低空探測(cè)雷達(dá)海面雜波處理技術(shù)

楊曉東

摘要：本丈介紹了海雜波的信號(hào)特征分布、海岸線等陸海交界影響、海岸地表影響等特性。根據(jù)海雜波的特點(diǎn)，提出了雜波圖處理、靜點(diǎn)處理等雜波抑制方法，設(shè)計(jì)了掃描間相關(guān)、點(diǎn)跡評(píng)估等海雜波數(shù)據(jù)處理算法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有效性。

【關(guān)鍵詞】海雜波 雜波圖 點(diǎn)跡評(píng)估

1 引言

海雜波干擾嚴(yán)重影響低空探測(cè)雷達(dá)的性能，低空探測(cè)雷達(dá)在對(duì)空警戒模式下，由于空中目標(biāo)（飛機(jī)）的速度與雜波之問(wèn)的速度差比較大，雷達(dá)通過(guò)多普勒處理就能從雜波中提取出目標(biāo)，但是對(duì)于海而目標(biāo)，由于它的運(yùn)動(dòng)速度與海雜波的速度接近，從雜波中提取目標(biāo)信號(hào)比較困難。低空探測(cè)雷達(dá)一般在S波段內(nèi)的雜波情況比較嚴(yán)重，隨著雷達(dá)頻率升高，雜波影響越嚴(yán)重，雜波與風(fēng)速、海情、環(huán)境等相關(guān)，還隨著海而氣候變化、季節(jié)變化而不同，在低空探測(cè)雷達(dá)設(shè)計(jì)中，必須充分考慮到各種因素。

雜波干擾強(qiáng)會(huì)造成雷達(dá)自動(dòng)錄取和自動(dòng)跟蹤的困難，甚至?xí)鹣到y(tǒng)處理能力的飽和，降低雷達(dá)系統(tǒng)性能。本文就減少海雜波對(duì)低空雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的影響，分析了海雜波特征，進(jìn)行雜波圖技術(shù)、低速或固定雜波剔除技術(shù)等技術(shù)研究，提出掃描問(wèn)相關(guān)處理算法、點(diǎn)跡評(píng)估算法等數(shù)據(jù)處理方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這些方法的有效性。

2 雜波特征分析

2.1 海雜波分布

海雜波的特性取決于海而形狀，雷達(dá)回波是從尺寸大?。ù植诙龋┛梢耘c雷達(dá)波長(zhǎng)相比擬的海上部分得到的。而海的粗糙度受風(fēng)的影響，海雜波同時(shí)也取決于雷達(dá)天線波束相對(duì)于風(fēng)向的指向。此外，海雜波還受水表而張力變化的影響，水相對(duì)于空氣的溫度通常也可能對(duì)海雜波造成影響。

多年來(lái)，已經(jīng)提出許多理論模型來(lái)解釋海雜波。過(guò)去對(duì)海雜波的解釋是基于兩種不同的方法。一種是假設(shè)雜波是由海平而或接近海平而的散射特性引起的，另一種方法是將散射場(chǎng)當(dāng)作一個(gè)邊值問(wèn)題推導(dǎo)出來(lái)。這時(shí)海表而用某種統(tǒng)計(jì)過(guò)程描述最初的一種嘗試是假設(shè)可以用高斯概率密度函數(shù)來(lái)描述表而擾動(dòng)。但是，根據(jù)高斯曲而計(jì)算海散射得到的結(jié)果似乎是合理的，但仔細(xì)檢查會(huì)發(fā)現(xiàn)并不與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。由于雜波回波的高可變性，雜波回波通常用概率密度函數(shù)來(lái)描述。

如果雷達(dá)照射的雜波表而區(qū)域內(nèi)，有大量隨機(jī)散布的獨(dú)立的散射體，并且沒(méi)有一個(gè)比其他散射體大許多的獨(dú)立散射體。則接收機(jī)輸出端雜波電壓包絡(luò)的概率密度函數(shù)為：

