邱德厚

(中國電子科技集團公司第38研究所 合肥 230031)

1 引言

岸基對海監(jiān)視雷達是現(xiàn)代海岸與海上防御作戰(zhàn)系統(tǒng)的主要組成部分，是海戰(zhàn)場情報信息的重要來源，通常擔(dān)負(fù)海面及低空監(jiān)視，完成海面目標(biāo)搜索、跟蹤以及導(dǎo)航任務(wù)。岸基對海監(jiān)視雷達通常部署在海岸高山、海上海島以及海上平臺等，工作環(huán)境條件惡劣，面對固定海島雜波、運動海雜波、海上氣象雜波以及其他有源電磁干擾等，需要系統(tǒng)具有良好的對抗各種雜波干擾性能，實現(xiàn)海面及低空目標(biāo)檢測。新型岸基對海監(jiān)視雷達具備先進的技術(shù)體制，能夠進行?？漳繕?biāo)同時監(jiān)視，滿足?？找惑w戰(zhàn)需求;具有優(yōu)良的信號處理能力，實現(xiàn)強海雜波背景中有用目標(biāo)的檢測。本文主要論述分析了新型岸基對海監(jiān)視雷達海雜波特性以及海雜波抑制方法。

2 海雜波特性

面對海洋環(huán)境，岸基雷達接收機將接收到大量的雜波，有用目標(biāo)信號通常淹沒于各種雜波和熱噪聲背景中。為了實現(xiàn)對目標(biāo)的檢測、跟蹤與識別等處理，必須找到能夠有效把目標(biāo)信號和雜波區(qū)分開的特征量，即雜波特性分析。海雜波以其隨雷達極化方式、工作頻率、天線視角及海情、風(fēng)向和風(fēng)速等多個因素的變化而呈現(xiàn)明顯的非平穩(wěn)、非高斯性，掌握海雜波特性，建立準(zhǔn)確的海雜波模型，設(shè)計最優(yōu)檢測算法，實現(xiàn)海雜波背景中目標(biāo)檢測具有重要作用[1]。本章從海雜波反射特性與面雜波幅度分布特點兩方面分析了新型岸基對海監(jiān)視雷達的雜波分布情況。

2.1 反射特性分析

有效檢測出海面雜波背景中的目標(biāo)信號，取決于雷達回波信號強度與海雜波強度的比值大小，即信雜比SCR。雷達散射截面積σ表示目標(biāo)強度大小，而海雜波強度與雷達波束有效照射面積有關(guān)，相同有效照射面積情況下海雜波的大小又取決于海雜波后向散射系數(shù)σ0，其含義為單位面積的雷達散射截面積。海面受到雷達波照射后，除了產(chǎn)生各向散射波外，還產(chǎn)生鏡像反射波，這種反射波是形成雷達多路徑效應(yīng)的主要原因[2]。為描述海面或陸地反射雷達波的情況，定義了反射系數(shù)ρ，其含義為反射波與入射波的振幅之比。

2.1.1 后向散射系數(shù)

岸基雷達海雜波后向散射系數(shù)σ0隨著入射余角ψ的增大而增大，而入射余角ψ取決于雷達架設(shè)高度。后向反射系數(shù)表示如下:

式(1)中，σ0表示后向散射系數(shù)(dB);ρ表示反射系數(shù)(dB);ψ表示海面入射角度(°)。

圖1為設(shè)定一定雷達架設(shè)高度的情況下，不同波段岸基對海監(jiān)視雷達在不同距離處的海雜波后向散射系數(shù)情況。

圖1 不同入射余角海雜波后向散射系數(shù)

另外，不同頻段雷達海雜波后向散射系數(shù)σ0隨ψ變化又劃分為:近切向入射區(qū)、平直區(qū)和近垂直入射區(qū)。

在近切向入射區(qū)內(nèi)，σ0隨著ψ的增大以及雷達波長的減小而迅速增大。

在平直區(qū)內(nèi)，σ0隨著ψ的增大以及雷達波長的減小而較緩慢地增大;而水平同極化的σ0要比垂直同極化的σ0受雷達波長的影響要大。

上述兩個區(qū)內(nèi)，σ0隨海面粗糙度的增大而增大。

在近垂直入射區(qū)內(nèi)，σ0隨著ψ的增大以及雷達波長的減小而增加更為迅速;但σ0隨海面粗糙度的增大反而趨于減小;同時，σ0與雷達波長的關(guān)系不大。

