機(jī)載預(yù)警雷達(dá)地雜波功率譜仿真與分析

李小萍

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所　合肥　230088)

0　引言

脈沖多普勒雷達(dá)基于其在檢測目標(biāo)的獨(dú)特優(yōu)勢，在實(shí)際中應(yīng)用的越來越多，尤其在機(jī)載下視模式下，對地面、海面低空飛行的轟炸機(jī)、攻擊機(jī)、直升機(jī)、甚至巡航導(dǎo)彈等目標(biāo)有著廣泛的應(yīng)用，其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中起著舉足輕重的作用。然而，機(jī)載雷達(dá)采用下視工作時(shí)，面對的地面雜波往往是探測目標(biāo)的重要阻礙，很多時(shí)候，目標(biāo)的回波強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雜波強(qiáng)度，如何更好的對雜波進(jìn)行抑制成為了國內(nèi)外長期研究的重點(diǎn)。雜波隨著環(huán)境的改變、地型的變化，起伏特性等不盡相同，為了研究不同雜波環(huán)境下抑制雜波的算法，去獲取不同環(huán)境下的實(shí)測數(shù)據(jù)顯然不切實(shí)際。顯然，如何模擬更加有效、根據(jù)切合實(shí)際的雜波回波數(shù)據(jù)，顯得尤為重要。

另外，脈沖多普勒雷達(dá)其獨(dú)特的優(yōu)勢是在頻域檢測目標(biāo)，考慮到實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中，雜波不是理想的均勻態(tài)，主瓣雜波以及彎曲雜波的不規(guī)則特性，采用傳統(tǒng)的一維CFAR檢測方法在高度線雜波附近存在大量的虛警，本文提出一種特殊的二維窗CFAR檢測方法，通過仿真可以看出，不管是模擬雜波還是實(shí)測數(shù)據(jù)，此方法都具有一定的優(yōu)勢。

本文首先介紹了機(jī)載雷達(dá)地雜波的典型后向散射特性，介紹了基于起伏RCS的雜波統(tǒng)計(jì)特性，然后對基于幅度分布為對數(shù)正態(tài)分布的雜波進(jìn)行模擬，進(jìn)而通過CFAR檢測方法對模擬雜波和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理對比，得出所提方法的優(yōu)越性。

1　雷達(dá)地雜波模擬原理

機(jī)載雷達(dá)雜波模擬的過程實(shí)際可以看做是地面上波束覆蓋范圍內(nèi)無數(shù)小散射體的回波矢量和，本文采用距離-脈沖的雜波模擬方法，距離間隔為系統(tǒng)脈壓后的距離分辨率，考慮每個(gè)距離環(huán)360°都存在雜波回波，將360°劃分為若干個(gè)小單元，其劃分間隔與多普勒分辨率有關(guān)。由于視線轉(zhuǎn)動(dòng)、空氣擾動(dòng)以及地面起伏等原因改變了散射體之間的相移關(guān)系，表現(xiàn)出一定的起伏特性，此隨機(jī)起伏特性可以用其通過雷達(dá)接收機(jī)的包絡(luò)檢波器后的幅度概率密度函數(shù)描述，本文采用對數(shù)正態(tài)分布來描述[1]。

根據(jù)雷達(dá)方程，每個(gè)散射體的雜波功率譜計(jì)算公式如下[2]：

(1)

式中，Pt為雷達(dá)發(fā)射峰值功率，λ為雷達(dá)波長，σ為服從一定分布特性的起伏RCS，L為系統(tǒng)損耗，F(xiàn)t(θi,φj),Fr(θi,φj)分別為發(fā)射和接收方向圖映射到相應(yīng)單元的方向圖增益，Rm為單元斜距，fd為多普勒頻率。

2　起伏RCS數(shù)據(jù)模擬

2.1　地面雜波后向反射系數(shù)模型

(2)

表1不同地形反射系數(shù)參數(shù)值

地類ABβ0σ0c沙漠0．0126π/20．14θ/θc農(nóng)田0．0040π/20．201丘陵0．0126π/20．401高山0．04001．240．501

2.2　分布特性

在雷達(dá)回波中，我們關(guān)注的重點(diǎn)是有用的目標(biāo)信號(hào)，而雜波回波相對來說是無用信號(hào)，需要雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)通過一定的手段剔除或者從中提取有用信號(hào)，然而不同的雷達(dá)參數(shù)、平臺(tái)特性所得到的雜波不盡相同，準(zhǔn)確掌握雷達(dá)雜波性質(zhì)對雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及后續(xù)信號(hào)處理有著重要作用。例如，雜波的幅度起伏特性對CFAR檢測器的設(shè)計(jì)有重大影響，雜波的頻譜特性直接關(guān)系到脈沖多普勒濾波器的設(shè)計(jì)等等。在雷達(dá)雜波模擬中，需要準(zhǔn)確建立符合實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型，通常，該模型可以用統(tǒng)計(jì)隨機(jī)過程來描述[4]。

