徐佳龍，黃曉剛

(海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室， 南京210002)

0 引言

在對(duì)海搜索雷達(dá)中，一般都使用普通脈沖體制，常用的海I模式就是采用低重頻非相參處理工作［1］。在這類工作方式下，對(duì)貼近目標(biāo)的分辨和跟蹤是一個(gè)研究難點(diǎn)［2］，其中對(duì)目標(biāo)信號(hào)的距離維聚心和方位維波束相關(guān)是處理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)［3］。

在常規(guī)的距離維聚心處理過(guò)程中，海面貼近目標(biāo)會(huì)相互“遮蔽”，使參與方位維波束相關(guān)的點(diǎn)跡缺失或精度變差，合并后的目標(biāo)信息不能滿足對(duì)貼近目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確的分辨和跟蹤的要求。

本文首先介紹了常規(guī)的距離維聚心算法，列舉了實(shí)際海面貼近目標(biāo)檢測(cè)中存在的問(wèn)題，并在分析目標(biāo)的距離方位特性的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型的距離維聚心算法，對(duì)貼近目標(biāo)的分辨能力和測(cè)量精度有較為明顯的改善。

1 海面目標(biāo)的常規(guī)檢測(cè)及存在的問(wèn)題

1.1 海面目標(biāo)的常規(guī)檢測(cè)方法

常規(guī)檢測(cè)流程如圖1所示。在常用的海I模式中，一般以脈沖串為處理單位，非相參積累［4］后，可能會(huì)在一個(gè)或連續(xù)的幾個(gè)距離單元有目標(biāo)檢出，如圖2所示，第633～638號(hào)距離單元回波幅度高于恒虛警檢測(cè)門(mén)限，視為有目標(biāo)存在。

圖1 常規(guī)檢測(cè)流程圖

圖2 恒虛警率處理結(jié)果圖

針對(duì)目標(biāo)在連續(xù)的多個(gè)門(mén)上都有恒虛警檢測(cè)結(jié)果的現(xiàn)象，為了得出較為準(zhǔn)確的距離信息，需要進(jìn)行距離維聚心處理:首先，取檢測(cè)報(bào)出的距離單元對(duì)應(yīng)的滑窗非相參積累和，計(jì)算局部極大值和其左右相鄰距離單元為

式中:i表示距離單元。取3個(gè)距離單元的幅度距離一次加權(quán)處理結(jié)果作為目標(biāo)的距離值輸出［5］

圖2中距離維聚心的結(jié)果Rtarget=636.2。

其次，在脈沖串非相參積累后，經(jīng)恒虛警檢測(cè)，再距離維聚心可以得到目標(biāo)的一組信息。隨著波束指向的變化，對(duì)脈沖串做滑窗處理可以得到不同方位上目標(biāo)信息，在方位維波束相關(guān)中，根據(jù)相關(guān)準(zhǔn)則和波束結(jié)束準(zhǔn)則，將多組距離維聚心輸出的點(diǎn)跡信息做波束合并，可得到目標(biāo)距離方位信息。

1.2 常規(guī)方法存在的問(wèn)題

當(dāng)兩個(gè)目標(biāo)在距離和方位上都比較貼近時(shí)，也會(huì)有連續(xù)多個(gè)距離分辨單元恒虛警檢出，在距離維上和單一目標(biāo)的特征相近，如圖3所示。如果用常規(guī)的距離維聚心算法有時(shí)也只形成一個(gè)點(diǎn)跡信息，“遮蔽”了另一個(gè)目標(biāo)。圖3是一組貼近目標(biāo)的實(shí)例。

圖3 貼近目標(biāo)實(shí)例

圖3a)中兩個(gè)目標(biāo)在距離上共占據(jù)約6個(gè)距離單元，中心相差約2個(gè)距離單元;兩次滑窗處理形成的方位差計(jì)為一個(gè)方位單元，兩個(gè)目標(biāo)在方位向共計(jì)約18個(gè)方位單元，方位中心相差約3個(gè)方位單元。中心處相鄰兩個(gè)方位單元(圖3a)中的第14、15方位單元)常規(guī)恒虛警檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，圖中573～593對(duì)應(yīng)圖2中縱軸的0～20。

