盧長海， 陳鳳友， 李 鵬

(解放軍91550部隊 92分隊，遼寧 大連 116023)

強海雜波背景下雷達低仰角跟蹤技術研究

盧長海， 陳鳳友， 李 鵬

(解放軍91550部隊 92分隊，遼寧 大連 116023)

海雜波抑制和低仰角跟蹤是雷達系統(tǒng)中需要解決的關鍵技術難題,需要對雷達系統(tǒng)進行針對性設計。某跟蹤測量雷達通過綜合運用時間靈敏度控制、動目標顯示與檢測、雙門限檢測等海雜波抑制手段和自適應偏軸跟蹤、頻率分集、雷遙協同等低仰角跟蹤技術，在對掠海目標跟蹤過程中取得了理想的跟蹤效果，測量精度達到了設計要求。

海雜波；恒虛警率；偏軸跟蹤；頻率分集

0 引言

雷達回波信號主要由目標信號、噪聲信號、固定地物雜波信號以及海雜波信號等組成，其中固定地物雜波信號具有多普勒頻移為零的典型特性，根據這一特性可以采用雜波對消措施，有效將雜波濾除；而海雜波是運動的，本身也會產生多普勒頻移，具有很強的時、空相關性，對其特性的研究和抑制是雷達探測的難點。目前主要采用相干積累、大動態(tài)接收機和設計適當的濾波器來抑制雜波和噪聲干擾、保留有用的目標信息[1]。雷達低仰角跟蹤時視軸俯仰角很小甚至達到負角度，主波束直接掃過海面，多路徑反射信號嚴重干擾了雷達對目標的穩(wěn)定跟蹤和精確測量。

1 海雜波的抑制方法分析

全相參脈沖雷達系統(tǒng)中，A顯示器顯示相位檢波輸出的回波信號波形，能提供目標距離和信號強度信息。固定雜波的多普勒頻率在零頻率附近，所以雷達連續(xù)多次探測全相參檢波器輸出的固定雜波回波信號變化很慢，多次掃描基本上是重復的。而動目標回波信號具有多普勒頻率，對應于雷達的連續(xù)多次探測，其回波信號受多普勒頻率調制是變化的，在顯示器上呈現“蝴蝶形”。因此利用這一特性進行雜波抑制，通常采用動目標顯示( MTI) 、動目標檢測( MTD)的方法；恒虛警率(Constant False-Alarm Rate, CFAR)處理技術是在雷達自動檢測系統(tǒng)中給檢測策略提供檢測閾值并且使雜波和干擾對系統(tǒng)的虛警概率影響最小化的信號處理算法[2]。標準雷達門限檢測假設干擾電平是已知常數，但海雜波的多變特性會造成虛警概率急劇增加，因此強海雜波干擾中提取信號, 不僅要求有一定的信噪比, 而且要求檢測器具有恒虛警性能。

1.1 MTI/MTD抑制分析

MTI的原理是利用動目標和無源雜波(固定雜波和慢動雜波)信號的多普勒頻移不同，設置相應的雜波對消濾波器來抑制海雜波。MTD 是為了彌補MTI的缺陷, 并根據最佳濾波器理論發(fā)展起來的一種雷達信號處理技術。因此需要在MTI后串接一組相鄰且部分重疊的窄帶濾波器組, 覆蓋整個重復頻率的范圍, 以達到動目標檢測的目的。其實質是相當于對不同通道進行相參積累處理。

MTI/MTD的功能框圖如圖1所示,信號處理系統(tǒng)采用三脈沖對消后接多個脈沖FFT多普勒濾波器組，該濾波器組采用頻率域加權來降低濾波器的副瓣電平，同時為了能夠檢測切向飛行的目標，當目標徑向速度低于設定門限時，不進行三脈沖對消，通過零速濾波器進行處理。

