基于分布式協(xié)同模式的MTI濾波器設計與仿真

劉佳+唐小明+宋洪良

摘 要： 為了利用雙（多）基地雷達收發(fā)分置的體制優(yōu)勢，在傳統(tǒng)工作模式的基礎上設計一種分布式協(xié)同的工作環(huán)境。為了在接收機處有效濾除雜波，采用設計動目標顯示（MTI）濾波器的方法進行雜波抑制。在模型設計上選擇切比雪夫等波紋逼近理想濾波器的方法設計濾波器模型。由于實際雜波環(huán)境和方位角會引起雜波功率譜變化，在結構設計上通過一個固定雜波多普勒濾波器實現對高強度地物回波的濾除，級聯(lián)一個具有準自適應功能的濾波器組，實現對運動雜波的抑制。仿真結果表明該濾波器對雷達信號中的雜波具有較好的抑制作用。

關鍵詞： 分布式協(xié)同； 雜波抑制； 動目標顯示； 自適應濾波

中圖分類號： TN958?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）17?0079?04

Design and simulation of MTI filter based on distributed cooperation mode

LIU Jia， TANG Xiaoming， SONG Hongliang

（Naval Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China）

Abstract： In order to make use of the advantages of the receiving and transmitting bistatic system for double or multi?base radars， a distributed cooperation working environment was designed on the basis of the traditional working mode. In order to filter the clutter at receiver effectively， the method for designing the moving target display （MTI） filter is used to suppress the clutter. The method of Chebyshev equal ripple approximate ideal filter is selected to design the filter model. Since the actual clutter environment and azimuth angle may lead to the change of clutter power spectrum， a fixed clutter Doppler filter is adopted in the structure design to filter the high?intensity ground echo， and then a filter bank with quasi?adaptive function is cascaded to suppress the moving clutter. The simulation results show that the filter can suppress the clutter in radar signal effectively.

Keywords： distributed collaboration； clutter suppression； moving target display； adaptive filtering

0 引 言

雙（多）基地雷達是一種有別于傳統(tǒng)單基地的新體制雷達，其基本工作模式有合作與非合作式兩種[1?2]。在這兩種模式的基礎上，利用某一部外輻射源雷達在近距離的一部接收機中接收直達波信號，通過信號處理解析出同步參數后，將同步信息通過數傳通道（網絡）傳遞給遠距離的其他接收機，實現發(fā)射和接收的“三大同步”，該模式能夠克服傳統(tǒng)模式的不足，具有廣泛的適用性，其工作背景如圖1所示。

雜波抑制在雷達信號處理中扮演著關鍵角色，對雷達系統(tǒng)的目標檢測能力有著重要影響。傳統(tǒng)雷達檢測中假設雜波是固定的[3]，能量主要集中于零多普勒頻率附近，因此常常采用固定的高通濾波器來濾除。但是固定權系數的MTI濾波器在對付運動雜波方面的效果并不理想，需要設計一種隨時變化權重的濾波器實現雜波抑制，于是出現了自適應雜波抑制技術。在這方面，文獻[4]利用AR模型逼近雜波譜倒置理想帶通濾波器的頻率響應，通過改變?yōu)V波器中心頻率和通帶寬度實現自適應。文獻[5]討論了一種基于最大平均改善因子準則的權矢量計算方法，并從工程的角度提出一種比較篩選確定濾波器系數的算法。文獻[6]建立了基于特征矢量法的MTI濾波器的幾何描述模型，并通過仿真進行了驗證。

但是在圖1所示的分布式協(xié)同背景下，雜波功率譜分布除了涉及雷達工作頻率和實際復雜環(huán)境，還與雙基地角有著密切聯(lián)系。在收發(fā)長度和趨近于基線距離時[7]，雜波頻率有向多普勒零頻附近收斂的趨勢，而且在方位角的影響下，功率譜具有較大的展寬，這些都與單基地直線譜模型差別較大，一些常用的設計方法如線性預測和雜波對消等更是難以適用。

