關(guān)堂新

（海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室，合肥 230088）

1 雜波特性分析

海雜波處理的難點(diǎn)在于其信號(hào)變化快，具有很大的隨機(jī)性，處理起來(lái)難度較大。首先，海雜波與海域相關(guān)，有些海域雜波小，而另一海域雜波明顯強(qiáng)；其次，海雜波與氣象相關(guān)。同一個(gè)地方，不同的季節(jié)，甚至是同一天的不同時(shí)間，海雜波也不相同。人們對(duì)海雜波進(jìn)行了大量的研究與測(cè)量，得出如下結(jié)論，對(duì)海雜波影響最大的因素是風(fēng)。對(duì)于海雜波影響的另一個(gè)因素是頻率，頻率較低的雷達(dá)，如米波雷達(dá)，由于其波長(zhǎng)長(zhǎng)，海表面近似為平面，后向雜波效應(yīng)不明顯，雜波強(qiáng)度弱；對(duì)于頻率較高的微波雷達(dá)，由于波長(zhǎng)短，海雜波的影響是不能忽視的［1］。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］，海雜波與頻率、風(fēng)力、風(fēng)速、分辨單元、極化方式、入射余角、溫度等均有關(guān)系。在以上諸因素中，頻率的影響最大，如米波雷達(dá)的雜波強(qiáng)度很小，微波雷達(dá)的雜波影響很大。除去頻率以外，最主要的影響因素是風(fēng)。

從時(shí)域上看，海雜波呈現(xiàn)各種各樣的分布，其表現(xiàn)為與距離分辨單元的尺寸有關(guān)，對(duì)于大的距離分辨單元，海雜波在距離上是分布式的；隨著距離分辨單元的減小，海雜波表現(xiàn)得越來(lái)越孤立，類(lèi)似于目標(biāo)時(shí)變的一系列回波。特別是在小入射角時(shí)，海雜波表現(xiàn)為海浪尖峰。根據(jù)《雷達(dá)手冊(cè)》的描述，海雜波在小入射角時(shí)，水平極化X波段表現(xiàn)情況如圖1所示。

對(duì)于地面雷達(dá)而言，均為小入射角情況。風(fēng)速越大，尖峰數(shù)量越多，出現(xiàn)的海尖峰數(shù)量與風(fēng)速的次冪成正比；風(fēng)速越大，海尖峰的幅度越大。在微波段，中等風(fēng)與弱風(fēng)條件下，兩者幅度相差約40dB。從圖1可以看出，雜波呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性，在時(shí)域上很難處理。雖然相關(guān)文獻(xiàn)將雜波分成各種各樣的分布進(jìn)行處理，但效果并不好。我們可以從雜波的成因上考慮問(wèn)題。雜波的主要影響因素是風(fēng)。風(fēng)的特性主要有風(fēng)速、風(fēng)向等。風(fēng)速、風(fēng)向等的主要影響是雜波的頻譜。因此，對(duì)海雜波的處理可以考慮采用頻域處理的方式。

圖1 X波段雜波尖峰示意圖

2 風(fēng)對(duì)海雜波頻域特性的影響

2.1 海雜波中心速度估算

海雜波固有中心速度：

海雜波受風(fēng)力的影響而改變，在風(fēng)力的作用下，海面上各個(gè)散射體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使接收到的海雜波功率譜存在多普勒頻移。

根據(jù)文獻(xiàn)［2］中的模型，海雜波的頻域特性與風(fēng)速關(guān)系分析如下（假定雷達(dá)工作于S波段）：

按雷達(dá)在四級(jí)海情工作的要求進(jìn)行分析。四級(jí)海情工作時(shí)，風(fēng)速為8.2m／s，浪高0.4m。海雜波

式中：Vw為風(fēng)束；αw為風(fēng)速與波束指向夾角。

式（1）說(shuō)明在風(fēng)速方向海雜波存在一個(gè)平均速度。

海雜波中心合成速度（包括海雜波固有速度和平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度）：

式中：αp為平臺(tái)與波束方向夾角；Vp為平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度，取15m／s時(shí)，當(dāng)風(fēng)速與平臺(tái)運(yùn)行速度一致時(shí)，雜波速度最大。

式（2）、（3）說(shuō)明：由于風(fēng)力及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，海雜波的中心速度發(fā)生了一定的變化（對(duì)于地面雷達(dá)，可不考慮平臺(tái)影響），如圖2所示。

圖2 中心風(fēng)速隨天線掃描變化圖

對(duì)應(yīng)的海雜波中心頻率為-300～300Hz（S波段）。

2.2 海雜波速度譜寬估算

海雜波固有寬度為（由于海浪運(yùn)動(dòng)造成）：

天線掃描展寬為：

式中：θa為半波束寬度；ωs為掃描速度；λ為波長(zhǎng)。

跨波束展寬（由于平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和海浪運(yùn)動(dòng)帶來(lái)）：

