雷達雜波處理及其實現

張繪

摘 要： 雜波的處理能力將直接關系到雷達對目標的識別與跟蹤效果，因而一直成為國內外學者共同關注的問題。當前，基于雜波統(tǒng)計特征的參數化處理方法常無法對處于強雜波環(huán)境內的弱小目標進行有效探測，也無法對具有不同分布特征的雜波進行高效處理。而非參數化的處理沒有充分利用擾動的先驗信息，因此盡管自適應能力很強，但針對性不強。研究更加高效的雷達雜波預處理技術，并在此基礎上提出了一種新的方法。

關鍵詞： 雷達雜波處理 目標探測 雜波特征 CFAR檢測

中圖分類號： TN957.51文獻標識碼： A文章編號： 1679-3567（2024）03-0032-03

Radar Clutter Processing and Its Realization

ZHANG Hui

Nanjing Changjiang Electronics Information Industry Group Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu Province， 210038 China

Absrtact： The ability of clutter processing will be directly related to the target recognition and tracking effect of radars， so it has always been a common concern of scholars at home and abroad. At present， the parameterized processing method based on the statistical characteristics of clutter can not effectively detect small and weak targets in the strong clutter environment， nor can it efficiently process clutter with different distribution characteristics. The nonparameterized processing method does not make full use of the prior information of disturbance， so it has very strong adaptive ability but poor pertinence. Therefore， a more efficient method of radar clutter preprocessing is studied， and a new method is proposed.

Key Words： Radar clutter processing； Target detection； Clutter characteristics； CFAR detection

1 雷達雜波的概念與來源

1.1 雷達雜波的定義與特征

雷達雜波是指在雷達系統(tǒng)中接收到的非目標反射的信號，是來自各種其他源頭的雜亂信號。這些雜波可能來自大氣、地形、建筑物、海洋等各種環(huán)境因素，其特征包括頻率多樣性、強度不規(guī)律以及會對雷達系統(tǒng)性能造成干擾。有效處理雷達雜波是提高雷達系統(tǒng)性能和目標檢測準確性的關鍵挑戰(zhàn)之一。

1.2 雷達雜波的主要來源

雷達雜波的主要來源包括大氣、地面、海洋、降水等環(huán)境因素，雷達系統(tǒng)本身也產生內部雜波。大氣中的氣象現象如雨、雪、霧等會引起氣象雜波，地面和海洋的反射、散射也產生地物雜波，而雷達系統(tǒng)內部的元器件、電子器件等可能產生內部雜波。這些不同來源的雜波共同影響著雷達系統(tǒng)的性能，因此需要采取有效的處理方法來降低雜波對目標探測的影響。

2 雷達雜波處理方法

2.1 常見的雷達雜波處理技術

雷達雜波處理是一項關鍵的雷達信號處理任務，旨在有效降低雜波對目標檢測的影響，提高雷達系統(tǒng)的性能。常見的雷達雜波處理技術如下。

2.1.1 濾波技術

使用濾波器對雷達接收到的信號進行濾波處理，去除不需要的頻率成分，提高信號與雜波的信噪比。常見的濾波器包括低通濾波器、帶通濾波器等。

2.1.2 脈沖壓縮技術

脈沖壓縮是一種通過調制雷達脈沖信號的時域或頻域來提高分辨率的方法。通過脈沖壓縮，可以有效降低雜波的影響，提高雷達系統(tǒng)對小目標的探測性能。

2.1.3 MTI技術

動目標顯示（Moving Target Indication，MTI）技術通過利用目標運動產生的多普勒頻移來區(qū)分目標和雜波。這種技術主要用于抑制靜止目標或地物表面的回波，從而提高對運動目標的檢測性能。

2.1.4 脈沖消除技術

脈沖消除技術通過選擇性的去除雷達回波中的一些脈沖，減小雜波對雷達的影響。常見的脈沖消除技術包括動目標檢測（Moving Target Detector，MTD）和恒虛警率（Constant False Alarm Rate，CFAR）。

2.1.5 抗干擾技術

針對不同來源的干擾，采用抗干擾技術對雷達信號進行處理。例如：抗電子對抗技術可用于對抗敵方電子干擾，提高雷達系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.1.6 多波束技術

