一種提高M(jìn)TI/MTD雷達(dá)檢測(cè)概率的方法

任臘梅 劉逸群 成沙輝

(陜西黃河集團(tuán)有限公司 西安 710043)

0 引言

雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)，通常是運(yùn)動(dòng)著的物體，但在目標(biāo)的周?chē)?jīng)常存在著建筑物、樹(shù)木、云雨等各種背景。相較于要探測(cè)的目標(biāo)，這些背景通常反射面積很大，回波很強(qiáng)，目標(biāo)往往被湮沒(méi)，檢測(cè)很困難，在這些強(qiáng)雜波背景中完成目標(biāo)的檢測(cè)是雷達(dá)系統(tǒng)必需要面對(duì)的問(wèn)題。由于這些背景往往是靜止或者慢速的，因此利用它們?cè)谒俣壬系牟顒e，可以完成雜波的抑制。由于不同運(yùn)動(dòng)速度引起回波信號(hào)的多普勒頻移不相等，對(duì)信號(hào)多普勒頻率的區(qū)別便是對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的區(qū)別，動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)通過(guò)頻率濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)雜波的抑制，是現(xiàn)代雷達(dá)中普遍使用的技術(shù)[1]。

u′=U0ej[ωd(t-Tr)-φ0]

(1)

兩者相減后得相消器的輸出為：

Δu=u′-u

=U0ej[ωdt-φ0]·(1-e-jωdTr)

(2)

則濾波器的頻率響應(yīng)特性為：

(3)

如圖2所示。

雙延遲MTI對(duì)消器為兩個(gè)單延遲對(duì)消器的級(jí)聯(lián)，濾波器幅頻響應(yīng)為單延遲對(duì)消器的平方。

MTD處理是一種利用多普勒濾波器來(lái)抑制各種雜波，以提高雷達(dá)在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)能力的技術(shù)。對(duì)消器級(jí)聯(lián)FFT的雜波濾波器是MTD的一種基本結(jié)構(gòu)。

FFT處理構(gòu)成一組在頻率軸上相鄰且部分重疊的窄帶濾波器組，可完成對(duì)多普勒頻率不同的目標(biāo)信號(hào)的近似匹配濾波。在處理中為了降低濾波器副瓣，在FFT處理前進(jìn)行加窗處理[3]，加漢明窗、8個(gè)通道MTD處理的頻率響應(yīng)如圖3所示。

圖中，8點(diǎn)FFT形成的8個(gè)濾波器均勻分布在(0～fr)的頻率區(qū)間內(nèi)，動(dòng)目標(biāo)信號(hào)由于其多普勒頻率的不同可能出現(xiàn)在頻率軸上的不同位置，因而可能從0～(N-1)的多普勒濾波器輸出。只要目標(biāo)信號(hào)與地雜波從不同的多普勒濾波器輸出，目標(biāo)信號(hào)所在濾波器輸出的信雜比將得到明顯提高。

1 MTI級(jí)聯(lián)MTD濾波器的幅頻響應(yīng)特性

在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用MTI級(jí)聯(lián)MTD的方式，MTI級(jí)聯(lián)MTD的濾波器幅頻響應(yīng)如圖4所示。

由圖4可見(jiàn)，級(jí)聯(lián)后的濾波器在中間通道幅度比較大，而在邊緣通道幅度較小，即MTI級(jí)聯(lián)MTD后濾波器不同通道的增益不同。由于濾波器增益的不同，系統(tǒng)噪聲通過(guò)濾波后在不同通道中幅值不同，即濾波后背景噪聲變得不平穩(wěn)[4]。在雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)中通常采用快門(mén)限結(jié)合慢門(mén)限的恒虛警檢測(cè)方法[5]，快門(mén)限來(lái)自于目標(biāo)周?chē)木嚯x單元，而慢門(mén)限通常取整個(gè)波位各個(gè)通道噪聲的平均值。當(dāng)背景噪聲不平穩(wěn)時(shí)，算得的慢門(mén)限值不能真實(shí)反映當(dāng)前波位噪聲幅值，不利于恒虛警檢測(cè)[6]，尤其對(duì)于有多普勒速度模糊的雷達(dá)，目標(biāo)多普勒頻率處于濾波器過(guò)渡帶(比如圖4中的通道1、2、7、8)的概率較大，此時(shí)由于過(guò)渡帶內(nèi)信號(hào)有衰減，若采用整個(gè)波位的噪聲幅值均值作為門(mén)限電平值，則目標(biāo)信號(hào)可能會(huì)漏檢，這在雷達(dá)檢測(cè)中是不希望出現(xiàn)的。為了消除背景噪聲的不平穩(wěn)性，文獻(xiàn)[4]提出了基于MTI濾波器幅頻響應(yīng)的背景噪聲校正方法，根據(jù)某雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，這種方法的校正結(jié)果呈現(xiàn)出與MTI濾波器系數(shù)倒數(shù)正相關(guān)的趨勢(shì)，校正后通道間噪聲差異仍比較大。這是因?yàn)樵肼暦植季哂幸欢ㄗV寬，導(dǎo)致MTI對(duì)消有剩余，在邊緣通道處噪聲幅值的校正結(jié)果比理論值偏大。本文提出了以對(duì)消后剩余噪聲為基準(zhǔn)的通道增益校正方法，使校正后各通道噪聲幅值一致，且可減小由于濾波器特性對(duì)過(guò)渡帶的衰減影響，既可改善慢門(mén)限檢測(cè)的虛警概率，又提高了多普勒頻率處于過(guò)渡帶目標(biāo)的檢測(cè)概率。

