王冬華 沈 洋 周 駿 茆 禹

(中國船舶集團有限公司第八研究院 南京 211153)

0 引言

海雜波是影響對海探測雷達檢測性能的關(guān)鍵因素。相較于軍艦、輪船等大型目標，其反射面積較大，目標回波幅度較強，即使在比較惡劣的海況下，也能具備一定的信雜比，但是對于一些反射面積較小的漁船、小艇等小目標，其目標回波信雜比往往處于或低于臨界可檢測狀態(tài)，雖然通過長時間幀間積累可以有效提升目標回波的信雜比，但對于漁船、小艇等具備一定運動速度的運動目標，很難實現(xiàn)穩(wěn)定的長時間幀間積累；慢速目標的多普勒信息很容易被海雜波的多普勒旁瓣掩蓋，為了在海雜波下檢測慢速小目標，海雜波的抑制至關(guān)重要，傳統(tǒng)的動目標顯示(MTI)與動目標檢測(MTD)對零速濾波器附近的目標衰減過大，使得對慢速目標的檢測性能嚴重下降。針對上述問題，本文提出的時頻維聯(lián)合處理方法在頻域維檢測時會實時感知海雜波的中心頻率與譜寬，并且根據(jù)迭代更新的海雜波中心頻率對原始I/Q數(shù)據(jù)進行頻譜搬移，隨后進行相參處理，頻率維檢測后會造成虛警率升高，因此需進行時域維檢測，根據(jù)目標回波的距離-方位特性抑制剩余海雜波，提高小目標在強海雜波下的可見度，最后通過仿真及實驗驗證了該方法的可行性與有效性。

1 時頻維聯(lián)合檢測方法

本文采用頻率維和時域維聯(lián)合處理的方法提高雷達對海上小目標的檢測性能，處理流程如圖1所示，頻率維檢測模塊接收匹配濾波后的I/Q數(shù)據(jù)，將其求模后送至?xí)r域維檢測模塊，最后將檢測后數(shù)據(jù)送至顯控和數(shù)據(jù)處理。

圖1 處理流程圖

1.1 頻域維檢測

對海探測雷達，近程海雜波較強，且成片出現(xiàn)，若僅僅依靠傳統(tǒng)的非相參或者相參處理提取目標的幅度信息去檢測，很難從較強的海雜波中提取出弱小目標。不同于傳統(tǒng)的MTD處理方法，頻域維檢測在接收匹配濾波后的I/Q數(shù)據(jù)后，實時感知并迭代更新建立雜波中心頻率圖和雜波譜寬圖，實時選擇具有不同凹口的濾波器組，有效保證了不同海況下弱小目標的雜波可見度，處理流程如圖2所示。

圖2 頻率維處理流程圖

匹配濾波后的I/Q數(shù)據(jù)首先采用“相關(guān)函數(shù)法”進行中心頻率估計和譜寬估計，然后進行中心頻率圖和雜波譜寬圖的建圖及實時迭代更新，建圖過程中需要設(shè)定建圖的距離、方位格子大小以及迭代因子，接著根據(jù)當(dāng)前回波所處的方位信息從中心頻率圖中取出對應(yīng)方位格子所存儲的中心頻率值，進行I/Q數(shù)據(jù)的頻譜搬移，同時根據(jù)當(dāng)前回波所處的方位信息從譜寬圖中統(tǒng)計一定距離范圍內(nèi)的頻譜寬度，根據(jù)統(tǒng)計的頻譜寬度去選擇不同凹口的濾波器組，然后進行MTD相參處理，最后對MTD相參處理后的個通道分別進行求模、CFAR處理并選大輸出，其中CFAR處理一般采用一維單元平均恒虛警算法。頻率維處理會造成檢測結(jié)果虛警率升高，通過后續(xù)時域維檢測可以有效解決這一問題。

1.1.1 相關(guān)函數(shù)法

“相關(guān)函數(shù)法”即利用雷達接收回波相鄰兩個重復(fù)周期的相位差對雜波的平均多普勒頻率進行估計。雜波可表示為如式(1)形式。

()=()e(+)+()

(1)

其中：()為復(fù)包絡(luò)；為雜波多普勒角頻率；為初相；()為加性噪聲。延遲一個重復(fù)周期后可寫成

(-)=(-)e((-)+)+(-)

(2)

它們的相關(guān)函數(shù)為

()=[()(-)]=()e

(3)

其中：為雷達的重復(fù)周期，()=[()(-)]。因為()為窄帶信號，即()≈(-)，那么()=[()(-)]=[|()|]為一實數(shù)。由式(2)可得

(4)

其中：tg(·)反正切函數(shù)，其取值范圍為[-π,π]。用時間平均來代替統(tǒng)計平均后，得到如式(5)所示估計量。

(5)

其中：表示雜波在不同脈沖相同距離單元的采樣序號。因此，結(jié)合式(4)和式(5)得到雜波的平均多普勒頻率估計值為

(6)

112 雜波譜建圖

為了降低頻譜搬移對運動目標自身的影響，每個距離單元估算的中心頻率結(jié)果需要經(jīng)過平滑處理，通過設(shè)定距離-方位格子大小將雷達探測范圍劃分為多個單元，通過雜波圖技術(shù)迭代更新每個格子的中心頻率及譜寬信息，產(chǎn)生不同距離單元I/Q數(shù)據(jù)頻譜搬移需要的多普勒頻率。每個距離-方位格子的中心頻率及譜寬信息采用一階遞歸模型更新為

