張繪

摘 要： 雜波的處理能力將直接關(guān)系到雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別與跟蹤效果，因而一直成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者共同關(guān)注的問題。當(dāng)前，基于雜波統(tǒng)計(jì)特征的參數(shù)化處理方法常無法對(duì)處于強(qiáng)雜波環(huán)境內(nèi)的弱小目標(biāo)進(jìn)行有效探測(cè)，也無法對(duì)具有不同分布特征的雜波進(jìn)行高效處理。而非參數(shù)化的處理沒有充分利用擾動(dòng)的先驗(yàn)信息，因此盡管自適應(yīng)能力很強(qiáng)，但針對(duì)性不強(qiáng)。研究更加高效的雷達(dá)雜波預(yù)處理技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上提出了一種新的方法。

關(guān)鍵詞： 雷達(dá)雜波處理 目標(biāo)探測(cè) 雜波特征 CFAR檢測(cè)

中圖分類號(hào)： TN957.51文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 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(dá)雜波的概念與來源

1.1 雷達(dá)雜波的定義與特征

雷達(dá)雜波是指在雷達(dá)系統(tǒng)中接收到的非目標(biāo)反射的信號(hào)，是來自各種其他源頭的雜亂信號(hào)。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(qiáng)度不規(guī)律以及會(huì)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)性能造成干擾。有效處理雷達(dá)雜波是提高雷達(dá)系統(tǒng)性能和目標(biāo)檢測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

1.2 雷達(dá)雜波的主要來源

雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)本身也產(chǎn)生內(nèi)部雜波。大氣中的氣象現(xiàn)象如雨、雪、霧等會(huì)引起氣象雜波，地面和海洋的反射、散射也產(chǎn)生地物雜波，而雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部的元器件、電子器件等可能產(chǎn)生內(nèi)部雜波。這些不同來源的雜波共同影響著雷達(dá)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(duì)目標(biāo)探測(cè)的影響。

2 雷達(dá)雜波處理方法

2.1 常見的雷達(dá)雜波處理技術(shù)

雷達(dá)雜波處理是一項(xiàng)關(guān)鍵的雷達(dá)信號(hào)處理任務(wù)，旨在有效降低雜波對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響，提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能。常見的雷達(dá)雜波處理技術(shù)如下。

2.1.1 濾波技術(shù)

使用濾波器對(duì)雷達(dá)接收到的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，去除不需要的頻率成分，提高信號(hào)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(shù)

脈沖壓縮是一種通過調(diào)制雷達(dá)脈沖信號(hào)的時(shí)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(dá)系統(tǒng)對(duì)小目標(biāo)的探測(cè)性能。

2.1.3 MTI技術(shù)

動(dòng)目標(biāo)顯示（Moving Target Indication，MTI）技術(shù)通過利用目標(biāo)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移來區(qū)分目標(biāo)和雜波。這種技術(shù)主要用于抑制靜止目標(biāo)或地物表面的回波，從而提高對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)性能。

2.1.4 脈沖消除技術(shù)

脈沖消除技術(shù)通過選擇性的去除雷達(dá)回波中的一些脈沖，減小雜波對(duì)雷達(dá)的影響。常見的脈沖消除技術(shù)包括動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（Moving Target Detector，MTD）和恒虛警率（Constant False Alarm Rate，CFAR）。

2.1.5 抗干擾技術(shù)

針對(duì)不同來源的干擾，采用抗干擾技術(shù)對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理。例如：抗電子對(duì)抗技術(shù)可用于對(duì)抗敵方電子干擾，提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.1.6 多波束技術(shù)

利用多個(gè)接收波束接收雷達(dá)信號(hào)，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(dá)系統(tǒng)的方向分辨能力。

這些雷達(dá)雜波處理技術(shù)的綜合應(yīng)用可以顯著提高雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的性能，使其更適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，包括軍事、民用、氣象等領(lǐng)域。

2.2 濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化

雷達(dá)雜波濾波器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化是關(guān)鍵的雷達(dá)信號(hào)處理任務(wù)，旨在有效降低雜波對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響，提高雷達(dá)系統(tǒng)的性能。