2.1.2 反射系數(shù)

新型岸基對海監(jiān)視雷達工作在C波段，測量精度與分辨率高;數(shù)字波束形成，分區(qū)域、分能量覆蓋探測范圍;分布式有源陣列，通道瞬時動態(tài)大。由以上雷達技術(shù)特點，分析不同海情下該雷達海雜波幅度分布特點，海雜波反射系數(shù)

式(2)中，ρ表示反射系數(shù)(dB);KB表示海面蒲福風(fēng)級;ψ表示海面入射角度(°);λ表示雷達波長(m)。

在海上I、IV級海情情況，蒲福風(fēng)級KB=2、5，對應(yīng)兩種海態(tài)下的海雜波反射系數(shù)如圖2所示。

圖2 不同海情海雜波反射系數(shù)

2.2 幅度分布特點

海雜波幅度分布的典型模型有瑞利分布(Rayleigh)、對數(shù)正態(tài)分布(Lognormal)、韋布爾分布(Weibull)、K分布、α穩(wěn)定分布等，通過更準(zhǔn)確地模擬海雜波的分布可以更好提高目標(biāo)檢測精度。

新型岸基對海監(jiān)視雷達發(fā)射單筆形波束，接收3個對海筆形波束，降低了雜波單元反射面積，提高了信雜比水平，三個接收波束雜波分布情況如圖3所示。

圖3 不同接收波束雜波幅度分布特點

從不同指向接收波束回波分布可以看出:近距離大入射角時，海雜波后向反射率變化劇烈，高波束雜波相比低波束雜波較大;遠(yuǎn)距離小入射角，海雜波后向反射率變化相對平緩，高波束雜波相比低波束雜波很大。根據(jù)不同波束分布特性，綜合考慮對海探測時雷達陣地，選擇合適的波束回波輸出。

3 海雜波抑制方法

3.1 自適應(yīng)門限設(shè)置

海面上艦船目標(biāo)通常具有較大RCS，海面上艦船目標(biāo)的檢測又受到通視距離的限制，在準(zhǔn)最佳的得、失比較中通常的方法是利用提高檢測門限來改善海雜波中目標(biāo)的檢測效果[3]。根據(jù)海浪雜波強度在距離上的分布特點，結(jié)合海域探測區(qū)的設(shè)置，由近及遠(yuǎn)按距離段由高到低自適應(yīng)調(diào)整檢測門限，既可壓制近距離海雜波強度，又不影響通視條件下的遠(yuǎn)距離海上目標(biāo)的檢測。距離上的自適應(yīng)輸出門限設(shè)置，使時域雜波分布得到平滑，單元平均選大輸出信號損失小。

另外，海雜波功率可能會隨距離的變化有非常大的起伏，這些起伏是由一些距離單元上的海面艦船目標(biāo)或礁石附近海面的異常變化導(dǎo)致，并不反映常態(tài)海雜波的功率隨距離的分布情況。

新型岸基對海監(jiān)視雷達抑制時域海雜波分布分析如下:假如海雜波時域分布如圖4所示，在雷達回波時域尚存在一個小目標(biāo)信號和一個大目標(biāo)信號，自適應(yīng)分段門限控制視頻回波輸出，得到圖5回波平滑后過門限信號輸出。圖5中上圖為對數(shù)回波輸出及分段門限設(shè)置，下圖為信號與噪聲差值及過門限輸出。

圖4 對數(shù)正態(tài)雜波分布

圖5 過門限回波輸出

3.2 脈間頻率捷變

由于海面風(fēng)速的影響，海雜波包括快起伏與慢起伏兩個部分，頻域處理難以區(qū)分海面慢動目標(biāo)與海雜波，新型岸基對海監(jiān)視雷達利用工作頻帶寬特點，采用脈間頻率捷變實現(xiàn)快起伏海雜波去相關(guān)(即噪聲化)，去相關(guān)后的回波脈沖非相參視頻處理，提高回波信噪比，實現(xiàn)有用目標(biāo)的檢測。

脈間頻率捷變較固定頻率帶來的得益如下，假設(shè)海面“白帽雜波”(快起伏強相關(guān)海雜波)相關(guān)時間 τc=6ms。

一個水平波束寬度內(nèi)回波脈沖數(shù):