()=(1-)(-1)+()

(7)

其中：表示天線掃描周期；()表示當(dāng)前掃描周期得到的中心頻率估算結(jié)果；(-1)表示雜波圖上一圈估計背景值；()表示通過式(7)得到的新的雜波圖背景值；是遞歸因子，0<<1。

1.2 時域維檢測

時間維檢測主要利用目標回波距離-方位特性。對海探測雷達近程海雜波較強，在進行恒虛警(CFAR)處理后，會出現(xiàn)較多離散雜波點，這些雜波點在區(qū)域內(nèi)隨機分布，通過統(tǒng)計回波的距離、方位特性以及目標的幅度起伏特性可以有效剔除這些海雜波經(jīng)過CFAR處理后的剩余，時域維檢測流程如圖3所示。

圖3 時域維處理流程圖

圖4 CFAR處理后回波特性示意圖

距離連續(xù)性判別即CFAR處理后連續(xù)5個距離單元是否存在3個及以上距離單元幅度值不為0；方位連續(xù)性判別即在距離判別的基礎(chǔ)上判別同一距離單元在方位維是否連續(xù)存在個方位單元幅度值不為0，若是則判定該被檢測單元為目標，否則判定為雜波。

2 仿真校驗

2.1 頻域維仿真

2.1.1 中心頻率估計仿真

頻率維檢測中采用的是“相關(guān)函數(shù)法”估算目標的中心頻率及譜寬，假設(shè)雷達重復(fù)周期為290 μs，時寬20 μs，帶寬8 MHz，采樣頻率10 MHz，相關(guān)脈沖數(shù)為10。假設(shè)在距離雷達35 km處有1個目標，速度為40 m/s，輸入信噪比為0 dB，地雜波和動雜波分別位于5～10 km和15～20 km處，雜噪比均為50 dB，其中地雜波平均多普勒頻率為0 Hz，譜寬為6.4 Hz，動雜波平均多普勒頻率為100 Hz，譜寬為24 Hz。對回波信號進行脈壓，對脈壓輸出利用相關(guān)函數(shù)法進行測頻，結(jié)果如圖5所示。

圖5 相鄰PRT地雜波/動雜波測頻結(jié)果

由圖5可以看出，利用“相關(guān)函數(shù)法”對脈壓結(jié)果的雜波區(qū)進行測頻，相鄰重復(fù)周期的測頻結(jié)果有一定的差距，但均在預(yù)設(shè)值上下波動，也即存在一定的譜寬。取相同距離單元不同PRT測頻結(jié)果的標準差，然后對所有距離單元求平均即可得到譜寬。表1給出了相關(guān)函數(shù)法估計雜波多普勒頻率的統(tǒng)計結(jié)果。

表1 相關(guān)函數(shù)法地/動雜波測頻結(jié)果

2.1.2 頻域維檢測效果仿真

采集某對海探測雷達在4級海況條件下的脈壓后I/Q數(shù)據(jù)，采用常規(guī)的非相參處理技術(shù)，如圖6左圖所示，從圖中可以看出，60 km范圍內(nèi)分布著成片較強海雜波，海面固定目標、大船以及漁船等目標完全淹沒在海雜波中難以檢測。采用本文所述頻率維檢測方法，如圖6右圖所示，可以看出，海雜波得到了有效抑制，海面固定目標、大船以及漁船等目標能夠很容易檢測出來，極大地提高了目標在雜波中的可見度。

圖6 頻率維檢測效果圖

2.2 時域維檢測效果仿真

時域維檢測先進行距離維連續(xù)性判別，再進行方位維連續(xù)性判別，可以有效抑制海雜波經(jīng)過CFAR處理后的剩余。某雷達視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過CFAR處理后如圖7左圖所示，可以看出近程30 km區(qū)域內(nèi)存在較多的離散海雜波剩余，在這種點跡密度狀態(tài)下，嚴重影響目標的跟蹤，經(jīng)過時域維檢測處理后如圖7右圖所示，可以看出離散剩余海雜波基本被剔除，目標基本被全部保留下來。

圖7 時域維處理前后對比圖

3 試驗驗證

為了驗證本文所述方法在實際對海小目標檢測的有效性。在3級海況條件下，一艘RCS約為1.0左右的小艇以5的速度從3 km處往外航行，如圖8所示，可以看出，近程海雜波基本被完全抑制，極大降低了近程的點跡密度，提高了目標在雜波中的可見度。

圖8 海雜波抑制效果對比圖

從圖9中可以看出若采用傳統(tǒng)信號處理方式，上述實驗場景中的小艇發(fā)現(xiàn)概率不足20%，很難在強海雜波下發(fā)現(xiàn)目標并實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，采用本文所述頻率維和時域維聯(lián)合檢測的方法，小艇發(fā)現(xiàn)概率達到90%以上。

圖9 目標跟蹤效果對比圖

4 結(jié)束語

本文針對海雜波環(huán)境下對海小目標探測問題，提出了一種基于頻域維和時域維聯(lián)合檢測的方法，在頻域維根據(jù)統(tǒng)計雜波中心頻率和譜寬自適應(yīng)選擇MTD濾波器組，極大提高了目標在強海雜波下的可見度，同時聯(lián)合時域維檢測，根據(jù)目標回波的距離-方位特性，剔除CFAR之后的海雜波剩余。通過仿真以及外場實驗充分驗證了該方法的可行性和有效性，較好地解決了在強海雜波情況下小目標的探測問題。