圖1 MTI/MTD的功能框圖

改善因子是衡量MTI雜波抑制能力的重要指標，它與權系數、雜波譜寬和所處理的脈沖數有關,三脈沖對消改善因子可近似表示為[3]：

式中，σv為雜波標準偏差，地雜波取0.32 m/s，海雜波取0.7 m/s；σc為雜波功率譜的均方根頻譜寬度，fr為雷達重復頻率，λ為雷達波長。盲速問題是MTI應用的最大問題，目前主要采用 PRF 參差辦法來解決，但參差會對改善因子產生限制。改善因子還受其他分系統(tǒng)不穩(wěn)定因素的限制，主要表現在穩(wěn)定本振和相參振蕩器的頻率變化、發(fā)射機脈沖之間的頻率變化、發(fā)射機脈沖之間的相位變化及相參振蕩器鎖相不穩(wěn)、定時脈沖的時間及幅度抖動和A/D 變換器的采樣脈沖抖動等[4],所以實際的信雜比改善達不到理論的改善效果。若雷達重復頻率取1 000 Hz，海雜波功率譜的均方根頻譜寬度等于26.1，海雜波譜寬度與雷達重復頻率之比等于0.026。在海雜波譜寬度與雷達重復頻率的比值不大于0.026的條件下，三脈沖對消后接8脈沖多普勒濾波器組的各個濾波器(除1號濾波器，用于檢測切向目標)的改善因子和平均改善因子不低于40 dB。

1.2 雙門限檢測技術

第一檢測門限為CFAR門限，第二檢測門限采用二進制積累N/M檢測門限。CFAR 處理是一種提供檢測閾值的數字信號處理算法，是在實際干擾環(huán)境下提供可預知的檢測和虛警的一組技術，又稱為“自適應門限檢測”[5]。其對海雜波抑制具有一定的效果。單元平均CFAR(CA-CFAR)適用于空間上統(tǒng)計平穩(wěn)的背景，檢測單元達到一定量時，CFAR處理器性能接近最優(yōu)恒虛警。但在海雜波環(huán)境下，明顯不滿足應用條件，而且邊緣效應比較嚴重，最后除法運算計算量較大[6]。

對于測量雷達所使用場景，由于海雜波的嚴重不均勻性，也不太關注可能出現的緊鄰目標，相對于目標遮蔽效應，更加關注海雜波邊緣的虛警。因此采用改進的單元平均CFAR，使用單元平均選大CFAR(GO-CFAR)，如圖2所示。分別對前后參考窗內的數據進行平均處理，門限由兩個估計量中較大值決定。 GO-CFAR在雜波邊緣處能成功規(guī)避虛警，與傳統(tǒng)CA-CFAR相比，會產生一個附加的恒虛警處理損失。

快門限CFAR主要作用于雜波區(qū)，用于抑制剩余雜波的影響，第二檢測門限采用N/M的判斷準則，即M個待檢測單元有N個超過門限就滿足檢測條件。

注：N為形成左右門限的積累數；M為保護單元點數，由脈寬和采樣率決定；Factor為門限乘子。

1.3 動態(tài)靈敏度時間控制(STC)和應答工作模式

為了避免在強海雜波下接收機出現飽和，采用時間靈敏度控制(STC)，減小近程海雜波的絕對強度，使近程海雜波達到噪聲電平。但由于實際環(huán)境海雜波強度無法預計，造成STC靜態(tài)設置不能準確抑制海雜波。設置衰減過小，易引起接收機飽和，使雜波頻譜展寬，造成雷達性能下降；若設置衰減過大，則易引起接收信號偏弱，影響雷達對小目標的探測。因此需要根據雷達所處環(huán)境，計算出不同方位、俯仰、距離動態(tài)STC值，解決靜態(tài)STC設置問題。

雷達最大輸入動態(tài)范圍計算方法[7]：

D=40lg(Rmax/Rmin)+10lg(σc/σt)+S/N

(1)

(2)

式中，Rmax、Rmin為最大、最小作用距離;σt為目標RCS;σc為雜波面積；S/N為單一脈沖檢測信噪比;σ0為海雜波后向散射系數;λ為雷達波長；τ為脈沖寬度；θ0為方位波束寬度;ξ為最大方位掃描角;LBS為波束形狀損失。

設在距離R處輸入動態(tài)范圍為Din，輸出動態(tài)范圍為Dout，則距離R處的STC 值DRSTC=Din-Dout。

對于具有應答模式的合作目標，應答工作時，在保持應答機觸發(fā)條件下，應盡可能大地使發(fā)射機輸出功率衰減，以減少海雜波回波強度。由于應答機輸出功率恒定，此方法將有效提高信雜比，有利于改善低空跟蹤質量，利用應答機信號與海雜波信號的幅度差異消除海雜波的影響。

2 低仰角跟蹤技術

單脈沖雷達在低仰角跟蹤狀態(tài)，由于多徑效應的存在，雷達和差通道信號由目標和鏡像信號組成，誤差電壓表示為：

(3)