瑞利分布雜波模型通常在雷達(dá)分辨單元很大，包含許多散射體，并且沒(méi)有一個(gè)比其他散射體大許多的獨(dú)立散射體的情況，適用于表征相對(duì)均勻的雜波。然而，當(dāng)分辨單元尺寸和掠射角都很小時(shí)，它并不是雜波的一個(gè)很好的表征。此時(shí)，對(duì)數(shù).正態(tài)分布是一個(gè)比較好的模型。當(dāng)接收機(jī)為平方律檢波器時(shí)，回波功率的對(duì)數(shù)正態(tài)概率密度函數(shù)為：

2.2 海岸線的影響

在海陸交界處白天光照條件下，由于陸地和海水比熱的不同，二者的升溫速度不一。陸地升溫速度快，而海水升溫速度慢，這樣陸地的溫度T₁大于海水溫度T₂，結(jié)果陸地空氣受熱上升的程度大大超過(guò)海而空氣受熱上升的程度，而使海陸交界處形成一個(gè)真空泵，這個(gè)真空泵迫使海而的空氣向陸地方向流動(dòng)，而海而上空的空氣又補(bǔ)充過(guò)來(lái)，從而形成對(duì)流（富含水蒸氣的對(duì)流）。在天氣晴朗且無(wú)多大風(fēng)的情況下，這個(gè)對(duì)流會(huì)不斷進(jìn)行下去。

而在夜問(wèn)，情況正好相反。由于海水降溫速度慢，陸地降溫速度快，陸地溫度T₁小于海水溫度T₂。近海空氣在海水余溫的加熱下上升，而陸地上空的空氣則補(bǔ)充過(guò)來(lái)，也形成了對(duì)流，只要海水溫度與陸地溫度有差別，這個(gè)對(duì)流也會(huì)一直進(jìn)行下去，這個(gè)對(duì)流也富含水蒸氣。

一個(gè)旋轉(zhuǎn)的富含水汽的氣團(tuán)本質(zhì)就是一團(tuán)旋轉(zhuǎn)的云，當(dāng)雷達(dá)波遇到這樣的氣團(tuán)，其雷達(dá)回波會(huì)大大增強(qiáng)，且這種不停對(duì)流的氣團(tuán)會(huì)產(chǎn)生不小的多普勒頻移，雷達(dá)MTI方式是無(wú)法對(duì)消的。這可能就是海岸線天氣晴朗，反而仙波比較密集且不分晝夜的原因之一。

2.3 地表環(huán)境影響

海岸線有一個(gè)特殊的地表環(huán)境，海浪會(huì)不停的涌上海岸然后又迅速的退去，如此不停的反復(fù)。當(dāng)雷達(dá)的低波位電磁波照在這片區(qū)域時(shí)，其雷達(dá)回波時(shí)而是沙灘的反射，時(shí)而是海浪的反射。在接收端，由于沙灘和海浪對(duì)雷達(dá)波形的調(diào)制不同，導(dǎo)致不同的脈沖在幅度、相位上起伏較大，甚至?xí)鸲嗥绽疹l移，這也可能是海岸線上空雜波較多的原因之一。

3 雜波圖技術(shù)

由于海雜波的形成原因很多，在經(jīng)過(guò)雷達(dá)信號(hào)處理檢測(cè)后，大量的虛假目標(biāo)會(huì)出現(xiàn)。為了降低運(yùn)動(dòng)雜波的虛警概率，采用擴(kuò)展雜波圖方法進(jìn)行抑制，進(jìn)行二次檢測(cè)。該方法采用的雜波圖單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示（示意圖），包括雜波圖單元和擴(kuò)展單元。雜波圖單元?jiǎng)澐址椒榈壬葏^(qū)雜波圖方法，即雜波圖單元是由若干個(gè)距離分辨單元和若干個(gè)方位分辨單元形成的扇區(qū)構(gòu)成。這種雜波圖單元?jiǎng)澐址椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是在遠(yuǎn)距離雜波圖單元的切線方向距離過(guò)長(zhǎng)，容易造成切向目標(biāo)損失，并且跨雜波圖單元的運(yùn)動(dòng)雜波容易被檢出，虛警率較高。