按照式(1)、式(2)計(jì)算，圖4a)極大值在586號(hào)距離單元，距離維聚心結(jié)果Rtarget=585.99，圖4b)極大值在584號(hào)距離單元，Rtarget=584.11。從圖3a)中可以看出，圖4檢測(cè)出的應(yīng)該是兩個(gè)目標(biāo)，但方位維波束相關(guān)的門(mén)限通常大于兩個(gè)距離單元，兩個(gè)方位單元的檢測(cè)結(jié)果將被相關(guān)上。作為一個(gè)目標(biāo)信息，或是雖然沒(méi)有被相關(guān)為同一目標(biāo)，由于兩個(gè)目標(biāo)的方位維信息有缺失，使得方位維波束相關(guān)后目標(biāo)的方位信息精度變差。

圖4 常規(guī)恒虛警檢測(cè)結(jié)果圖

2 改進(jìn)型的距離維聚心算法

2.1 海面目標(biāo)的距離方位特性

目標(biāo)的回波由于波束寬度和距離分辨率等因素，會(huì)在連續(xù)的距離單元和方位向上有高出背景的幅度，視頻上呈粗眉毛狀，如圖5所示。海面船只是海面目標(biāo)的主要組成部分，尺寸從幾米至幾百米不等，在距離維上表現(xiàn)出幾個(gè)或幾十個(gè)距離單元的回波特征。如果采樣帶寬較大，船體沿波束方向較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，連續(xù)距離單元幅度也會(huì)有相應(yīng)復(fù)雜變化［6］，但對(duì)于檢測(cè)常用的窄帶信號(hào)，海面大小船只在距離上的幅度多呈包絡(luò)狀。

圖5 海面目標(biāo)距離維幅度特性和方位特征

天線的主瓣在3 dB范圍內(nèi)，增益指數(shù)可以用二次函數(shù)或角度函數(shù)逼近，它對(duì)點(diǎn)目標(biāo)(大多數(shù)海面目標(biāo)可以被認(rèn)為是點(diǎn)目標(biāo))的回波在方位上起調(diào)制作用。同時(shí)，由于船體機(jī)構(gòu)、雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和和周圍海浪回波的影響，點(diǎn)目標(biāo)方位上回波幅度有一定的起伏，但能量集中在幅度較大的幾個(gè)距離單元上，且幅度有相同的變化規(guī)律和較強(qiáng)的相關(guān)性，如圖5所示。取圖5b)中第5(虛線)、6(實(shí)線)、7(點(diǎn)畫(huà)線)號(hào)距離單元，它們有類似的包絡(luò)形狀，其中中心處的6號(hào)距離單元有最大幅度。

常規(guī)的距離維聚心利用了距離維幅度包絡(luò)，將跨越多個(gè)距離單元的目標(biāo)信息加權(quán)處理，提高距離精度，但是這種基于滑窗內(nèi)脈沖串的非相參積累的處理方法忽略了滑窗中帶有的方位信息。所以，在檢測(cè)距離相近，方位略微分開(kāi)的目標(biāo)時(shí)，如果距離維的幅度包絡(luò)信息沒(méi)有產(chǎn)生明顯的分裂現(xiàn)象，會(huì)存在著較大的缺陷。

2.2 改進(jìn)型的距離維聚心算法

針對(duì)常規(guī)距離維聚心算法的缺點(diǎn)，需要對(duì)恒虛警檢測(cè)出的連續(xù)距離單元分析滑窗內(nèi)的N個(gè)脈沖串對(duì)應(yīng)距離單元幅度信息，計(jì)算檢出距離單元內(nèi)相鄰單元方位幅度的相似性，如果相似值有局部極值，則在這兩個(gè)距離單元間設(shè)定聚心分離點(diǎn)，在分離點(diǎn)兩側(cè)分別做常規(guī)的距離維聚心處理。由于滑窗內(nèi)積累的脈沖數(shù)N有限，只能對(duì)N個(gè)方位單元的幅度信息做相似性計(jì)算。流程如圖6所示。

