水域雷達(dá)的軟件化雜波處理

李朋 王祥麗 史毅仁

四創(chuàng)電子股份有限公司 安徽 合肥 230094

引言

水域雷達(dá)雜波主要包含海雜波和雨雪雜波，是影響目標(biāo)錄取、航跡跟蹤能力和效果的主要因素，所以雜波抑制處理是水域雷達(dá)研究領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)研究課題。

雜波由于產(chǎn)生的機(jī)理不相同[1]，因此處理方法也不同。海雜波主要分布在雷達(dá)近區(qū)，強(qiáng)度隨距離而減少，可以使用增益控制的靈敏度時(shí)間控制（Sensitivity time control，STC）。雨雪雜波是以一個(gè)較為均勻的方式分布的，使用快速時(shí)間常數(shù)（Fast Time Control，F(xiàn)TC）處理。統(tǒng)計(jì)分布特性的恒虛警（Constant False Alarm Rate，CFAR）處理從各種雜波背景中檢測(cè)出目標(biāo)[2]。

目前雷達(dá)STC功能是通過(guò)控制壓控衰減器實(shí)現(xiàn)的[3]，F(xiàn)TC也是微分電路，兩者都是通過(guò)固件器件實(shí)現(xiàn)，增加系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜。本文提出軟件化的實(shí)現(xiàn)方式，程序上采用模塊化、網(wǎng)絡(luò)接口和多線程并行處理的軟件化設(shè)計(jì)，滿足雷達(dá)數(shù)據(jù)量大、處理延時(shí)小的要求，并聯(lián)合使用多種類型CFAR，抑制水域雷達(dá)雜波，從不同雜波背景中檢測(cè)目標(biāo)。

1 水域雷達(dá)軟件化的雜波處理方法

雜波處理流程如圖1所示，包括STC處理，F(xiàn)TC，依據(jù)雜波、船只分布選擇CFAR類型：?jiǎn)卧骄闾摼疌A-CFAR、最大選擇GO-CFAR、最小選擇SO-CFAR、CFAR處理后數(shù)據(jù)合并處理。

圖1 雜波處理流程

雜波處理從接收到雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)后開(kāi)始，首先進(jìn)行STC處理，調(diào)整近程增益，對(duì)海雜波信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行抑制。然后進(jìn)行FTC處理，抑制均勻分布的雨雜波。其次根據(jù)雜波和船只分布情況選擇CFAR類型，雷達(dá)整個(gè)測(cè)量范圍設(shè)計(jì)3種CFAR，均勻分布的海雜波選用CA-CFAR，船只較多的航道區(qū)域選用SOCFAR，雜波突變的區(qū)域使用GO-CFAR。最后把3種CFAR處理的結(jié)果進(jìn)行合并，發(fā)送給數(shù)據(jù)處理進(jìn)行點(diǎn)跡凝聚和航跡跟蹤。

軟件化的雜波處理，利用網(wǎng)絡(luò)接收和發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，STC、FTC和CFAR分別用獨(dú)立線程并行處理，滿足了雷達(dá)數(shù)據(jù)量大、處理延時(shí)小的要求。

1.1 STC海浪雜波處理

水域雷達(dá)接收回波信號(hào)受到海浪雜波干擾時(shí)，會(huì)影響目標(biāo)的信雜比，增大目標(biāo)檢測(cè)難度?？刂坪ｋs波最好的方法是STC處理，意圖對(duì)近程海雜波信號(hào)加以抑制，同時(shí)確保遠(yuǎn)程的小目標(biāo)被探測(cè)到。

STC模型要能夠表現(xiàn)出海雜波強(qiáng)度隨距離維度變化的趨勢(shì)，如圖2所示直線STC曲線，起始增益Gain0、起始距離STCStartR和STCEndR 3個(gè)參數(shù)決定了海雜波抑制強(qiáng)度。

圖2 STC曲線

圖中分為3段，距離小于STC起始距離的使用固定增益Gain0，大于STC結(jié)束距離的使用增益1（不進(jìn)行STC處理），位于起始距離和結(jié)束距離之間的增益需要根據(jù)線性關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，如下式所示，計(jì)算某一距離點(diǎn)的增益Rgain：

式中，增益取值范圍0到1之間，值越小信號(hào)衰減越大，合理調(diào)節(jié)Gain0、STCStartR和STCEndR的值達(dá)到對(duì)海雜波抑制的最佳效果。