綜合考慮以上因素，將固定雜波與運動雜波的抑制分開進行，即先通過一個高通多普勒濾波器實現對高強度地物回波的濾除，然后通過一個預先設計好的準自適應濾波器結構實現對運動雜波的抑制。在濾波器模型設計方面，對高通和帶阻濾波器采用切比雪夫逼近法設計頻率響應，取得對理想濾波器的最優(yōu)逼近。同時在自適應結構設計方面考慮雙基地幾何條件下雜波的非平穩(wěn)性，通過設計一個并聯(lián)多普勒濾波器組加選擇比較器的結構來實現自適應功能，并行輸出的多普勒濾波器組信號在比較器中通過選擇判決將抑制效果最佳的結果作為最終輸出，該結構避免了估計雜波參數的復雜過程，適合于工程運用。endprint

1 基于切比雪夫逼近法的MTI濾波器模型設計

若是從優(yōu)先考慮濾波器濾波效果的角度出發(fā)，即濾波器的凹口設計要窄同時深度需深，在逼近理想濾波器常用的三個實現方法——窗函數法、頻率采樣法和切比雪夫等波紋逼近法中，效果最好的是切比雪夫法。理想帶阻濾波器的幅度頻率響應[8]和相應的功率譜形式為：

（1）

式中：為濾波器的歸一化中心頻率；為濾波器的歸一化阻帶寬度。如果為實際濾波器的頻率響應，則逼近誤差可表示為：

（2）

若將濾波器最大通阻帶的逼近誤差定為技術指標，那么位于通帶低頻端和阻帶高頻端的部分將很難達到技術要求?？紤]到如果能使逼近誤差在通帶和阻帶內均勻分布，那么在實現技術指標的同時可以獲得更小的濾波器階數，利于設計實現。在這種思想下放棄了單調性，而采取一種等波紋的逼近方法——切比雪夫法。

切比雪夫逼近法采用最大誤差最小化準則逼近理想濾波器的頻率響應[9]，從而實現最優(yōu)FIR濾波器的設計。切比雪夫濾波器的性質如下：對Ⅰ型濾波器而言，幅頻響應在通帶中等波紋，在阻帶中單調；對Ⅱ型濾波器而言，幅頻響應在通帶中單調，在阻帶中等波紋。綜合考慮以后采用Ⅰ型濾波器，它在通頻帶內雖然有等幅波動，但在逼近理想濾波器方面做到了整體誤差最小。

通過切比雪夫逼近法計算，可以得到Ⅰ型濾波器的幅頻響應平方函數：

（3）

式中：反映了通帶內幅度波動的程度，越大，則波動幅度就越大；為通帶截止頻率，令稱為對的歸一化處理；是階切比雪夫多項式。

從式（3）可以看出，平方幅度函數與3個參數，即和有關，設阻帶截止頻率為令：

則：

（4）

（5）

可以看出，要求阻帶頻率衰減越大，也就越大。通常在確定參數和后，借助相關技術工具可以得到系統(tǒng)函數。

通常可以將雜波分為固定雜波和運動雜波兩大類。固定雜波頻譜往往集中在多普勒零頻附近且譜寬較窄，這時固定雜波功率很強，濾波器的凹口設計應本著窄且深的原則。運動雜波頻譜通常集中于平均多普勒頻率附近，功率相對于固定雜波較弱，對濾波器的要求是使濾波器凹口對準中心且寬度應與雜波譜相當，深度適中，這些都可以通過設計切比雪夫實現。

在獲得良好濾波效果的同時，也要發(fā)現切比雪夫濾波器的設計是通過復雜的雷米茲多重交換算法實現的。對于固定雜波，其中心頻點已知且借助一些先驗信息可以提前采用相應技術手段完成濾波器的設計。但是對運動雜波而言，由于雜波頻譜特征很難事先確知，根據實際情況估計雜波譜參數進行濾波器設計運算量很大，再加上雙基地的幾何特征使得雜波譜隨著距離、方位不斷變化，更是加大了濾波器實時調整的難度。

2 一種具有準自適應功能的濾波器結構

2.1 運動雜波多普勒濾波器組

在第1節(jié)討論的基礎上，如果能夠根據實際情況估計出雜波的譜中心和譜寬，則理想濾波器的中心頻率和阻帶寬度就能確定，進而利用切比雪夫法逼近該模型設計MTI濾波器，使濾波器的凹口實時地對準雜波能量集中的區(qū)域。但是，準確地實時估計雜波參數并不容易，再加上雙基地幾何特征帶來雜波單元的非平穩(wěn)性變化，更是對參數估計提出了更高的要求。此外，切比雪夫濾波器良好的濾波性能是在復雜的系數計算基礎上實現的，即使估計出了雜波參數，對濾波器進行實時調整也是一個大的問題。