式(3)中Fr表示脈沖重復(fù)頻率;Td表示波束駐留時間。

如果脈間固定載頻時，等效的相互獨立脈沖數(shù):

則脈間固定頻率時的積累增益:式(5)中L(N1)為積累損失:L(N1)=D0(N1)×N1/D0(1)，D0(1)表示單脈沖信噪比。

如果脈間頻率捷變時，等效的相互獨立脈沖數(shù):

則脈間頻率捷變時的積累增益:

式(7)中L(N2)為積累損失，L(N2)=D0(N2)×N2/D0(1);D0(1)表示單脈沖檢測信噪比。

3.3 寬帶信號檢測

對海探測時，面分布海雜波反射強度取決于后向反射面積σC。海雜波空間后向反射面積σC與雷達天線波束有效照射面積成正比，即由雷達水平波束寬度θh、作用距離R、距離分辨單元τ以及天線波束擦地角 φ決定。具體如公式:σC=σ0RθhCτsec(φ)/2，σ0為海雜波后向反射率。

寬帶信號檢測能夠大大增強對海尖峰雜波中的小目標(biāo)檢測能力。

3.4 非相參視頻積累

新型岸基對海監(jiān)視雷達脈間頻率捷變工作實現(xiàn)快起伏海雜波去相關(guān)，脈沖間回波信號不具有相參性，通過脈間非相參積累提高系統(tǒng)信噪比，滿足海雜波背景中目標(biāo)檢測需要[4]。非相參積累圖示如6所示。

圖6 五脈沖非相參積累

在不同載頻脈沖回波第51至60個距離單元，第540至550距離單元分別存在兩個大小目標(biāo)回波信號，背景為高斯噪聲背景，固定直線表示檢測門限。圖6中前5個脈沖信號為不同載頻單脈沖回波，第6個脈沖為5脈沖非相參積累信號。

從上圖可以看出，積累前單脈沖信號幅度具有起伏性，只有高于檢測門限的幅度較大的輸出才能被檢測到，因此相鄰脈沖輸出有的能被檢測到，有的不能被檢測到，目標(biāo)回波在終端顯示會明暗變化劇烈。非相參積累后的目標(biāo)信號幅度與隨機噪聲電平均得到平滑，信噪比會有所提高，有利于有用目標(biāo)信號的檢測輸出。

3.5 海面目標(biāo)跟蹤

海通道回波檢測后通常會存在較多虛警，同時由于目標(biāo)運動速度較慢，因此要求終端數(shù)據(jù)處理具有很強的數(shù)據(jù)相關(guān)處理與跟蹤濾波能力，提高對靜態(tài)存在目標(biāo)的跟蹤判斷能力，保證輸出情報信息完整性。

3.5.1 Hough變換法進行海面目標(biāo)跟蹤起始

基于海雜波特性和艦船目標(biāo)的運動特性，擬采用Hough變換進行目標(biāo)自動起始驗證。

Hough變換法是通過式(8)將笛卡兒坐標(biāo)系中的的觀測數(shù)據(jù)(x，y)變換到參數(shù)空間(ρ，θ)，

其中 θ∈[0，180°]，對于一條直線上的點(xi，yi)，必有兩個唯一的參數(shù)ρ0和θ0滿足:

由公式(9)可知，數(shù)據(jù)空間的一點經(jīng)Hough變換后在參數(shù)空間上形成一條曲線。參數(shù)空間上的每一點唯一對應(yīng)數(shù)據(jù)空間上的一條直線，數(shù)據(jù)空間的同一條直線上的點在參數(shù)空間應(yīng)該交于一點。通過檢測該交點即可確定數(shù)據(jù)空間的直線，這就是Hough變換的原理。圖7給出了Hough變換的示意圖。

將雷達的時間－距離平面(r，t)視為數(shù)據(jù)空間，其相應(yīng)數(shù)值為雷達回波能量，運用Hough變換即可實現(xiàn)對目標(biāo)的檢測。實際檢測結(jié)構(gòu)中，為了便于數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)空間和參數(shù)空間分別離散化，形成一個個方格(單元)，每個方格的中心點為

