艦載雷達(dá)海雜波的抑制方法探究

蘭 慧，程占昕，楊 輝

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艦載雷達(dá)海雜波的抑制方法探究

蘭 慧，程占昕，楊 輝

（海軍大連艦艇學(xué)院信息作戰(zhàn)系，遼寧大連 116018）

艦載雷達(dá)在工作時(shí)采用抑制海雜波技術(shù)，能有效的減小海雜波對(duì)海上目標(biāo)檢測(cè)帶來的干擾。本文以海雜波的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型為基礎(chǔ)，系統(tǒng)分析了不同海情情況下適用的抑制海雜波的方法。自適應(yīng)海雜波濾波器和恒虛警檢測(cè)主要針對(duì)各海情的海雜波抑制，提高分辨率和MTI技術(shù)適用均勻分布的海雜波抑制。通過系統(tǒng)分析各種海雜波抑制方法的選擇和使用條件，為艦載雷達(dá)海雜波背景下的信號(hào)處理領(lǐng)域提供了重要的理論依據(jù)。

艦載雷達(dá) 海雜波抑制 恒虛警檢測(cè)

0 引言

艦載雷達(dá)在搜索跟蹤海面的艦船目標(biāo)時(shí)，海雜波成為主要的背景，嚴(yán)重影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。因此，抑制海雜波的干擾成為艦載雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的主要任務(wù)。雷達(dá)對(duì)海雜波的抑制方法前人做了很多工作，但是針對(duì)艦載平臺(tái)，系統(tǒng)的總結(jié)雷達(dá)設(shè)計(jì)方法和信號(hào)處理過程的參考資料較少。海雜波抑制方法一般過程是先構(gòu)造海雜波模型，然后把回波信號(hào)映射到適當(dāng)?shù)淖儞Q域，在該變換域上區(qū)分海雜波和目標(biāo)信號(hào)，進(jìn)而抑制掉海雜波保留目標(biāo)。本文在對(duì)海雜波進(jìn)行特性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)艦載平臺(tái)上的雷達(dá)抑制海雜波的信號(hào)處理過程進(jìn)行歸類和總結(jié)，為艦載雷達(dá)探測(cè)海上目標(biāo)方法提供參考。

1 海雜波特性分析

在實(shí)際工程應(yīng)用里，海雜波可以被看作成一個(gè)隨機(jī)過程。常用的海雜波的幅度統(tǒng)計(jì)分布模型可分為瑞利分布、對(duì)數(shù)-正態(tài)(Log-normal)分布、韋布爾(Weibull)分布和復(fù)合K分布等。瑞利分布模型適用于低分辨率雷達(dá)以較大的掠射角對(duì)低海情海面進(jìn)行觀測(cè)的情況。它用于表征相對(duì)均勻的海雜波。對(duì)數(shù)-正態(tài)分布模型的海雜波有一條長的尾巴，標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值的比值較大，適用于相對(duì)比較惡劣的海雜波環(huán)境。韋布爾分布適合擬合位于瑞利分布和對(duì)數(shù)-正態(tài)分布之間的海雜波測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)海雜波幅度起伏均勻、高分辨率雷達(dá)和低掠射角情況下，韋布爾分布能很好的擬合海雜波數(shù)據(jù)。復(fù)合K分布可表示為兩個(gè)相互獨(dú)立分量乘積的形式，兩個(gè)分量分別稱為散斑分量和紋理分量。散斑分量是零均值、有可能相關(guān)的復(fù)高斯過程，描述了海表面小尺度張力波的散射特性，一般服從瑞利分布；紋理分量是實(shí)的非負(fù)隨機(jī)過程，描述了海表面大尺度重力波的散射特性，概率分布服從Gamma分布。因此，復(fù)合K分布不僅可以在很寬的范圍內(nèi)很好地與觀測(cè)的海雜波數(shù)據(jù)的幅度分布相匹配，而且還可以正確地模擬海雜波回波的脈間相關(guān)特性。

2 海雜波抑制方法

艦載雷達(dá)在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)海雜波數(shù)學(xué)模型，在信號(hào)處理模塊選擇合適的海雜波抑制方法。

2.1 自適應(yīng)海雜波濾波器

在低海情、高掠射角情況下，海雜波服從瑞利分布，而在低掠射角、高分辨率的條件下，海雜波呈現(xiàn)出非高斯分布，具有尖銳的峰值和較長的拖尾，嚴(yán)重偏離了瑞利分布，且海雜波的紋理分量較散斑分量具有較長的時(shí)間相關(guān)性。而雷達(dá)接收機(jī)的濾波器若仍以某一特定概率分布（如瑞利分布）為前提來設(shè)計(jì)，則不一定是最佳的接收機(jī)。因此，雷達(dá)接收機(jī)的濾波器結(jié)構(gòu)需要跟隨著海雜波的特性而改變，實(shí)時(shí)估計(jì)出海雜波的統(tǒng)計(jì)特性，然后根據(jù)此估計(jì)值自適應(yīng)的調(diào)整濾波器參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的濾除海雜波。

