機(jī)載預(yù)警雷達(dá)地雜波功率譜仿真與分析

中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所；孔徑陣列和空間探測實驗室　李小萍

1.引言

脈沖多普勒雷達(dá)基于其在檢測目標(biāo)的獨特優(yōu)勢，在實際中應(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，面對的地面雜波往往是探測目標(biāo)的重要阻礙，很多時候，目標(biāo)的回波強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雜波強度，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。

另外，脈沖多普勒雷達(dá)其獨特的優(yōu)勢是在頻域檢測目標(biāo)，考慮到實際雷達(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。

2.雷達(dá)地雜波模擬原理

機(jī)載雷達(dá)雜波模擬的過程實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，考慮每個距離環(huán)360度都存在雜波回波，將360度劃分為若干個小單元，其劃分間隔與多普勒分辨率有關(guān)。由于視線轉(zhuǎn)動、空氣擾動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，每個散射體的雜波功率譜計算公式如下[2]：

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，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。

3.起伏RCS數(shù)據(jù)模擬

3.1　地面雜波后向反射系數(shù)模型

機(jī)載雷達(dá)大部分處于下視工作模式，其回波不僅存在主瓣雜波，副瓣雜波，而且還存在副瓣波束近似垂直入射形成的高度線雜波，雜波后向散射系數(shù)的空間分布中值由兩部分組成，且為了區(qū)分不同地型的散射系統(tǒng)，非常典型的Morchin模型表達(dá)式為[3]：

表1　不同地形反射系數(shù)參數(shù)值

3.2　分布特性

在雷達(dá)回波中，我們關(guān)注的重點是有用的目標(biāo)信號，而雜波回波相對來說是無用信號，需要雷達(dá)信號處理系統(tǒng)通過一定的手段剔除或者從中提取有用信號，然而不同的雷達(dá)參數(shù)、平臺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)計以及后續(xù)信號處理有著重要作用。

通過對大量實際數(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)域有一個較長的拖尾，二是有一個較大的標(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)分布更加符合實際，其概率密度函數(shù)為：

4.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)估計為最大似然估計，當(dāng)參考單元數(shù)較大時，檢測性能接近最優(yōu)[4]。

然而實測回波由于環(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會存在虛警點較多，不利于信號檢測。本文根據(jù)實際情況，提出一種分區(qū)CFAR方法，對雜波頻譜中的強雜波區(qū)、噪聲區(qū)、高度線雜波區(qū)用不同的二維CFAR窗做處理[5]。

圖1　分區(qū)檢測器窗口示意圖

其中，在強雜波區(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。

5.計算機(jī)仿真與分析

5.1　雜波仿真

仿真流程如圖2所示。

圖2　雜波仿真流程圖

計算參數(shù)：

雷達(dá)各項仿真參數(shù)如載機(jī)速度、載機(jī)高度、重頻、距離門、積累時間、掃描方式等與實際參數(shù)基本一致。同時雷達(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。

圖3　RCS起伏的雜波模擬結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)仿真參數(shù)，我們可以得出：

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，主瓣確實在第70通道-80通道之間。如載機(jī)高度為7500米，從仿真圖可以看到，高度線雜波處于第120個距離門附近，符合實際情況。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，從而驗證了仿真數(shù)據(jù)和方法的有效性。

5.2　CFAR仿真

仿真采用模擬數(shù)據(jù)和實測數(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，對其虛警點做統(tǒng)計，得出檢測性能。

圖4　模擬雜波數(shù)據(jù)的CFAR檢測對比

圖5　實測數(shù)據(jù)的CFAR檢測對比

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，虛警點明顯減少。

6.結(jié)論

機(jī)載雷達(dá)雜波仿真在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計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。

[1]饒妮妮,基于數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的機(jī)載認(rèn)知雷達(dá)地雜波建模方法研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2016,04.

[2]任紅霞,雷達(dá)海雜波統(tǒng)計建模與仿真[D].山東:中國海洋大學(xué),2016.

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

[4]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年,25(2).

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