1.2 FTC雨雪雜波處理

FTC處理主要是將接收到的雨雪雜波減弱，實(shí)現(xiàn)把掩蓋在雨雪雜波中的目標(biāo)突顯出來(lái)。與STC相比，F(xiàn)TC作用在整個(gè)雷達(dá)覆蓋距離范圍。

FTC實(shí)質(zhì)是一個(gè)微分器，對(duì)均勻分布的雨雪雜波影響較大，由于目標(biāo)在時(shí)域上持續(xù)短，微分器對(duì)目標(biāo)的影響小，這就使得目標(biāo)的可見(jiàn)度提高了。軟件實(shí)現(xiàn)中有2個(gè)參數(shù)，F(xiàn)TC窗口大小FTCWindowSize和FTC因子FTCLevel，計(jì)算某一距離點(diǎn)強(qiáng)度RFTC：

式中，Ramp距離R的回波原始幅度，Ramp(i)表示窗口內(nèi)采樣點(diǎn)i的幅度，TFCLevel取值0到1，TFCLevel值越大，RFTC值越小。根據(jù)雨雪雜波情況調(diào)節(jié)窗口大小和FTC因子，達(dá)到最佳抑制雨雪雜波效果。

1.3 CFAR目標(biāo)檢測(cè)

CFAR處理是目標(biāo)檢測(cè)通用的方法，能夠依據(jù)雷達(dá)雜波情況動(dòng)態(tài)調(diào)整檢測(cè)門限[4]。針對(duì)均勻分布的海雜波，使用單元平均恒虛警CA-CFAR。當(dāng)目標(biāo)相互靠近，為防止目標(biāo)漏檢，采用最小選擇SO-CFAR。當(dāng)從雜波與非雜波區(qū)交界處，雜波功率差異大，為防止虛警出現(xiàn)，采用最大選擇GO-CFAR。檢測(cè)原理如圖3所示，在CFAR選擇器模塊中，可以根據(jù)雷達(dá)陣地情況配置CAFR類型，表1為不同類型CFAR對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景。

表1 不同類型CFAR對(duì)應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景

圖3 CFAR檢測(cè)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)使用四創(chuàng)電子全固態(tài)水域雷達(dá)，采集中雨天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)如圖4（a）所示，圖中有一個(gè)面積比較大的雨雜波區(qū)，在雨雜波區(qū)有4艘船只目標(biāo)回波。

圖4 雨雜波處理

圖5 海雜波處理

雨雜波處理中， FTC作用是削弱雨雜波，選用的CA-CF AR作用是從均勻分布的雨雜波中提取出目標(biāo)，通過(guò)對(duì)比圖4的（a）和（b），4艘船只被檢測(cè)出來(lái)，雨雜波被有效抑制，在圖（b）的虛線內(nèi)，少許剩余雜波在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行處理。

海雜波抑制實(shí)驗(yàn)如圖5所示，海雜波主要分布在雷達(dá)近區(qū)，如圖5（a）所示，此時(shí)海雜波分布在3公里范圍內(nèi)，其中有一個(gè)固定浮標(biāo)目標(biāo)回波。

海雜波處理中，STC作用是削弱海雜波，選用的GO-CFAR作用是從隨機(jī)動(dòng)態(tài)變化的海雜波中提取出目標(biāo)，通過(guò)對(duì)比圖5的（a）和（b），浮標(biāo)目標(biāo)被檢測(cè)出來(lái)，海雜波被有效抑制，在圖（b）的靠近雷達(dá)區(qū)域，少許剩余雜波在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中進(jìn)行處理。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)水域雷達(dá)的雜波干擾，本文設(shè)計(jì)軟件化的雜波處理方法，STC處理有效抑制雷達(dá)近區(qū)的海雜波，F(xiàn)TC有效抑制雨雪雜波，不同類型CFAR的組合可以檢測(cè)出不同雜波環(huán)境下的目標(biāo)。程序上模塊化、網(wǎng)絡(luò)接口和多線程并行處理的軟件化設(shè)計(jì)，滿足處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)量大、處理延時(shí)小的需求。實(shí)驗(yàn)表明，所提出的方法能有效抑制水域雷達(dá)雜波，從不同類型雜波背景中檢測(cè)出目標(biāo)。