式中,∑、Δ分別表示和、差信號；f∑、fΔ表示和、差方向圖；θb為雷達波束指向；θt為目標仰角；ρ為反射系數；ψ為擦地角；D為擴散因子；δ為直射波與反射波路程差；Φ為反射系數的相角。

單脈沖雷達在跟蹤低空目標時，由于鏡像目標存在，發(fā)射路徑與接收路徑不一致，兩個波在雷達進行疊加，會產生相位差，該相位差將會影響雷達對目標的跟蹤，使得雷達測角精度降低。

2.1 偏軸跟蹤技術

偏軸跟蹤技術是一種用來擴展主瓣反射區(qū)(目標范圍為0.3θb<θt<1.5θb)穩(wěn)定數據的有效方法。當雷達探測低空目標時，為防止主波束觸海面而引入大量干擾，不再用波束中心去跟蹤目標，而是用偏軸指向某一角度，目的是使直射波由雷達主波瓣進入接收機信號放大，反射波由副瓣進入接收機信號衰減，達到克服多路徑效應的目的。

由于偏軸跟蹤避開了和通道中可能出現的鏡面反射導致的強衰減(deep fades),漫反射分量可以認為是對差通道噪聲分量的貢獻。偏軸單脈沖技術不能有效地應用于θt在0.15θb以下的情況，盡管此時仍能給出目標角度，但其3σE(均方根)誤差會超出目標的俯仰角。圖3給出了不同反射面下采用偏軸單脈沖測量技術的俯仰角歸一化誤差[8]。

圖3 不同表面對偏軸單脈沖測量產生的歸一化誤差

因偏軸跟蹤固定值具有一定限制，如果低空目標仰角變化范圍比較大，固定波束俯仰方向，可能使直射波脫離主瓣，使目標穿出波束，導致丟失目標。為了克服上述問題以及偏軸技術在水平反射區(qū)測角誤差大的不足，可增加自適應偏軸功能以及將偏軸跟蹤與C2算法相結合以保證跟蹤穩(wěn)定性。

(1)自適應偏軸控制

采用自適應偏軸控制，通過不斷地改變偏軸角以保證目標的直射波在主瓣內，鏡像的反射波在主瓣之外。進行自適應偏軸處理時，俯仰偏軸角度需根據俯仰角度開環(huán)預測值分檔控制，控制可采用如表1所示的準則，當俯仰開環(huán)預測值大于1.5°(波束寬度為1°)時取消偏軸跟蹤狀態(tài)，恢復正常跟蹤。

表1 自適應偏軸控制準則

(2)偏軸跟蹤技術和C2算法相結合

C2算法是將低仰角目標及其鏡像分別當作兩個很接近的獨立目標，用復數分別表示和、差通道的數據，利用一串脈沖的測量結果估計出目標和鏡像組合的幾何中心位置以及角度分布范圍的數值，從而推算出目標的角坐標。具體算法略，見文獻[9]。

由于C2算法是多目標角度分辨算法，將海面反射看作是來源于鏡像目標的回波，并將多目標重心位置看作幾何中心位置來推算目標仰角，因此可以將偏軸角確定為更低的臨界角度，甚至是負角度。

2.2 頻率分集

當雷達接近目標時，目標角閃爍已成為雷達測角誤差的主要來源，尤其當跟蹤大的擴展目標時，目標角閃爍已成為提高雷達角跟蹤精度的主要障礙[10]。分集技術是抑制角閃爍的一類重要方法，它主要是利用角閃爍在不同的輸入激勵下具有不同規(guī)律的原理來進行平滑。常見的分集技術有空間分集、極化分集和頻率分集[11]。

頻率分集是指使用具有足夠大頻率間隔的雷達發(fā)射信號照射目標,使得角閃爍數據的相關性降低,從而達到抑制角閃爍的目的。當直射信號與反射信號的相位差約為180°時,和通道接收的信號電壓衰減最嚴重，此時的俯仰角測量誤差也最大。相位差主要是由直接路徑和反射路徑的路程差引起的，它取決于波長，因此如果頻率發(fā)生變化，該誤差的最大值就會在距離上發(fā)生漂移。當直接信號和反射信號同相時，雷達對目標及其鏡像的“重心”進行跟蹤。如果使用多個頻率跟蹤目標，始終選擇誤差最小的那個頻點的數據就可以避免最大峰值誤差的出現，達到穩(wěn)定跟蹤的目的。