一種常見的濾波器類型是自適應(yīng)濾波器，它能夠根據(jù)實(shí)時(shí)接收到的雷達(dá)信號(hào)自動(dòng)調(diào)整濾波器的參數(shù)，以適應(yīng)不同的環(huán)境條件。自適應(yīng)濾波器通常采用最小均方（LMS）算法或最小均方差（LMMSE）算法進(jìn)行參數(shù)更新，以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境變化的適應(yīng)性。在濾波器的優(yōu)化方面，重點(diǎn)是平衡雜波抑制和目標(biāo)信號(hào)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(jié)構(gòu)，通過合理的通道加權(quán)和信號(hào)組合來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向上雜波的抑制。此外，采用時(shí)域和頻域相結(jié)合的方法，如脈沖壓縮技術(shù)，可以在提高分辨率的同時(shí)有效地抑制雜波。

2.3 脈沖壓縮與相關(guān)處理

在雷達(dá)系統(tǒng)中，脈沖壓縮的關(guān)鍵在于利用雷達(dá)發(fā)射脈沖的知識(shí)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。通過將接收到的信號(hào)與已知的脈沖序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，可以使目標(biāo)的回波在時(shí)間上變得更加集中，有效地減小脈沖寬度。這種壓縮效應(yīng)使雷達(dá)系統(tǒng)能夠更精確地測(cè)量目標(biāo)的距離，并在一定程度上提高抗雜波性能。脈沖壓縮技術(shù)常常與相關(guān)處理相結(jié)合，利用相關(guān)性質(zhì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行加權(quán)和累積，進(jìn)一步增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)，同時(shí)抑制雜波。相關(guān)處理通過對(duì)信號(hào)的時(shí)域或頻域進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，提高目標(biāo)信號(hào)的信噪比，從而增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力。

3 基于雜波跟蹤的CFAR檢測(cè)研究

CFAR處理就是一種通過數(shù)字信號(hào)處理來確定探測(cè)門限的算法。CFAR系統(tǒng)的主要任務(wù)就是給出一個(gè)能抵抗噪聲、背景雜波以及各種干擾因素的探測(cè)門限，從而保證對(duì)目標(biāo)進(jìn)行一定的虛警檢測(cè)。在雷達(dá)探測(cè)區(qū)域，建立專用信道，利用雜波電平數(shù)據(jù)，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(dá)CFAR檢測(cè)

在均勻高斯環(huán)境下，海上雷達(dá)的CFAR檢測(cè)是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，用于在復(fù)雜的背景雜波中準(zhǔn)確地探測(cè)目標(biāo)[4-5]。通過統(tǒng)計(jì)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(shí)，提高對(duì)低信噪比目標(biāo)的探測(cè)性能。該算法首先對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行建模，計(jì)算局部背景統(tǒng)計(jì)量，并基于這些統(tǒng)計(jì)量確定檢測(cè)閾值。這種方式使海上雷達(dá)能夠有效地應(yīng)對(duì)不同海況和天氣條件下的復(fù)雜背景，從而在海域監(jiān)測(cè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用，確保對(duì)潛在威脅的及時(shí)探測(cè)。

3.2 非高斯雜波環(huán)境下的雷達(dá)CFAR檢測(cè)

在非高斯雜波環(huán)境下，海上雷達(dá)的CFAR檢測(cè)面臨著更為復(fù)雜的挑戰(zhàn)，因?yàn)榉歉咚剐再|(zhì)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(yīng)不同統(tǒng)計(jì)特性的雜波。該算法可能采用自適應(yīng)的背景模型，考慮到非高斯分布的情況，以更準(zhǔn)確地估計(jì)局部背景統(tǒng)計(jì)量。通過結(jié)合多尺度分析和復(fù)雜場(chǎng)景建模，海上雷達(dá)CFAR檢測(cè)在非高斯雜波環(huán)境下能夠提高目標(biāo)探測(cè)的可靠性和魯棒性。

3.3 非均勻環(huán)境下的雷達(dá) CFAR 檢測(cè)