利用多個接收波束接收雷達信號，通過合理組合波束輸出，可以抑制一些特定方向上的雜波，提高雷達系統(tǒng)的方向分辨能力。

這些雷達雜波處理技術的綜合應用可以顯著提高雷達系統(tǒng)在復雜環(huán)境中的性能，使其更適用于不同的應用場景，包括軍事、民用、氣象等領域。

2.2 濾波器設計與優(yōu)化

雷達雜波濾波器的設計與優(yōu)化是關鍵的雷達信號處理任務，旨在有效降低雜波對目標檢測的影響，提高雷達系統(tǒng)的性能。

一種常見的濾波器類型是自適應濾波器，它能夠根據實時接收到的雷達信號自動調整濾波器的參數，以適應不同的環(huán)境條件。自適應濾波器通常采用最小均方（LMS）算法或最小均方差（LMMSE）算法進行參數更新，以實現對動態(tài)環(huán)境變化的適應性。在濾波器的優(yōu)化方面，重點是平衡雜波抑制和目標信號保留的需求。為了提高抗干擾性能，可以采用多通道濾波器結構，通過合理的通道加權和信號組合來實現對不同方向上雜波的抑制。此外，采用時域和頻域相結合的方法，如脈沖壓縮技術，可以在提高分辨率的同時有效地抑制雜波。

2.3 脈沖壓縮與相關處理

在雷達系統(tǒng)中，脈沖壓縮的關鍵在于利用雷達發(fā)射脈沖的知識對接收到的信號進行相關運算。通過將接收到的信號與已知的脈沖序列進行相關運算，可以使目標的回波在時間上變得更加集中，有效地減小脈沖寬度。這種壓縮效應使雷達系統(tǒng)能夠更精確地測量目標的距離，并在一定程度上提高抗雜波性能。脈沖壓縮技術常常與相關處理相結合，利用相關性質對信號進行加權和累積，進一步增強目標信號，同時抑制雜波。相關處理通過對信號的時域或頻域進行相關運算，提高目標信號的信噪比，從而增強對目標的探測能力。

3 基于雜波跟蹤的CFAR檢測研究

CFAR處理就是一種通過數字信號處理來確定探測門限的算法。CFAR系統(tǒng)的主要任務就是給出一個能抵抗噪聲、背景雜波以及各種干擾因素的探測門限，從而保證對目標進行一定的虛警檢測。在雷達探測區(qū)域，建立專用信道，利用雜波電平數據，追蹤雜波特性，為 CFAR處理提供有效的信息本底[1-3]。

3.1 均勻高斯環(huán)境下的雷達CFAR檢測

在均勻高斯環(huán)境下，海上雷達的CFAR檢測是一項關鍵的技術，用于在復雜的背景雜波中準確地探測目標[4-5]。通過統(tǒng)計均勻高斯分布的特性，CFAR算法能夠在維持恒定虛警率的同時，提高對低信噪比目標的探測性能。該算法首先對周圍環(huán)境進行建模，計算局部背景統(tǒng)計量，并基于這些統(tǒng)計量確定檢測閾值。這種方式使海上雷達能夠有效地應對不同海況和天氣條件下的復雜背景，從而在海域監(jiān)測中發(fā)揮關鍵作用，確保對潛在威脅的及時探測。

3.2 非高斯雜波環(huán)境下的雷達CFAR檢測

在非高斯雜波環(huán)境下，海上雷達的CFAR檢測面臨著更為復雜的挑戰(zhàn)，因為非高斯性質的雜波可能包含各種非線性和非均勻分布的特征。在這種情況下，CFAR算法需要更靈活的處理方式，以適應不同統(tǒng)計特性的雜波。該算法可能采用自適應的背景模型，考慮到非高斯分布的情況，以更準確地估計局部背景統(tǒng)計量。通過結合多尺度分析和復雜場景建模，海上雷達CFAR檢測在非高斯雜波環(huán)境下能夠提高目標探測的可靠性和魯棒性。

