hào)；然后與回波信號(hào)作對(duì)比，實(shí)施第一級(jí)雜波抑制；將累積下來(lái)的雜波進(jìn)行第二級(jí)雜波抑制；最后作恒虛警處理，即設(shè)置門(mén)檻電平抑制殘余不穩(wěn)定弱小雜波。經(jīng)過(guò)這樣的層層處理，主通道的雜波得到了深度的抑制、物標(biāo)回波得到了高度的增強(qiáng)。[4]

圖4 雙通道接收機(jī)的設(shè)計(jì)

4.3 采用旁瓣對(duì)消技術(shù)

如圖5，增設(shè)輔助接收天線及輔助接收機(jī)，由主天線進(jìn)入的旁瓣干擾信號(hào)和被輔助天線接收到的旁瓣干擾信號(hào)，進(jìn)入主、輔助接收通道傳輸增益平衡，經(jīng)減法器即能完全實(shí)現(xiàn)旁瓣對(duì)消，同時(shí)不會(huì)對(duì)雷達(dá)天線主波束的探測(cè)性能造成很大的影響。但此法的缺點(diǎn)是“當(dāng)雷達(dá)主天線主波束接收到弱小物標(biāo)的回波信號(hào)小于輔助通道接收到的干擾信號(hào)時(shí)”弱小物標(biāo)信號(hào)將被對(duì)消掉。[5]

圖5 旁瓣對(duì)消電路設(shè)計(jì)

4.4 采用窄波束高增益天線

窄波束天線是一種方向性高、旁瓣小、受干擾影響小的天線。采用窄波束天線不僅可以獲得高的天線增益，還能減少干擾物標(biāo)反射的影響，相對(duì)來(lái)說(shuō)是輻射方向上更加狹窄、能量更加集中到天線所對(duì)方向的物標(biāo)上去，因而提高了雷達(dá)接收信號(hào)的信噪比。[6]

4.5 運(yùn)用自動(dòng)雷達(dá)(ARPA)技術(shù)探測(cè)物標(biāo)

ARPA采用α-β濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)物標(biāo)的自動(dòng)跟蹤，濾波原理可用下列式子表示：

在跟蹤過(guò)程中，隨著采樣序數(shù)的增加，預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)的位置差越來(lái)越小，位置及速度大的修正量也逐次減少，最終使預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)的位置差基本一致而進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，從而達(dá)到自動(dòng)跟蹤物標(biāo)的目的。

如回波不突出，則不易被跟蹤上，跟蹤過(guò)程中容易丟失，雜波就屬于這種情況；如物標(biāo)回波突出，則易被跟蹤上，跟蹤過(guò)程中不容易丟失，物標(biāo)回波就屬于這種情況。因此，本研究成果能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，說(shuō)明抑制雜波、凸顯標(biāo)波的效果好。

4.6 嘗試采用雷達(dá)的無(wú)源技術(shù)探測(cè)物標(biāo)

雷達(dá)的無(wú)源技術(shù)是指雷達(dá)本身不發(fā)射電磁波信號(hào)，而只是利用外輻射源(電臺(tái)、電視臺(tái)和導(dǎo)航衛(wèi)星等) 發(fā)射的信號(hào)作為探測(cè)信號(hào)，接收經(jīng)過(guò)物標(biāo)反射的信號(hào)進(jìn)行物標(biāo)探測(cè)和跟蹤的雷達(dá)系統(tǒng)。由于經(jīng)過(guò)物標(biāo)反射后的回波很弱，雜波小。具有較好的距離和速度分辨率，是性能優(yōu)良的雷達(dá)系統(tǒng)。

5 結(jié) 論

GPS的定位精度不低于雷達(dá)的定位精度，GPS的分辨力精度高于雷達(dá)的分辨力，因此，基于GPS的AIS物標(biāo)的精度不低于雷達(dá)跟蹤物標(biāo)的精度，尤其對(duì)于較遠(yuǎn)距離的物標(biāo)，AIS報(bào)告物標(biāo)數(shù)據(jù)精度通常高于雷達(dá)跟蹤物標(biāo)數(shù)據(jù)的精度。驗(yàn)證表明：采用改進(jìn)后的技能技術(shù)后，雷達(dá)物標(biāo)回波的測(cè)量數(shù)據(jù)精度與AIS相近，因此研究成果具有實(shí)用性。

本研究以航海雷達(dá)模擬器為主要實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)，改進(jìn)了現(xiàn)行的雜波背景下辨認(rèn)有用物標(biāo)的技術(shù)手段、操作技能：加大抑制雜波的力度，減小因抑制造成物標(biāo)回波弱化與丟失的副作用，突出顯示有用物標(biāo)回波；從而實(shí)現(xiàn)既能高效抑制雜波又能保全與突出物標(biāo)回波，船舶駕駛員在霧中航行時(shí)，不管海浪、雨雪等干擾有多大，都能利用雷達(dá)“看清”過(guò)往船舶、避免碰撞危險(xiǎn)發(fā)生。

1 許曉琴.全新的碰撞危險(xiǎn)度在自動(dòng)雷達(dá)標(biāo)繪儀中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2014(03):34-36.

2 白雅卿.船舶導(dǎo)航雷達(dá)視頻信號(hào)分析[D].大連海事大學(xué)2013.

3 陳麗,任鴻翔,金一丞,房希旺.會(huì)遇態(tài)勢(shì)相關(guān)的雷達(dá)標(biāo)繪評(píng)估模型研究[J]. 中國(guó)航海,2012(02):36-38.

4 杜芳磊.訓(xùn)練模擬器雷達(dá)模擬技術(shù)的研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2011.

5 馬愛(ài)軍.船舶導(dǎo)航雷達(dá)課程改革的研究[D].大連海事大學(xué),2011.

6 彭祥龍.船用導(dǎo)航雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展及最新應(yīng)用[J].電訊技術(shù)，2013(09):11-12.

(責(zé)任編輯：譚銀元)

Improvement of Radar Navigation Technology for High Efficiency Suppression of Clutter

LI Hong-lei,CHEN Jin-tao,LIU Chao-jie,SUN Meng-qian

(Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China)

In navigation practice, collision accident occurs occasionally due to the driver's failure to find the object in the background of clutter as well as the technical defects of radar in identification of objects. With the navigational radar simulator as the innovation practice platform, this essay discusses the ways to improve the operational skills and techniques of objects identification under the current background of clutter, and designs a radar navigation technical improvement scheme for clutter suppression and preserving the target echoes. Simulation results show that the scheme of implementation can make drivers use radar to "see" the passing ships and avoid the occurrence of collision accident in foggy and night navigation, regardless of the waves, rain, snow and other miscellaneous.

clutter suppression; object identification; radar navigation; technology improvement; skill improvement

江蘇省高校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“高效抑制干擾回波凸顯有用物標(biāo)的雷達(dá)導(dǎo)航技術(shù)技能改進(jìn)方案設(shè)計(jì)”(立項(xiàng)號(hào)201512679014Y)

2016-07-12

李紅磊,男,碩士,研究方向：航海科技與教育。

U666

A

1671-8100(2016)04-0016-04