2.3 雷達遙測協同跟蹤

協同跟蹤是指根據實際環(huán)境的約束條件建立衡量不同傳感器對目標跟蹤能力的標準[12]，綜合利用不同跟蹤手段使跟蹤性能最優(yōu)，通過傳感器間的接力、協作跟蹤完成監(jiān)視區(qū)域內目標的跟蹤任務。對于具有遙測信息發(fā)射的合作目標，遙測載波的獲取無疑是一種有效的跟蹤源。雷達主要任務是精密跟蹤測量，因而波束寬度和脈沖寬度都很窄，特別是在海雜波背景下的低仰角截獲跟蹤受到很大限制。將雷達和遙測協同進行了一體化設計，雷達和遙測引導設備天線共面，具有相同的伺服系統(tǒng)，遙測作為雷達的一個引導源，直接將其跟蹤接收機誤差電壓送共同的伺服驅動系統(tǒng)，雷、遙之間跟蹤可以相互切換。此時遙測引導分系統(tǒng)設置為協同狀態(tài)，測量雷達發(fā)射高功率脈沖信號，雷達饋源接收處理目標回波信號，而遙測不發(fā)射信號，從遙測饋源接收處理下行遙測信號。目標進入雷達波束后遙測引導系統(tǒng)首先鎖定跟蹤目標，通過接收遙測接收機送來的角度誤差信號完成雷達的低仰角捕獲跟蹤。

3 結束語

隨著對海雜波認識的不斷深入，以及雷達信號處理能力的逐步增強，海雜波抑制手段和低仰角跟蹤技術將變得更加可行、有效。某跟蹤測量雷達根據不同的測量對象、不同的海況環(huán)境，靈活采用以上雜波抑制手段和低仰角跟蹤技術，取得了較好的跟蹤測量效果，獲取了有效的測量數據。

[1] 鐘紅蕾,柴常春.雷達的雜波特性及雜波抑制技術[J].信息與電子工程，2005,3(1):66-71.

[2] 何友,關鍵,孟祥偉.雷達自動檢測和CFAR處理方法綜述[J].系統(tǒng)工程與電子技術，2001,23(1): 9-13.

[3] 毛士藝, 張瑞生, 徐偉武. 脈沖多普勒雷達[M]. 北京:國防工業(yè)出版社, 1990.

[4] SKOLNIK M I.雷達手冊[M].南京電子技術研究所,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2003.

[5] RICHARDS M A.雷達信號處理基礎[M].邢孟道,王彤，李真芳，等,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[6] 楊萬海.雷達系統(tǒng)建模與仿真[M].西安：西安電子科技大學出版社,2007.

[7] 張峰.雷達陣地雜波測量和動態(tài)STC 建立方法[J].現代雷達，2014, 36(4):10-13.

[8] Barton D K.雷達系統(tǒng)分析與建模[M].南京電子技術研究所，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[9] 姜來春. 基于 C2算法海雜波抑制在低仰角跟蹤時的應用[J]. 現代電子技術,2013,36(13)：25-27.

[10] 李保國,肖懷鐵,付強,等.基于 ABA 處理和幅度加權的頻率捷變單脈沖雷達角閃爍抑制技術[J].國防科技大學學報,2005,27(6):57-60.

[11] 黃培康.雷達目標特征信號[M].北京：宇航出版社,1993.

[12] 劉欽.多傳感器組網協同跟蹤方法研究[D]. 西安：西安電子科技大學， 2013.

Study on low-elevattion tracking technology of radar with the strong sea clutter

Lu Changhai， Chen Fengyou， Li Peng

(Team92, Unit 91550 of PLA,Dalian 116023,China)

Sea clutter suppression and low elevation tracking are the key technical problems in radar system, which need the targeted design. Certain tracking measurement radar comprehensively uses the means of STC MTI/MTD and double threshold detection methods in sea clutter suppression and low elevation tracking technologies of self-adapting bias axis tracking, frequency diversity and collaboration of radar & telemetry etc in the process of the skimming target tracking, and has achieved an ideal tracking result. The measurement precision has reached the design requirement.

sea clutter; Constant False-Alarm Rate (CFAR); bias axis tracking; frequency diversity

TN850.6

A

1674- 7720(2016)03- 0075- 03

盧長海，陳鳳友，李鵬. 強海雜波背景下雷達低仰角跟蹤技術研究[J].微型機與應用，2016,35(3)：75- 77，87.

2015-10-09)

盧長海(1977-)，男，碩士研究生，工程師，主要研究方向：無線電測量。