通過對大量實(shí)際數(shù)據(jù)的分析，雜波不能單純的用高斯分布來表示，其雜波幅度具有一定的分布特性，現(xiàn)有的描述雜波幅度變化的概率分布模型主要有：瑞利分布、對數(shù)正態(tài)分布、威布爾分布、K分布。非瑞利分布和瑞利分布的區(qū)別在于：一是在高概率區(qū)域有一個(gè)較長的拖尾，二是有一個(gè)較大的標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值。很顯然，隨著雷達(dá)分辨率的提高、波束入射角的變化，更多的雷達(dá)系統(tǒng)回波已無法滿足瑞利分布。

考慮到預(yù)警機(jī)波束擦地角一般很小，對數(shù)正態(tài)分布更加符合實(shí)際，其概率密度函數(shù)為：

(3)

3　CFAR檢測方法

在均勻瑞利雜波環(huán)境下，CA-CFAR對雜波的參數(shù)估計(jì)為最大似然估計(jì)，當(dāng)參考單元數(shù)較大時(shí)，檢測性能接近最優(yōu)[5]。

然而實(shí)測回波由于環(huán)境多變、系統(tǒng)特性，基本不滿足瑞利雜波的特性。采用傳統(tǒng)的CA-CFAR會(huì)存在虛警點(diǎn)較多，不利于信號(hào)檢測。本文根據(jù)實(shí)際情況，提出一種分區(qū)CFAR方法，對雜波頻譜中的強(qiáng)雜波區(qū)、噪聲區(qū)、高度線雜波區(qū)用不同的二維CFAR窗做處理[6]。

其中，在強(qiáng)雜波區(qū)域采用3×5的檢測窗，噪聲區(qū)采用7×7的檢測窗，高度線雜波區(qū)采用上圖所示的3×11檢測窗。

4　計(jì)算機(jī)仿真與分析

4.1　雜波仿真

仿真流程如下圖所示：

計(jì)算參數(shù)：

雷達(dá)各項(xiàng)仿真參數(shù)如載機(jī)速度、載機(jī)高度、重頻、距離門、積累時(shí)間、掃描方式等與實(shí)際參數(shù)基本一致。同時(shí)雷達(dá)仿真工作于前視陣，按照探測覆蓋范圍，雷達(dá)仿真波束下傾1度。

根據(jù)系統(tǒng)仿真參數(shù)，我們可以得出fd=(2V/λ)cos(φ)cos(θ)=2560Hz，系統(tǒng)仿真多普勒帶寬為100Hz，仿真重頻如果采用10.5k，通過計(jì)算，主瓣雜波應(yīng)落在2560/100+PRF/100/2=77附近。從仿真圖可以看出，主瓣確實(shí)在第70通道～80通道之間。如載機(jī)高度為7500m，從仿真圖可以看到，高度線雜波處于第120個(gè)距離門附近，符合實(shí)際情況。而且彎曲雜波是從高度線雜波逐漸延伸到主瓣雜波，理論分析與仿真結(jié)果完全吻合，從而驗(yàn)證了仿真數(shù)據(jù)和方法的有效性。

4.2　CFAR仿真

仿真采用模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)分別處理來說明問題。通過傳統(tǒng)CA-CFAR與分區(qū)域CFAR方法做對比，對其虛警點(diǎn)做統(tǒng)計(jì)，得出檢測性能。

仿真過程為先把主瓣雜波搬移到零頻，再把主瓣雜波去除，然后開始做處理。從仿真結(jié)果可以看出，采用傳統(tǒng)的CFAR處理方法，在高度線附近存在大量的虛警，而采用二維分區(qū)CFAR檢測處理，由于采用特征值擬合，虛警點(diǎn)明顯減少。

5　結(jié)束語

機(jī)載雷達(dá)雜波仿真在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中起著舉足輕重的作用，本文基于起伏RCS的雜波功率譜進(jìn)行模擬，模擬的雜波數(shù)據(jù)基本滿足要求，另外從模擬數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)著手，提出一種分區(qū)CFAR檢測器，仿真和分析結(jié)果對比表明其方法的有效性。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化分區(qū)檢測機(jī)制，在仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)處理中設(shè)置更多的限制約束條件，如對環(huán)境和區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化劃分、基于信號(hào)特征進(jìn)行精細(xì)化處理等方法，使之更有利于目標(biāo)的提取和虛警的抑制。

參考文獻(xiàn):

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[3]李慧. 機(jī)載雷達(dá)雜波模擬[D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2012.

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[5]馬健. 基于刪除平均和單元平均的CFAR檢測器性能分析[J]. 電子科學(xué), 2012, 5(2): 12-15.

[6]Loraine L.Campbell, Air-to-Air Radar Modes for the CP-140 Maritime Patrol Aircraft[D]. Systems and Computer Engineering Carleton University,1996.