2 通道增益校正原理

由于慢門(mén)限恒虛警檢測(cè)要求各個(gè)通道中的噪聲近似一致，則若將各通道信號(hào)(含噪聲)乘以不同的補(bǔ)償系數(shù)，使補(bǔ)償后所有通道的噪聲幅值相等，則可減小由MTI處理帶來(lái)的背景噪聲不平穩(wěn)對(duì)慢門(mén)限檢測(cè)造成的影響。

設(shè)雷達(dá)有N個(gè)MTD處理通道，每個(gè)通道有M個(gè)距離單元，則令MTD處理后的數(shù)字信號(hào)為：

其中，xnm表示MTD處理后信號(hào)的第n個(gè)通道

的第m個(gè)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)通道中的前L個(gè)點(diǎn)計(jì)算均值得：

其中[N/2]表示向下取整，y[N/2]+1表示中間通道的噪聲電平值，yn表示第n個(gè)通道的噪聲電平值。利用算得的N個(gè)歸一化系數(shù)對(duì)各通道中的所有點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)醚a(bǔ)償后信號(hào)為：

一方面校正后所有通道的噪聲幅值均值近似相等，且該處理不改變通道內(nèi)原始的信號(hào)噪聲比值關(guān)系，對(duì)快門(mén)限恒虛警檢測(cè)無(wú)不良影響，可保證不同通道使用相同的檢測(cè)慢門(mén)限時(shí)能獲得同等的虛警概率。

另一方面該處理可獲得穩(wěn)定的檢測(cè)概率。假設(shè)第1通道信號(hào)幅度為A(dB)，噪聲幅度為B(dB)，根據(jù)MTI濾波器的幅頻特性曲線(xiàn)可知，對(duì)地雜波的改善因子為IA(dB)，以中間通道噪聲幅度歸一化，則第1通道的噪聲幅度的衰減為IB(dB)，則MTI后補(bǔ)償前雜噪比為A-IA-(B-IB)。該通道的補(bǔ)償系數(shù)為kdB=IB(dB),補(bǔ)償后實(shí)際輸出地雜波幅度為A-IA+IB，噪聲幅度為B，即雜噪比仍然為A-IA+IB-B。對(duì)地雜波而言改善因子損失為IB(dB)，當(dāng)IA-IB滿(mǎn)足雷達(dá)地雜波對(duì)消比要求時(shí)，該方法對(duì)地雜波對(duì)消比的損失可忽略不計(jì)；而對(duì)多普勒頻率在過(guò)渡帶(如第2、7多普勒通道)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)卻可補(bǔ)償濾波器過(guò)渡帶帶來(lái)的信號(hào)損失，保證該通道檢測(cè)概率。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

某雷達(dá)采用500μs的探測(cè)周期，一個(gè)波位內(nèi)共探測(cè)10次，線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)脈寬40μs，帶寬5MHz，采樣率為20MHz，采樣波門(mén)寬度為50μs，每個(gè)探測(cè)周期采樣點(diǎn)數(shù)為1000。

取某次檢飛試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中某一波位的信號(hào)進(jìn)行分析，圖5為脈壓結(jié)果，此時(shí)所有脈沖的噪聲幅值一致。做3脈沖兩次對(duì)消，圖6為MTI處理結(jié)果，波位內(nèi)不同脈沖的噪聲電平仍保持一致。MTI后的8個(gè)脈沖做8點(diǎn)FFT，圖7為MTD處理結(jié)果，可見(jiàn)此時(shí)不同通道的噪聲幅值差異較大。圖中實(shí)線(xiàn)為8個(gè)通道的噪聲幅值，虛線(xiàn)為所有通道噪聲的均值，從圖中可見(jiàn)兩邊通道的噪聲小于噪聲均值，中間通道的噪聲幅值大于均值；若以整個(gè)波位的噪聲均值作為該波位慢門(mén)限檢測(cè)基準(zhǔn)，則當(dāng)目標(biāo)處于兩邊通道時(shí)檢測(cè)概率會(huì)降低，而當(dāng)目標(biāo)處于中間通道時(shí)虛警概率又會(huì)增加；這都不利于系統(tǒng)的恒虛警率保證。

取中間的第5通道噪聲電平為基準(zhǔn)，計(jì)算1～8通道噪聲對(duì)第5通道噪聲的歸一化系數(shù)，用此8個(gè)系數(shù)對(duì)8個(gè)通道的信號(hào)分別進(jìn)行補(bǔ)償。圖8為對(duì)MTD后數(shù)據(jù)進(jìn)行通道增益校正處理的結(jié)果，其中實(shí)線(xiàn)為信號(hào)幅值，虛線(xiàn)為噪聲均值，圖中所有通道的噪聲電平都與噪聲均值保持一致。

該雷達(dá)采用MTI級(jí)聯(lián)MTD的處理方式，通過(guò)通道增益校正保證慢門(mén)限檢測(cè)的恒虛警，同時(shí)提高了處于過(guò)渡帶通道目標(biāo)的檢測(cè)概率，經(jīng)檢飛驗(yàn)證該措施不影響雷達(dá)地雜波對(duì)消效果，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)慢門(mén)限檢測(cè)虛警率穩(wěn)定，檢測(cè)概率保持恒定，是一種可行且有效的補(bǔ)償措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用MTI級(jí)聯(lián)MTD處理后，各通道的背景噪聲不平穩(wěn)，破壞了慢門(mén)限檢測(cè)的恒虛警率。以中間通道噪聲幅值為基準(zhǔn)，計(jì)算各通道校正系數(shù)，用該系數(shù)對(duì)各通道信號(hào)(含噪聲)進(jìn)行補(bǔ)償處理，可使所有通道噪聲背景一致，保證了慢門(mén)限檢測(cè)時(shí)的恒虛警率，且可提高過(guò)渡帶通道運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)性能。