基于頻率分集的MTI雷達目標(biāo)檢測方法

徐保慶 剡熠琛 拜兵虎 李雅梅

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

現(xiàn)代雷達工作環(huán)境十分復(fù)雜,所要探測的目標(biāo)往往處于各種復(fù)雜的背景之中,雜波會大幅影響雷達對目標(biāo)的檢測。目前常見的信號處理級雜波抑制方法都是通過多普勒濾波的方式將目標(biāo)和雜波在頻域進行區(qū)分,從而抑制雜波,分離出目標(biāo)。工程中常用的多普勒濾波算法主要有MTI和動目標(biāo)檢測(Moving Target Detection,MTD)。

雖然MTI處理的雜波抑制性能不如MTD,但是MTI處理所需要的脈沖數(shù)較少,所以當(dāng)前的很多雷達系統(tǒng)(尤其是三坐標(biāo)雷達,時間資源比較緊張)仍采用MTI處理。最早的MTI實現(xiàn)方式是脈沖對消器,雖然實現(xiàn)簡單,但是只能抑制地雜波,而且雜波抑制效果較差。后來工程上開始采用特征矢量法[1-2]來設(shè)計MTI濾波器,其主要原理是將雜波協(xié)方差矩陣進行特征分解,將分解后的特征值排序,大特征值對應(yīng)的特征向量張成的子空間構(gòu)成信號子空間,小特征值對應(yīng)的特征向量作為噪聲子空間[3-4],由于噪聲子空間和信號子空間正交,選取噪聲子空間張成的特征向量作為濾波器系數(shù)可以有效抑制雜波。

特征矢量法以雜波改善因子最大為準(zhǔn)則[1-2],因此該方法有最優(yōu)的雜波抑制性能。此外,特征矢量法設(shè)計靈活,可以根據(jù)雜波的譜寬、中心頻率等設(shè)計多個凹口,既可以抑制地雜波,也可以抑制氣象、箔條等運動雜波[5-6]。

由于濾波器的頻率響應(yīng)是周期性的,等重頻MTI會出現(xiàn)“盲速”[6],基于參差重頻的特征矢量MTI方法在最優(yōu)雜波抑制性能的基礎(chǔ)上還可以克服“盲速”現(xiàn)象,因此倍受青睞。但是該方法依然存在缺陷,那就是濾波器的速度響應(yīng)曲線不夠平坦,對于某些速度的目標(biāo)而言,其響應(yīng)存在凹口,會導(dǎo)致該目標(biāo)的檢測概率變低。

針對上述問題,本文中將提出一種基于頻率分集的MTI雷達目標(biāo)檢測方法,該方法在雷達時間資源一定的前提下,通過頻率捷變將一個脈沖拆分為多個載頻不同的子脈沖,然后對多個載頻不同的子脈沖串分別進行MTI濾波,在多種載頻下MTI濾波器的不平坦區(qū)域?qū)?yīng)的速度可以錯開,進一步對各載頻的MTI濾波結(jié)果進行非相參積累,完成目標(biāo)檢測。本文提出的方法可以提高MTI雷達對動目標(biāo)的檢測能力,同時也可以提高MTI雷達的抗干擾能力。

1 特征矢量法實現(xiàn)MTI

雜波改善因子是評價濾波器雜波抑制性能的重要指標(biāo),特征矢量法就是以使雜波改善因子最大為準(zhǔn)則的MTI濾波器設(shè)計方法,文獻[1]中給出了特征矢量法設(shè)計MTI濾波器的原理,此處不再贅述。

為了克服“盲速”對目標(biāo)檢測帶來的影響,在實際工程中常采用參差重頻的方法?；趨⒉钪仡l的特征矢量MTI檢測方法具體步驟如下:

1)雷達發(fā)射并接收參差重頻的脈沖串,雷達參差脈沖重復(fù)周期為T1、T2、T3時的發(fā)射波形示意圖如圖1所示;

2)用特征矢量法獲取MTI濾波器最佳權(quán)系數(shù),首先獲取雷達所處環(huán)境的雜波協(xié)方差矩陣,通常默認(rèn)地雜波功率譜服從高斯分析,根據(jù)維納準(zhǔn)則及瑞利熵引理易得雷達雜波協(xié)方差矩陣R,對R進行特征分解,最小特征值對應(yīng)的特征向量即為最佳MTI濾波系數(shù);

3)用MTI最佳權(quán)系數(shù)對回波信號進行濾波;

4)然后將濾波結(jié)果與預(yù)先設(shè)置的門限值進行比較,完成MTI雷達對動目標(biāo)的檢測。

圖1 參差重頻MTI雷達發(fā)射波形示意圖

圖2 參差重頻特征矢量MTI

為了克服現(xiàn)有方法的不足,本文將提出一種基于頻率分集的MTI雷達檢測方法,具體步驟將在第2章節(jié)給出。

2 基于頻率分集的MTI雷達目標(biāo)檢測方法

該方法的主要思想是:在雷達時間資源一定的前提下,通過頻率捷變將一個脈沖拆分為多個載頻不同的子脈沖,然后對多個載頻不同的回波子脈沖串分別進行MTI濾波,最后對多個濾波結(jié)果進行融合、檢測。該方法可以提高MTI雷達對動目標(biāo)的檢測能力,具體步驟如下:

