雷達(dá)海雜波頻域特性分析及目標(biāo)檢測方法

湯明健 范家強(qiáng)

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

我國是一個海洋大國, 擁有1.8 萬公里的大陸海岸線和1.4 萬公里的島嶼海岸線, 共計300 多萬平方公里的海洋國土。雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展為海洋環(huán)境的大范圍、全天候監(jiān)測和海上目標(biāo)的實時、可靠搜索提供了便利。當(dāng)雷達(dá)照射目標(biāo)時,不僅有來自目標(biāo)的回波,還包含著來自海表面的散射回波,即海雜波。海雜波對海面或低空探測雷達(dá)的工作性能具有較為嚴(yán)重的影響。為了有效地提升海雜波背景下低空弱目標(biāo)的性能,本文分析了海雜波的特性,提出了海雜波抑制的方法,為雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計和雷達(dá)信號的優(yōu)化提供依據(jù),提高目標(biāo)的檢測性能。

1 雜波特性分析

海雜波處理的難點(diǎn)在于其信號變化快, 具有很大的隨機(jī)性,處理起來難度較大。首先,海雜波與海域相關(guān),有些海域雜波小,而另一海域雜波明顯強(qiáng);其次,海雜波與氣象相關(guān)。同一個地方,不同的季節(jié),甚至是同一天的不同時間,海雜波也不相同。人們對海雜波進(jìn)行了大量的研究與測量,得出如下結(jié)論,對海雜波影響最大的因素是風(fēng)。對于海雜波影響的另一個因素是頻率,頻率較低的雷達(dá),如米波雷達(dá),由于其波長長,海表面近似為平面,后向雜波效應(yīng)不明顯,雜波強(qiáng)度弱;對于頻率較高的微波雷達(dá),由于波長短,海雜波的影響是不能忽視的[1]。

根據(jù)文獻(xiàn),海雜波與頻率、風(fēng)力、風(fēng)速、分辨單元、極化方式、入射余角、溫度等均有關(guān)系。在以上諸因素中,頻率的影響最大,如米波雷達(dá)的雜波強(qiáng)度很小,微波雷達(dá)的雜波影響很大。除去頻率以外,最主要的影響因素是風(fēng)。我們可以從雜波的成因上考慮問題。雜波的主要影響因素是風(fēng)。風(fēng)的特性主要有風(fēng)速、風(fēng)向等。風(fēng)速、風(fēng)向等的主要影響是雜波的頻譜。因此,對海雜波的處理可以考慮采用頻域處理的方式。

2 風(fēng)對海雜波頻域特性的影響

海雜波受風(fēng)力的影響而改變,在風(fēng)力的作用下,海面上各個散射體之間發(fā)生相對運(yùn)動,使接收到的海雜波功率譜存在多普勒頻移。

2.1 海雜波中心速度估算

海雜波固有中心速度:

式中:Vw為風(fēng)速; αw為風(fēng)速與波束指向夾角。式(1)說明在風(fēng)速方向海雜波存在一個平均速度。

海雜波中心合成速度(包括海雜波固有速度和平臺運(yùn)動速度)。

式中: αp為平臺與波束方向夾角;Vp為平臺運(yùn)動速度,取15m/s 時,當(dāng)風(fēng)速與平臺運(yùn)行速度一致時,雜波速度最大。

式(2)、(3)說明:由于風(fēng)力及平臺運(yùn)動效應(yīng),海雜波的中心速度發(fā)生了一定的變化(對于地面雷達(dá),可不考慮平臺影響),如圖1 所示。

圖1 中心風(fēng)速隨天線掃描變化圖

對應(yīng)的海雜波中心頻率為-300～300Hz(S 波段)。

2.2 海雜波速度譜寬估算

海雜波固有寬度為(由于海浪運(yùn)動造成):

天線掃描展寬為:

式中: θa為半波束寬度;Ws為掃描速度;λ 為波長。

跨波束展寬(由于平臺運(yùn)動和海浪運(yùn)動帶來):

雜波總展寬為:

假定天線轉(zhuǎn)速為10r/min,得到如圖2 所示雜波速度寬度。

圖2 雜波寬度隨天線掃描變化圖

對應(yīng)的雜波頻譜寬度為:

除去以上影響雜波中心頻率因素以外, 還有如下影響雷達(dá)頻譜的因素[3]:海況級數(shù)較低時,譜是高斯型的,平靜海面的譜形狀則接近雙指數(shù)下降型;風(fēng)速增大,白浪增多時,譜寬增加且不對稱,頂風(fēng)和順風(fēng)比側(cè)風(fēng)的譜寬。

由于雷達(dá)雜波的譜中心和譜寬是變化的, 這種影響也不容忽視。因此,為了更好地進(jìn)行海雜波下目標(biāo)檢測,應(yīng)采取自適應(yīng)方法。在處理時,可以自適應(yīng)地計算出雜波譜中心和雜波譜寬,并對雜波中心進(jìn)行頻譜搬移,將頻譜搬至零通道處,通過自適應(yīng)頻域濾波器將雜波消除。

3 海雜波模型及雜波處理對策

現(xiàn)代雷達(dá)中最為常用的是一維陣列雷達(dá), 其回波信號形式如圖3 所示。

圖3 目標(biāo)回波示意圖

圖中假定目標(biāo)的仰角為 θi,則某一時刻回波模型為(對于各個孤立的分辨單元而言,雜波回波亦可適用):ωd為雷達(dá)載波頻率;Ti為脈沖重復(fù)間隔。

