穩(wěn)健的機(jī)載預(yù)警雷達(dá)多通道海雜波抑制方法研究

程肇睿

摘要：機(jī)載預(yù)警雷達(dá)探測(cè)海上運(yùn)動(dòng)目標(biāo)時(shí)，由于雷達(dá)平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，造成海雜波多普勒譜嚴(yán)重展寬，影響了目標(biāo)的探測(cè)性能。根據(jù)航空預(yù)警雷達(dá)實(shí)測(cè)海雜波資料的統(tǒng)計(jì)特征，對(duì)其抑制方法進(jìn)行了系統(tǒng)分析。本文通過對(duì)不同海雜波環(huán)境下各種方法的選擇與使用情況的系統(tǒng)分析，為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)在海雜波背景下的信號(hào)處理提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：航空預(yù)警雷達(dá);海雜波抑制;波束探測(cè);

一、引言

航空預(yù)警機(jī)平臺(tái)較高，能在大范圍內(nèi)進(jìn)行探測(cè)，其具備較強(qiáng)的預(yù)警偵察能力，有較高的研究?jī)r(jià)值。航空預(yù)警機(jī)采用低視點(diǎn)方式工作，因此，接收的目標(biāo)回波往往淹沒在較強(qiáng)雜波中，魯棒性雜波抑制是預(yù)警機(jī)目標(biāo)探測(cè)的關(guān)鍵。航空預(yù)警機(jī)平臺(tái)的高速運(yùn)行狀態(tài)，使雜波多普勒譜嚴(yán)重?cái)U(kuò)展，常規(guī)脈沖相消技術(shù)很難對(duì)其進(jìn)行消雜，本文在此背景下展開研究。

二、海雜波性分析

海洋雜波的統(tǒng)計(jì)模型來自海雜波的電磁散射機(jī)制，由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，至今還沒有一個(gè)很好地解析形式。但是，在雷達(dá)設(shè)計(jì)中，海雜波的性質(zhì)是非常重要的，這就要求使用與分析測(cè)量數(shù)據(jù)，包括海雜波分類，反向散射系數(shù)模型，幅值分布模型，時(shí)域相關(guān)，頻譜特性等。

（一）散射機(jī)理

從海雜波的物理機(jī)制來看，在低掠角條件下，通常將海雜波歸結(jié)為Bragg散射、Whitecap散射和Burst散射三種不同特性的成分。Bragg是一種以海浪為后散射波源為主的大、近似對(duì)稱、中心頻率為近零時(shí)的多普勒譜?？赏高^脈間頻捷變?nèi)ハ嚓P(guān)。波紋散射是波浪在波浪破裂過程中，在波浪及涌浪的作用下，波浪在粗糙海面上產(chǎn)生后向散射，表現(xiàn)為噪聲，呈現(xiàn)出寬廣多普勒譜，多普勒中心偏移，持續(xù)時(shí)間通常為1s，又稱"長(zhǎng)時(shí)海尖峰"，并不能利用時(shí)脈間頻率變換來實(shí)現(xiàn)。

（二）統(tǒng)計(jì)幅度模式

常規(guī)的探測(cè)方法大都是基于背景環(huán)境的高斯分布假說。對(duì)海雜波來說，由于海況的改變，統(tǒng)計(jì)分布模式具有非高斯性質(zhì)，傳統(tǒng)檢測(cè)方法很難保證，所以有必要研究海雜波的幅值分布特征，并據(jù)此提出一種新的探測(cè)方法。對(duì)于海雜波幅值分布模式的分類包括K分布、Log-normal、Weibull、Rayleigh等幾個(gè)分布。對(duì)實(shí)際資料的分析表明，在S波段，雷達(dá)測(cè)速海域的波動(dòng)幅度分布最接近于Weibull分布模式。在不同距離單元中，根據(jù)海雜波動(dòng)強(qiáng)度差異，統(tǒng)計(jì)分布模式都滿足了Weibull分布，且其形態(tài)參數(shù)隨著所測(cè)量距離的改變而變化。遠(yuǎn)區(qū)回波中同海峽群島雜波的所占比重相對(duì)較小，但存在著大量噪聲，Weibull分布更接近于雷利igh分布，回波中的高斯特征顯著。近區(qū)海雜波變化較大的長(zhǎng)距離區(qū)域，Weibull傾向于K分布，回波具有強(qiáng)非高斯特征。