1)雷達發(fā)射機參差重頻依次發(fā)射脈沖信號,采用頻率分集技術(shù)將一個脈沖信號分為M個間隔較大的工作頻率同時發(fā)射。其中,Tn(n=1,2,…,N-1)表示發(fā)射脈沖的時間間隔,N為發(fā)射脈沖個數(shù),M個子脈沖的時寬相等,載頻不同,將第m個子脈沖的載頻記為fm。

雷達參差脈沖重復(fù)周期為T1、T2、T3時,且一個脈沖寬度內(nèi)包含兩個頻率捷變子脈沖的發(fā)射波形示意圖如圖3所示。

圖3 本文方法發(fā)射波形示意圖

2)雷達接收機接收目標(biāo)反射的回波脈沖串,按照載頻將回波脈沖串分為M個回波數(shù)據(jù)矩陣,Xm表示第m種載頻下的回波數(shù)據(jù)矩陣。

3)利用特征矢量法獲得M個MTI濾波器的權(quán)系數(shù),分別記為Wm;其中,Wm為N×1維的向量,m=1,2,…,M;

(a)獲取每種載頻下的雜波自相關(guān)矩陣Rm:

(b)對矩陣Rm進行特征分解,找出其最小特征值λm對應(yīng)的特征矢量Wm,Wm即為第m個MTI濾波器的權(quán)系數(shù);

4)用Wm對Xm進行濾波處理,得到濾波結(jié)果,記為Ym:

5)對濾波結(jié)果進行包絡(luò)檢波,得到包絡(luò)檢波結(jié)果,并對包絡(luò)檢波結(jié)果進行非相參積累,得到融合結(jié)果;

6)對融合結(jié)果進行門限檢測,得到目標(biāo)所在位置。

現(xiàn)有方法中雷達發(fā)射的脈沖只含有一種載頻,由于MTI濾波器響應(yīng)的不平坦性,導(dǎo)致雷達不論處于何種工作頻率下,其濾波器的速度響應(yīng)都會有多個較深的凹口,只是工作頻率不同時,凹口位置對應(yīng)的速度不同而已,新方法通過頻率分集技術(shù)改變雷達的工作頻率,在多種載頻下MTI濾波器的凹口位置對應(yīng)的速度是可以錯開的,新方法等效的MTI濾波器速度響應(yīng)和現(xiàn)有方法的MTI速度響應(yīng)對比圖如圖4所示,由對比結(jié)果可見新方法的MTI速度響應(yīng)優(yōu)于現(xiàn)有方法。

3 計算機仿真

仿真條件:雷達發(fā)射的脈沖的個數(shù)N=4,每一個脈沖包含兩個子脈沖M=2,第一個子脈沖對應(yīng)的載頻為f1=1.25GHz,第二個子脈沖對應(yīng)的載頻f1=1.45GHz,雷達發(fā)射4個脈沖的時間間隔為T1=2ms,T2=2.4ms,T3=1.8ms,雜波速度散布均方根σv=0.22m/s,目標(biāo)速度變化范圍取-25m/s到300m/s,單個子脈沖的信噪比為20dB。

傳統(tǒng)方法的MTI濾波器速度響應(yīng)曲線與文中提出方法等效的MTI濾波器速度響應(yīng)曲線對比如圖4所示。利用本文提出方法和傳統(tǒng)方法分別對不同速度的目標(biāo)信號進行檢測,在下面仿真中進行10000次蒙特卡洛試驗,分別得到兩種方法的檢測概率隨速度變化的對比曲線,如圖5所示。

由圖4可以得到,傳統(tǒng)方法的濾波器的速度響應(yīng)有多個較深的凹口,本文提出方法等效MTI濾波器的速度響應(yīng)更平坦,進一步可以提高雷達對運動目標(biāo)的檢測性能。由圖5可以得到,現(xiàn)有方法在多個速度區(qū)域的檢測概率都很低,對于絕大多數(shù)運動目標(biāo)速度,本文提出方法的檢測概率都明顯高于傳統(tǒng)方法。

本文提出的方法能夠通過頻率分集技術(shù)改變雷達發(fā)射波形,再對各載頻的MTI濾波結(jié)果進行融合積累,等效地提高MTI濾波器的頻率響應(yīng),進而消除由于濾波器不平坦性給MTI雷達帶來的速度檢測盲區(qū),提高MTI雷達的檢測性能。

圖4 速度響應(yīng)曲線對比圖

圖5 檢測概率曲線對比圖

4 結(jié)束語

本文提出的方法采用了頻率分集技術(shù),在雷達時間資源一定的情況下將一個雷達脈沖拆分為多個載頻不同的子脈沖,對各載頻的脈沖回波分別進行MTI濾波,在多種載頻下MTI濾波器的不平坦區(qū)域?qū)?yīng)的速度是可以錯開的,在一種載頻下檢測不到的目標(biāo)可以在另一種在載頻下檢測到,因此可以避免由于MTI濾波器響應(yīng)的不平坦性而導(dǎo)致很多速度的目標(biāo)無法檢測的現(xiàn)象產(chǎn)生,進一步對各載頻的MTI濾波結(jié)果進行融合積累,可以提高MTI雷達對動目標(biāo)的檢測概率;此外,由于采用了頻率分集技術(shù),可以提高MTI雷達的抗干擾能力。