在非均勻環(huán)境下，海上雷達(dá)的CFAR檢測(cè)面臨著特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)楸尘半s波可能呈現(xiàn)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(yīng)性，以確保對(duì)目標(biāo)的高效探測(cè)。非均勻環(huán)境下可能存在地形、海況、氣象等多樣性因素，導(dǎo)致背景雜波的非均勻性。因此，CFAR算法可能采用動(dòng)態(tài)的背景建模技術(shù)，以適應(yīng)不同區(qū)域的變化。通過結(jié)合多尺度分析和先進(jìn)的背景估計(jì)方法，海上雷達(dá)CFAR檢測(cè)在非均勻環(huán)境下能夠提高對(duì)目標(biāo)的靈敏度和準(zhǔn)確性，從而確保對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景中目標(biāo)的可靠監(jiān)測(cè)。

4 雷達(dá)雜波抑制處理算法在FPGA中的實(shí)現(xiàn)研究

4.1 FPGA的基本原理和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的簡(jiǎn)介

4.1.1 FPGA的基本原理

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Ar？ ray，F(xiàn)PGA）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，F(xiàn)lip-Flops）和可編程的互連網(wǎng)絡(luò)，使用戶能夠通過配置位流（Bit？ stream）來實(shí)現(xiàn)特定的數(shù)字電路功能。與專用集成電路（Application-Specific Integrated Circuit，ASIC）不同，F(xiàn)PGA具有靈活性和可重新配置性，使其適用于多種應(yīng)用領(lǐng)域。FPGA通常包含可編程邏輯單元、存儲(chǔ)元件以及全局和局部互連網(wǎng)絡(luò)[6]。

4.1.2 FPGA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的簡(jiǎn)介

FPGA實(shí)驗(yàn)通?；趯Ｓ玫腇PGA開發(fā)板或開發(fā)套件，提供了一個(gè)硬件平臺(tái)和相應(yīng)的開發(fā)工具。這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(hào)的FPGA芯片，如Xilinx的Artix、Kintex，或Altera（現(xiàn)在歸屬Intel）的Cyclone、Stratix等系列。

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

（3）時(shí)鐘和時(shí)序資源：FPGA實(shí)驗(yàn)需要精確的時(shí)鐘和時(shí)序管理，因此開發(fā)板通常提供了時(shí)鐘源和相應(yīng)的時(shí)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(shè)計(jì)、綜合、實(shí)現(xiàn)和調(diào)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(jí)編程語言（如C、C++）和OpenCL。

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

FPGA的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為學(xué)者和工程師提供了一個(gè)靈活、可配置的硬件平臺(tái)，用于實(shí)驗(yàn)和開發(fā)各種數(shù)字電路和信號(hào)處理應(yīng)用。

4.2 雷達(dá)雜波處理器的總體設(shè)計(jì)

雷達(dá)雜波處理器的總體設(shè)計(jì)旨在有效抑制雷達(dá)接收信號(hào)中的雜波干擾，提高目標(biāo)檢測(cè)性能。該處理器通常包括前端模塊、中頻處理模塊和后端數(shù)字信號(hào)處理模塊。前端模塊負(fù)責(zé)接收和放大雷達(dá)回波信號(hào)，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(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，同時(shí)采用自適應(yīng)濾波算法以動(dòng)態(tài)調(diào)整濾波器參數(shù)，適應(yīng)不同雜波環(huán)境。后端數(shù)字信號(hào)處理模塊利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，如小波變換或自適應(yīng)濾波算法，對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，以提取目標(biāo)信號(hào)并抑制雜波。整體設(shè)計(jì)注重性能優(yōu)化、實(shí)時(shí)性和可配置性，以適應(yīng)不同雷達(dá)系統(tǒng)的需求，并有效提高雷達(dá)系統(tǒng)在復(fù)雜雜波環(huán)境下的目標(biāo)檢測(cè)準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，合理選擇和優(yōu)化雜波處理技術(shù)對(duì)于提高雷達(dá)性能至關(guān)重要。通過對(duì)雷達(dá)雜波的深入理解和靈活應(yīng)用，可以更好地適應(yīng)不同環(huán)境下的雷達(dá)任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高效探測(cè)和跟蹤。

參考文獻(xiàn)

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