可以利用雜波圖的劃分方法，將雷達(dá)的作用范圍劃分成小的區(qū)域，并對(duì)回波點(diǎn)跡落入不同區(qū)域的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。再設(shè)置一個(gè)門限，當(dāng)統(tǒng)計(jì)積累值超過(guò)該門限時(shí)，認(rèn)為這里的回波點(diǎn)是靜止不動(dòng)的，在回波檢測(cè)時(shí)，不輸出，也將其從緩存區(qū)中去掉。這種方法有利于那些慢動(dòng)的雜波點(diǎn)。

4 海雜波過(guò)濾

4.1 掃描間相關(guān)

海雜波的時(shí)問(wèn)相關(guān)性與多普勒頻譜成反比。雜波的去相關(guān)時(shí)問(wèn)通常為歸一化的自相關(guān)函數(shù)的時(shí)問(wèn)。海雜波長(zhǎng)時(shí)問(wèn)的弱相關(guān)性主要是由尖頭海浪引起的，不能靠脈間處理有效清除。利用目標(biāo)的相關(guān)時(shí)間比較長(zhǎng)，通過(guò)掃描間相關(guān)處理能有效去除由尖頭海浪引起的海雜波干擾。低空探測(cè)雷達(dá)由于作用距離遠(yuǎn)，回波數(shù)據(jù)量大，所以在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)掃描間相關(guān)處理時(shí)需要有較大的存儲(chǔ)空間，合理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

4.2 點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估

點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估是點(diǎn)跡質(zhì)量綜合管理的點(diǎn)跡預(yù)處理技術(shù)，它采用一種點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估的方法，主要對(duì)雷達(dá)探測(cè)形成的點(diǎn)跡，從空間特征、運(yùn)動(dòng)特征、信號(hào)幅度特征等多方面特征進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，最后形成點(diǎn)跡的綜合質(zhì)量評(píng)估圖。

根據(jù)不同的海面環(huán)境情況，結(jié)合雷達(dá)實(shí)際工作參數(shù)情況，采用加權(quán)處理的方法得出點(diǎn)跡質(zhì)量分值，根據(jù)分值的大小設(shè)置抑制雜波門限，一般情況下，雜波的分值低，目標(biāo)的分值高。雜波抑制門限系數(shù)的選取原則，可以結(jié)合雷達(dá)探測(cè)量程考慮，采用分級(jí)處理。相對(duì)低空探測(cè)雷達(dá)對(duì)海工作而言，雷達(dá)架高通常比較高，為了更好探測(cè)海面目標(biāo)，波束指向向下照射傾角較大，所以探測(cè)距離越近，雜波影響越大。

5 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

利用實(shí)際的海雜波數(shù)據(jù)，按照上述的雜波圖處理技術(shù)和海雜波過(guò)濾方法，通過(guò)程序設(shè)計(jì)，對(duì)多幀數(shù)據(jù)分析處理后的結(jié)果如圖2、圖3所示。從圖中對(duì)比可以看出，處理后的結(jié)果海雜波大大減少。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針低空探測(cè)雷達(dá)強(qiáng)海雜波的一些特點(diǎn)，提出了擴(kuò)展雜波圖等一些過(guò)濾方法和海雜波數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，利用這些方法，可以減少海雜波對(duì)雷達(dá)目標(biāo)跟蹤的影響，提高雷達(dá)的性能。但是，海雜波的形成原因很多，完全解決對(duì)雷達(dá)的影響，需要繼續(xù)更多的研究分析。

參考文獻(xiàn)

[1]LamontV.Blakeradarrange-performanceanalysis[M].LeXingtonBooks，1980.

[2]王軍，林強(qiáng)，米慈中譯MerrillIS.雷達(dá)手冊(cè)[M]，北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[3]雷旺敏，張彪，岸基雷達(dá)的抗海雜波措施[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28 （05）： 5-7、1 9.

[4]李宗武.直升機(jī)機(jī)載雷達(dá)抗海雜波技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2002，20（01）：10-14.endprint