圖7 Hough變換示意圖

式中 δθ= π/Nθ，Nθ為參數(shù) θ的分割段數(shù);δρ=L/Nρ，Nρ為參數(shù)ρ的分割段數(shù)，L為雷達測量范圍的兩倍?；贖ough變換的檢測過程如下:首先將點跡數(shù)據(jù)經(jīng)Hough變換轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間;然后，對參數(shù)空間的每個方格累加通過的每一條曲線的數(shù)值(即對回波信號進行非相干積累)，并與在參數(shù)空間上設(shè)置的門限進行比較，積累能量超過第二門限的方格被認(rèn)為是檢測點，即認(rèn)為檢測到了信號;最后，通過逆Hough變換，參數(shù)空間的檢測點被映射回數(shù)據(jù)空間，形成時間－距離平面的目標(biāo)航跡，即可實現(xiàn)對目標(biāo)的檢測起始。當(dāng)存在雜波時，通過第一門限的雜波與目標(biāo)信號一起經(jīng)Hough變換轉(zhuǎn)換到參數(shù)空間。由于雜波是隨機的，而目標(biāo)信號具有很強的相關(guān)性，因此，目標(biāo)信號對應(yīng)的Hough單元的積累值以高概率高于其它單元。綜上所述，因為充分利用了信號與雜波具有不同統(tǒng)計特性的特點，故基于Hough變換的信號檢測可以從強雜波環(huán)境中檢測出目標(biāo)。

3.5.2 目標(biāo)停航與啟航處理

海面目標(biāo)與空中目標(biāo)不同，海面目標(biāo)在航行的過程中隨時可以停止行駛并停泊在原地一段時間后重新啟航行駛。數(shù)據(jù)處理軟件需要對海面目標(biāo)進行停航判斷，主要是根據(jù)目標(biāo)的航跡跟蹤質(zhì)量、目標(biāo)運行速度進行判斷;當(dāng)判斷目標(biāo)為停泊狀態(tài)后，需要保留航跡批號，進行固定點跟蹤，并判斷是否進行啟航處理。

3.5.3 軟件雜波圖處理

對海監(jiān)視雷達探測目標(biāo)時，為保證對海面以及海雜波背景中小目標(biāo)的檢測性能，雷達信號處理往往降低目標(biāo)檢測輸出門限，這樣會大量增加畫面虛警率，不利于目標(biāo)的觀測與跟蹤處理。雷達數(shù)據(jù)處理終端設(shè)計軟件雜波圖對區(qū)域性密集分布的復(fù)雜類型雜波進行相關(guān)處理，達到控制虛警與提高目標(biāo)檢測跟蹤性能。首先將雷達作用空域在方位、距離上按一定間隔等分成許多空間小區(qū)域，采用計算點跡密度的方法來確定哪些空間小區(qū)域?qū)儆陔s波密集區(qū)域。將相鄰的雜波密集區(qū)合并，得到空間雜波密集區(qū)域。對雜波密集區(qū)域內(nèi)的點跡進行幅度門限檢測。這種雜波圖方式與信號處理處的功能類似，但是基于的數(shù)據(jù)樣本不同，參考國外同類型雷達，例如法國的STER雷達，其采用對目標(biāo)回波進行打分的方式進行雜波剔除。打分越高的認(rèn)為是目標(biāo)回波，優(yōu)先采信，而打分越低的認(rèn)為是雜波，予與剔除。

4 結(jié)束語

新型岸基對海監(jiān)視雷達能夠同時實現(xiàn)海面艦船目標(biāo)的兩維定位與空中目標(biāo)的三維定位，具有較強的空海一體戰(zhàn)能力，根據(jù)該雷達戰(zhàn)技特點應(yīng)用相應(yīng)的海雜波抑制方法，更好的滿足未來海戰(zhàn)場情報信息獲取的需要。

[1]歐陽文，何友，靳煜.基于統(tǒng)計模型的時－空相關(guān)海雜波仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2006，18(2):467－471.

[2]姚云萍，段昶，方慶.一種船用雷達的海雜波抑制算法[J].火控雷達技術(shù)，2011，40(03):32－36.

[3]吳三元，邱新軍，馬來群.海面RCS與雷達海上目標(biāo)檢測[J].火控雷達技術(shù)，2008，37(2):51－53.

[4]李宗武.直升機機載雷達抗海雜波技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達，2000，22(1):10 －14.