式中:ω0為信號載波頻率;d為陣元間距; θi為目標(biāo)仰角;

如果考慮到目標(biāo)回波將會在多個脈沖重復(fù)間隔中出現(xiàn),并考慮雷達(dá)回波的多個快拍,則雷達(dá)信號包含空間、時間、頻率3 個域的綜合信息。因此1 個CPI 的目標(biāo)回波信號(含M個脈沖,第i 個脈沖含L 個距離單元)可寫成如下形式[4]:

其中空域信號可以表示為:

通過空域信號調(diào)整,使波束向上抬升,可以減少海雜波強(qiáng)度,但這種方法是以犧牲小目標(biāo)的檢測為代價的。為了更好地進(jìn)行目標(biāo)檢測,應(yīng)從頻域處理出發(fā)。頻域信號(慢時間信號)具有更為精細(xì)的多譜勒處理能力。頻域信號如下所示:

式中:ts為采樣間隔。

該式中往往包含復(fù)雜的信號形式,如脈沖壓縮、脈沖編碼等。對于海雜波而言,回波是一個面目標(biāo),因此,人們一般試圖將分辨單元減少,實現(xiàn)減少海雜波影響。

雜波及干擾在3 個域內(nèi)與目標(biāo)完全相關(guān)的機(jī)率極小,因此,可以綜合以上3 個域的處理,將目標(biāo)檢測出來。利用陣列信息的處理方式稱為空域處理;利用Ti的處理方式為頻域處理(也稱慢時間處理,機(jī)載雷達(dá)往往利用空時兩維處理);利用t信息進(jìn)行的處理為時域處理(含脈壓、恒虛警率CFAR 等)。最有效的是頻域處理,在頻域上,采用自適應(yīng)動目標(biāo)檢測(MTD)或自適應(yīng)脈沖多普勒(PD)的辦法將雜波加以消除,將目標(biāo)快速檢測出來。對于慢速或靜止目標(biāo)可以利用時域信息進(jìn)行長時間積累,達(dá)到目標(biāo)檢測的能力。

4 頻域去雜波算法

雖然雜波的變化看似無規(guī)律, 但其頻譜寬度及頻率中心的變化還是需要時間的。可以認(rèn)為,在極短的時間內(nèi)其頻率特征不變或緩變。這里說的頻率特征是雜波的頻譜形式、雜波的中心頻率和譜寬等。自適應(yīng)雜波濾除即基于這個前提。

以地面雷達(dá)為例,頻域雜波濾除流程為:

a.在常規(guī)雷達(dá)濾波器上并聯(lián)上一個自適應(yīng)處理通道,對雜波特征進(jìn)行估計;

b.通過對雷達(dá)雜波進(jìn)行頻譜估計,計算出雜波的頻率中心和譜寬等參數(shù);

c. 根據(jù)得到的頻率中心和譜寬自動調(diào)整濾波器參數(shù),使其頻譜響應(yīng)零點(diǎn)對準(zhǔn)雜波中心,并將零深寬度調(diào)整到與雜波譜寬一致的水平,對雷達(dá)回波進(jìn)行濾波。

自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 頻域去雜波性能分析方法

根據(jù)上述方法進(jìn)行仿真分析,雜波頻譜中心假定為0m/s(頻率中心并不一定是零速,這里設(shè)為0,便于簡化處理),雜波譜寬假定是1.5m/s,雷達(dá)工作波長0.1m,濾波器采用MTD 濾波方式,雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率為1000Hz,對于頻道為-125Hz 的濾波器,響應(yīng)如圖5(對于±45Hz、0Hz 以外的濾波器響應(yīng)類似,±45Hz、0Hz 以內(nèi)的濾波器不置零點(diǎn))。

圖5 頻域處理方法仿真結(jié)果

上述處理方法中的副瓣并不高,但零深很深,可以將雜波消除干凈,因此具有很強(qiáng)的工程實用性。

雜波處理對于岸對海及艦載雷達(dá)而言, 具備至關(guān)重要的作用。雜波雖在時域上表現(xiàn)為隨機(jī)性,但在頻域上的特征是可把握的,因此,可以通過濾波的方式將雜波濾除。對處于0通道(或雜波中心)處的目標(biāo),頻域處理方法的檢測性能將會下降。

自適應(yīng)雜波濾除的方法應(yīng)結(jié)合雷達(dá)的參數(shù)設(shè)計, 減少雜波的影響:a.盡量提高雷達(dá)工作頻率,提高工作頻率不僅可以降低雜波帶寬,而且可以減少雜波反射率,進(jìn)一步減少雜波影響;b.盡可能提高雷達(dá)的重復(fù)頻率,重頻越高雜波所占帶寬越小,雜波干凈區(qū)域大,但高重頻會帶來距離模糊,需要采取解模糊措施,因此,重頻的設(shè)計應(yīng)根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。以上兩方面的優(yōu)化設(shè)計可保證自適應(yīng)雜波濾除算法優(yōu)勢得到最為充分的發(fā)揮。

5 結(jié)論

自適應(yīng)頻域雜波濾除, 對于速度較快的目標(biāo)的檢測性能較好。對于慢速及靜止目標(biāo)而言,其頻譜與雜波相似,很難在頻域上分開?？梢岳寐倥c靜止目標(biāo)的相關(guān)時間長的特點(diǎn),考慮采用長時間積累的辦法將目標(biāo)的信雜比提高,以達(dá)到檢測目標(biāo)的目的。