圖6 改進(jìn)型距離維聚心流程圖

針對(duì)圖4中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按照流程算法，取出的L×N數(shù)組，記作 Al，j，l?(582，586)表示恒虛警檢測(cè)出的連續(xù)距離單元，j?(1，N)表示滑窗中的脈沖，計(jì)算相似性 C(Ak，j，Ak+1，j，k?(582，585)，結(jié)果見(jiàn)表 1。

表1 相似度計(jì)算

如圖7所示，第584、585號(hào)距離單元不具有單個(gè)目標(biāo)在方位維的特征，在相似性計(jì)算中出現(xiàn)了局部極值點(diǎn)，可在第584號(hào)距離單元設(shè)定分離點(diǎn)。

分別在對(duì)分離點(diǎn)兩端做距離維聚心，582、583、584的結(jié)果為583.01，584、585、586 的結(jié)果為584.90，這樣就成功地將兩個(gè)目標(biāo)分開(kāi)。

圖7 分離點(diǎn)相鄰距離單元方位維特征圖

改進(jìn)型距離維聚心算法仍然以脈沖串為處理單位，增加了檢出單元信息提取和相似性計(jì)算，較常規(guī)型算法計(jì)算量略微增加，方便于工程中的實(shí)現(xiàn)。

3 分辨能力和測(cè)量精度的改善

使用改進(jìn)型距離維聚心處理算法可以進(jìn)一步改善海面貼近目標(biāo)的分辨能力和測(cè)量精度。對(duì)圖3實(shí)例使用常規(guī)距離維聚心和改進(jìn)型距離維聚心算法，方位單元的聚心結(jié)果列舉部分見(jiàn)表2。

表2 聚心算法與常規(guī)算法方位單元聚心結(jié)果的比較

在4～20號(hào)方位單元內(nèi)兩種算法都有目標(biāo)檢出，改進(jìn)型距離維聚心在7～15號(hào)方位單元中還檢出被“遮蔽”的目標(biāo)。表中顯示，在11、12號(hào)方位單元，常規(guī)距離維聚心檢出的目標(biāo)距離有約兩個(gè)距離單元的階躍，這是兩個(gè)目標(biāo)的脈沖串非相參積累和值大小發(fā)生了交替，如圖4中所示，相鄰第14、15方位單元的局部極大值發(fā)生的變化。

距離維聚心結(jié)果進(jìn)行方位維波束相關(guān)，對(duì)滿足相關(guān)準(zhǔn)則的目標(biāo)信息運(yùn)用數(shù)中心、幅度加權(quán)或是幅度平方加權(quán)等相關(guān)算法。由于滑窗處理的影響，目標(biāo)方位需要修正N/2。表3列舉了相關(guān)準(zhǔn)則不同時(shí)相關(guān)形成的目標(biāo)距離方位信息結(jié)果。

表3 聚心算法與常規(guī)算法距離維聚心結(jié)果的比較

由圖3和表3結(jié)果比較后可以看出，改進(jìn)型距離維聚心的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

通過(guò)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，該改進(jìn)算法基本有效。但是針對(duì)海雜波區(qū)內(nèi)的小目標(biāo)或是遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)，由于回波幅度較弱，通常歸一化信噪比小于10 dB，目標(biāo)在方位維起伏較大，改進(jìn)算法的使用將受到限制。

相似性門(mén)限的選擇與波形時(shí)域頻域參數(shù)有關(guān)，在2 MB帶寬和距離分辨率為150 m的情況下，門(mén)限一般選擇6。

4 結(jié)束語(yǔ)

海面的漁船或是艦船編隊(duì)通常會(huì)密集排列，對(duì)于此類貼近目標(biāo)，常規(guī)的距離維聚心在檢測(cè)目標(biāo)時(shí)存在缺陷。本文提出的改進(jìn)型距離維聚心算法，不僅有利于對(duì)貼近目標(biāo)進(jìn)行有效分辨，還可提高測(cè)量精度，而且工程上也易于實(shí)現(xiàn)。

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