（三）相關(guān)的時(shí)空特征

海雜波也具有時(shí)間關(guān)聯(lián)性。時(shí)序關(guān)系一般是指雜波之間在同一個(gè)雷達(dá)識(shí)別單元上所顯示出的時(shí)域關(guān)聯(lián)，其空間關(guān)聯(lián)性即雜波之間在不同距離和位置識(shí)別單元上的相互關(guān)聯(lián)。雜波所在區(qū)域的位置關(guān)系，是隨著雜波時(shí)域映射的起伏變化而產(chǎn)生的。通過距離與方向上的自相關(guān)運(yùn)算，就可以得到在天線方位角上的空間相對(duì)特性和空間特征。通過對(duì)實(shí)際資料的分析，可以看出各距離單元海雜波時(shí)序特征基本一致，并且海雜波的時(shí)間相關(guān)函數(shù)有一個(gè)迅速的下降周期，隨后隨時(shí)間而變。航空S波段雷達(dá)的去相關(guān)時(shí)間約為13.7毫秒。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，雜波空間的相關(guān)函數(shù)伴隨距離單位的改變，其平均去相關(guān)量可達(dá)數(shù)十個(gè)距離單元，即具有高度均勻分布性的里海雜波（距離維數(shù)）。

二、波束內(nèi)海雜波抑制

目前的信息測(cè)量方式，一般有時(shí)域法和頻域法二類。時(shí)域法因?yàn)槠潆s波性較強(qiáng)，所以更有利于在噪聲環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量，而當(dāng)雜波內(nèi)產(chǎn)生信息時(shí)，時(shí)間域法效果不佳。頻率域法具有雜波內(nèi)可見特性，是雜波信息獲取的一個(gè)主要手段。雜波控制決策應(yīng)該從二個(gè)主要方面著手，一是在波束中的過濾方法，二是波束內(nèi)部檢測(cè)。一般使用的過濾方式有非相參數(shù)和相位參數(shù)，把所累積信息傳給內(nèi)部檢測(cè)器。探測(cè)方式的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到雜波的統(tǒng)計(jì)特征。

（一）頻率捷變技術(shù)

因?yàn)楹ｋs波的時(shí)域相干性，在波束寬內(nèi)對(duì)目標(biāo)和雜波進(jìn)行處理，將產(chǎn)生信雜比弱化。頻捷變技術(shù)基本原理，是通過使用與雜波去相關(guān)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的變頻方式進(jìn)行海洋雜波的去相關(guān)，以降低海洋雜波的能量累積。對(duì)于頻捷變頻器技術(shù)的脈間捷變頻器和脈組捷變頻器，它們的信號(hào)形式是非相參量和全相參量。由于其原理簡(jiǎn)單，且易于工程實(shí)現(xiàn)，在目前的雷達(dá)系統(tǒng)中，多采用非相參技術(shù)來實(shí)現(xiàn)頻率捷變。由于脈間頻變，回波相位的相參性受到影響，因此，對(duì)動(dòng)靶檢測(cè)（通常采用FFT實(shí)現(xiàn)）不能實(shí)現(xiàn)相參累積。在相參制雷達(dá)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了脈沖組間頻率捷變，利用該技術(shù)先解決了相位補(bǔ)償或采用新的信號(hào)處理方法。

（二）相參過程檢測(cè)

相參處理方法是一種頻域法，它主要是運(yùn)用雜波和目標(biāo)在多普勒域的差異去除雜波，并獲得高可視度，MTI和MTD都是最常見的實(shí)現(xiàn)方式。MTI實(shí)際上是一種高通濾波器，對(duì)其所在的信道進(jìn)行過濾，進(jìn)而使用全時(shí)域法輸出動(dòng)態(tài)目標(biāo)的檢測(cè)。MTD也是一種全頻域法，它使用多濾光器對(duì)目標(biāo)在全頻譜區(qū)域內(nèi)的特征進(jìn)行測(cè)量。用航空雷達(dá)探測(cè)海面目標(biāo)時(shí)，發(fā)射波形通常是低重頻率的，而飛機(jī)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起多普勒頻移，使雜波譜擴(kuò)展，從而使目標(biāo)發(fā)生在雜波譜主瓣面上。

（三）自適應(yīng)匹配濾波方法

適應(yīng)性匹配濾波（AMF）和自適應(yīng)歸一化匹配濾波器（ANMF）方法都是根據(jù)了海上雜波中的SIRP模式，在廣義似然比檢測(cè)法的基礎(chǔ)上，提供了一個(gè)相參處理的目標(biāo)測(cè)量方式。該方案采用自適應(yīng)濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)雜波白化。其等效機(jī)理為與抑制多普勒域的強(qiáng)雜波分量和增加更大徑向速度目標(biāo)的回波信號(hào)等效。兩個(gè)最主要的自適應(yīng)匹配信號(hào)濾波探測(cè)器（AMF）和自適應(yīng)歸一化處理匹配濾光器（ANMF）。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)預(yù)警機(jī)海雜波特征的分析，論述了機(jī)載雷達(dá)對(duì)海雜波的抑制方法。給出海雜波在這一系統(tǒng)下的統(tǒng)計(jì)特征和物理散射組成，闡明了海雜波特征與雷達(dá)設(shè)計(jì)的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，分析整理了信號(hào)處理的方法，以供參考。

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