自適應(yīng)海雜波濾波器的設(shè)計(jì)流程如下：

1）設(shè)輸入信號(hào)的相參脈沖序列為

2.2 恒虛警檢測(cè)（CFAR）

恒虛警檢測(cè)是根據(jù)海雜波的概率分布和強(qiáng)度的變化，自動(dòng)調(diào)整檢測(cè)門限電平，來達(dá)到恒虛警目的。恒虛警處理方法中最經(jīng)典的是單元平均恒虛警（CA-CFAR）檢測(cè)器。單元平均恒虛警檢測(cè)器的框圖如下所示。

2.3 提高雷達(dá)分辨率

當(dāng)雷達(dá)接收信號(hào)中混雜著海雜波時(shí)，信雜比越高，越有利于雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)。而從式（9）中可以看出，雷達(dá)若采用短脈沖（或者等效的脈沖壓縮）和窄波束寬度天線，可以減少目標(biāo)回波信號(hào)中的海雜波量，即雷達(dá)分辨的單元越小，與信號(hào)抗?fàn)幍暮ｋs波回波就越少。因此，提高雷達(dá)的分辨率，可以減少海雜波的干擾。但是考慮到在海雜波背景下進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)時(shí)，我們不能無限的減小雷達(dá)分辨率單元。因?yàn)楫?dāng)分辨單元足夠小時(shí)，雷達(dá)變成受噪聲限值的雷達(dá)，檢測(cè)目標(biāo)的效果反而降低了，因此不能無限制的減小雷達(dá)分辨單元尺寸。

2.4 MTI/MTD技術(shù)

MTI是利用目標(biāo)與干擾背景的海雜波運(yùn)動(dòng)速度的差異，設(shè)置一次或者二次對(duì)消器，將固定或慢動(dòng)背景海雜波的回波抑制掉，從而檢測(cè)出真實(shí)目標(biāo)的處理方法。海雜波雖然受風(fēng)浪的影響，不是靜止的有一定的速度，但是海浪的速度相對(duì)于飛機(jī)、導(dǎo)彈等快速移動(dòng)的目標(biāo)，速度可以被看做為慢動(dòng)甚至是靜止的。因此，采用MTI技術(shù)可以減小海雜波對(duì)雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)性能的干擾。典型的MTI技術(shù)通常要求發(fā)射信號(hào)為相參信號(hào)，并采用非遞歸的有限沖擊響應(yīng)濾波器來實(shí)現(xiàn)對(duì)海雜波的抑制。MTI只能檢測(cè)出目標(biāo)是否存在，但不能獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。而MTD則能彌補(bǔ)MTI的不足。MTD是在MTI的基礎(chǔ)上增加了一組相鄰且部分重疊的多普勒濾波器組，通過濾波器組對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行濾波處理，對(duì)濾波器輸出進(jìn)行檢測(cè)來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并獲取目標(biāo)的速度信息。并且MTD能將多個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在濾波器組中彼此分開。這樣，當(dāng)海雜波與運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)出現(xiàn)在不同的多普勒濾波器中，海雜波的回波不會(huì)干擾運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。

3 結(jié)束語

針對(duì)艦載雷達(dá)容易受海雜波干擾的問題，本文從海雜波的統(tǒng)計(jì)學(xué)角度出發(fā)，系統(tǒng)的闡述了幾種海雜波幅度分布的數(shù)學(xué)模型及其適用條件，并結(jié)合數(shù)學(xué)模型給在出了在進(jìn)行信號(hào)處理領(lǐng)域設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用的海雜波抑制方法，包括自適應(yīng)濾波器技術(shù)、恒虛警檢測(cè)、采用高分辨率雷達(dá)和MTI/MTD技術(shù)，為艦載雷達(dá)改善海雜波背景干擾提供了參考。

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Research on Sea Clutter Suppression Method for Shipborne Radar

Lan Hui, Cheng Zhanxin, Yang Hui

(Dept. of Operation and Training, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, Liaoning, China)

TN 957

A

1003-4862（2017）11-0029-03

2017-09-15

蘭慧(1988-), 女，碩士。研究方向：艦載雷達(dá)信號(hào)處理。