因此，有必要換一個角度考慮對雜波進行自適應調整。首先根據可能出現的雜波環(huán)境設計出多組FIR帶阻濾波器，這些濾波器都是通過切比雪夫最優(yōu)逼近理想濾波器設計實現，濾波器的系數由于計算環(huán)境復雜通過事先計算并存儲起來。對某一時刻的雜波單元而言，如果其功率譜能量集中區(qū)域包含在設計好的濾波器組所覆蓋的頻譜中，同時帶寬設計較為理想，那么總能找到一個能夠進行有效抑制的濾波器作為自適應選擇。

對運動雜波而言，根據所在的實際環(huán)境，通常能夠對雜波類型做出有效判定。如果目標來自海上，則運動目標主要由海雜波組成，這時設計濾波器組就應以海雜波作為主要參考。同樣，對地上目標來說則應主要考慮氣象雜波的影響。

氣象雜波的功率譜通常分布在脈沖重復頻率的以內，頻帶較寬。對此可以將它的多普勒頻率范圍分成16段，每一段對應一個第1節(jié)所設計的帶阻濾波器，根據前面所述算法計算出每一段濾波器系數，并聯(lián)成一個多普勒濾波器組。將它們的頻率響應反映在同一張頻譜圖上，如圖2所示，他們分別對應了不同多普勒頻率的氣象雜波，由于分段較多圖中只包括正多普勒頻率部分。

海雜波的功率譜通常分布在脈沖重復頻率的以內，頻帶較寬。對此可以將它的多普勒頻率范圍也分成16段，每一段對應一個第1節(jié)所設計的帶阻濾波器，根據前面所述算法計算出每一段濾波器系數，并聯(lián)成一個多普勒濾波器組。將它們的頻率響應反映在同一張頻譜圖上，如圖3所示，分別對應不同多普勒頻率的海雜波，由于分段較多圖中只包括正多普勒頻率部分。

2.2 選擇比較器

選擇比較器不必估計雜波參數（中心頻率與譜寬）。通過對實際目標環(huán)境和不同雜波性質的分析，利用2.1節(jié)里設計出的多普勒濾波器組，將同一雜波信號并行地輸入到濾波器組中進行濾波，然后將所有的結果在選擇比較器中進行判決選擇，以雜波剩余量最小作為濾波器選擇的指標。選擇器的應用避免了對雜波參數的復雜估計以及對雙基地幾何特征影響的考慮，工程上易于實現。整個濾波環(huán)節(jié)流程圖如圖4所示。

3 仿真實驗

仿真流程參照圖5，簡化實際雜波環(huán)境，對雜波參數的設定如下：設某一運動雜波的功率譜分布近似為K分布[10]，中心頻率考慮方位角影響，簡化設計為在范圍內隨機出現，濾波器帶寬設計由先驗知識估計出近似值，誤差控制在15%。由此得到的雜波功率譜如圖5所示。

將該功率譜分布下的雜波單元序列并行地輸入到設計好的多普勒濾波器組中，然后把輸出結果放到比較器中進行選擇，以雜波剩余量最小為原則對各組的數據進行比較判決，各濾波器的輸出結果如表1所示。endprint

從表1中可以看出，在1號濾波器處雜波功率的衰減達到最大，實際對比仿真出的雜波信號功率譜可以發(fā)現，雜波中心頻率介于之間，1號濾波器的中心頻率能較好地對準雜波功率譜，實現對雜波的有效抑制。

4 結 語

本文基于一種分布式協(xié)同背景設計MTI濾波器。在濾波器的模型選擇方面，采用切比雪夫等波紋逼近理想濾波器的方法使得單個濾波器的濾波性能達到最優(yōu)，如果雜波參數確定，設計出來的濾波器能夠起到很好的抑制雜波作用。與此同時，考慮到實際雜波環(huán)境和雙基地幾何特征的影響，在濾波器自適應調整方面采用一種準自適應手段，簡化實際雜波模型，通過預先設計好的濾波器組實現對同一雜波單元的比較判決，選擇濾波效果最佳的作為實際輸出，該方法避開了對實際雜波參數的復雜估計，節(jié)省運算量，結構上較為簡單，工程上易于實現。

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