3.3 非均勻環(huán)境下的雷達 CFAR 檢測

在非均勻環(huán)境下，海上雷達的CFAR檢測面臨著特殊的挑戰(zhàn)，因為背景雜波可能呈現不同的分布特征和空間變化。CFAR算法在這種情境下需要更靈活的適應性，以確保對目標的高效探測。非均勻環(huán)境下可能存在地形、海況、氣象等多樣性因素，導致背景雜波的非均勻性。因此，CFAR算法可能采用動態(tài)的背景建模技術，以適應不同區(qū)域的變化。通過結合多尺度分析和先進的背景估計方法，海上雷達CFAR檢測在非均勻環(huán)境下能夠提高對目標的靈敏度和準確性，從而確保對復雜場景中目標的可靠監(jiān)測。

4 雷達雜波抑制處理算法在FPGA中的實現研究

4.1 FPGA的基本原理和實驗平臺的簡介

4.1.1 FPGA的基本原理

現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Ar？ ray，FPGA）是一種可編程邏輯器件，其基本原理是利用可編程的邏輯資源（如Look-Up Tables，Flip-Flops）和可編程的互連網絡，使用戶能夠通過配置位流（Bit？ stream）來實現特定的數字電路功能。與專用集成電路（Application-Specific Integrated Circuit，ASIC）不同，FPGA具有靈活性和可重新配置性，使其適用于多種應用領域。FPGA通常包含可編程邏輯單元、存儲元件以及全局和局部互連網絡[6]。

4.1.2 FPGA實驗平臺的簡介

FPGA實驗通?；趯Ｓ玫腇PGA開發(fā)板或開發(fā)套件，提供了一個硬件平臺和相應的開發(fā)工具。這些實驗平臺通常包括以下要素。

（1）FPGA芯片：開發(fā)板上搭載了一款特定型號的FPGA芯片，如Xilinx的Artix、Kintex，或Altera（現在歸屬Intel）的Cyclone、Stratix等系列。

（2）外設接口：開發(fā)板通常配備了各種外設接口，如GPIO、USB、Ethernet等，以便與外部設備進行通信。

（3）時鐘和時序資源：FPGA實驗需要精確的時鐘和時序管理，因此開發(fā)板通常提供了時鐘源和相應的時序分析工具。

（4）開發(fā)工具：FPGA廠商提供了專門的開發(fā)工具套件，如Xilinx Vivado、Intel Quartus Prime等，用于設計、綜合、實現和調試FPGA的電路。

（5）編程接口：通常有多種編程方式，如使用硬件描述語言（HDL）如Verilog或VHDL，或者使用高級編程語言（如C、C++）和OpenCL。

（6）調試接口：提供調試接口以便開發(fā)者進行硬件調試，可能包括邏輯分析儀或串行/并行通信接口。

FPGA的實驗平臺為學者和工程師提供了一個靈活、可配置的硬件平臺，用于實驗和開發(fā)各種數字電路和信號處理應用。

4.2 雷達雜波處理器的總體設計

雷達雜波處理器的總體設計旨在有效抑制雷達接收信號中的雜波干擾，提高目標檢測性能。該處理器通常包括前端模塊、中頻處理模塊和后端數字信號處理模塊。前端模塊負責接收和放大雷達回波信號，并通過濾波器降低噪聲干擾。中頻處理模塊執(zhí)行混頻和濾波等操作，將信號轉換為中頻信號，同時采用自適應濾波算法以動態(tài)調整濾波器參數，適應不同雜波環(huán)境。后端數字信號處理模塊利用數字信號處理技術，如小波變換或自適應濾波算法，對中頻信號進行進一步處理，以提取目標信號并抑制雜波。整體設計注重性能優(yōu)化、實時性和可配置性，以適應不同雷達系統(tǒng)的需求，并有效提高雷達系統(tǒng)在復雜雜波環(huán)境下的目標檢測準確性。

5 結語

在雷達系統(tǒng)設計和應用中，合理選擇和優(yōu)化雜波處理技術對于提高雷達性能至關重要。通過對雷達雜波的深入理解和靈活應用，可以更好地適應不同環(huán)境下的雷達任務需求，實現對目標的高效探測和跟蹤。

參考文獻

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