雜波總展寬為：

假定天線轉(zhuǎn)速為10r／min，得到如圖3所示雜波速度寬度。

圖3 雜波寬度隨天線掃描變化圖

對(duì)應(yīng)的雜波頻譜寬度為：

除去以上影響雜波中心頻率因素以外，還有如下影響雷達(dá)頻譜的因素［3］：海況級(jí)數(shù)較低時(shí)，譜是高斯型的，平靜海面的譜形狀則接近雙指數(shù)下降型；風(fēng)速增大，白浪增多時(shí)，譜寬增加且不對(duì)稱(chēng)，頂風(fēng)和順風(fēng)比側(cè)風(fēng)的譜寬。

由于雷達(dá)雜波的譜中心和譜寬是變化的，這種影響也不容忽視。因此，為了更好地進(jìn)行海雜波下目標(biāo)檢測(cè)，應(yīng)采取自適應(yīng)方法。在處理時(shí)，可以自適應(yīng)地計(jì)算出雜波譜中心和雜波譜寬，并對(duì)雜波中心進(jìn)行頻譜搬移，將頻譜搬至零通道處，通過(guò)自適應(yīng)頻域?yàn)V波器將雜波消除。

3 海雜波模型及雜波處理對(duì)策

現(xiàn)代雷達(dá)中最為常用的是一維陣列雷達(dá)，其回波信號(hào)形式如圖4所示。

圖中假定目標(biāo)的仰角為θi，則某一時(shí)刻回波模型為（對(duì)于各個(gè)孤立的分辨單元而言，雜波回波亦可適用）：

圖4 目標(biāo)回波示意圖

式中：ω0為信號(hào)載波頻率；d為陣元間距；θi為目標(biāo)仰角；ωd為雷達(dá)載波頻率；Ti為脈沖重復(fù)間隔。

如果考慮到目標(biāo)回波將會(huì)在多個(gè)脈沖重復(fù)間隔中出現(xiàn)，并考慮雷達(dá)回波的多個(gè)快拍，則雷達(dá)信號(hào)包含空間、時(shí)間、頻率3個(gè)域的綜合信息。因此，1個(gè)CPI的目標(biāo)回波信號(hào)（含M個(gè)脈沖，第i個(gè)脈沖含L個(gè)距離單元）可寫(xiě)成如下形式［4］：

式中：STi為多普勒信號(hào)（慢時(shí)間信號(hào)）；ωd為多普勒頻率；St為時(shí)域信號(hào)（快時(shí)間信號(hào)）；ω0為載頻；Ssp為空間信號(hào)；ωi為空間頻率；?為克羅奈克積。

其中空域信號(hào)可以表示為：

通過(guò)空域信號(hào)調(diào)整，使波束向上抬升，可以減少海雜波強(qiáng)度，但這種方法是以犧牲小目標(biāo)的檢測(cè)為代價(jià)的。為了更好地進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，應(yīng)從頻域處理出發(fā)。頻域信號(hào)（慢時(shí)間信號(hào)）具有更為精細(xì)的多譜勒處理能力。頻域信號(hào)如下所示：

式中：ts為采樣間隔。

該式中往往包含復(fù)雜的信號(hào)形式，如脈沖壓縮、脈沖編碼等。對(duì)于海雜波而言，回波是一個(gè)面目標(biāo)，因此，人們一般試圖將分辨單元減少，實(shí)現(xiàn)減少海雜波影響。

雜波及干擾在3個(gè)域內(nèi)與目標(biāo)完全相關(guān)的機(jī)率極小，因此，可以綜合以上3個(gè)域的處理，將目標(biāo)檢測(cè)出來(lái)。利用陣列信息的處理方式稱(chēng)為空域處理；利用Ti的處理方式為頻域處理（也稱(chēng)慢時(shí)間處理，機(jī)載雷達(dá)往往利用空時(shí)兩維處理）；利用t信息進(jìn)行的處理為時(shí)域處理（含脈壓、恒虛警率（CFAR）等）。最有效的是頻域處理，在頻域上，采用自適應(yīng)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）或自適應(yīng)脈沖多普勒（PD）的辦法將雜波加以消除，將目標(biāo)快速檢測(cè)出來(lái)。對(duì)于慢速或靜止目標(biāo)可以利用時(shí)域信息——雜波的相關(guān)時(shí)間小于目標(biāo)的相關(guān)時(shí)間，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間積累，達(dá)到目標(biāo)檢測(cè)的能力。

4 頻域去雜波算法

雖然雜波的變化看似無(wú)規(guī)律，但其頻譜寬度及頻率中心的變化還是需要時(shí)間的?？梢哉J(rèn)為，在極短的時(shí)間內(nèi)（一個(gè)CPI）其頻率特征不變或緩變。這里說(shuō)的頻率特征是雜波的頻譜形式、雜波的中心頻率和譜寬等。自適應(yīng)雜波濾除即基于這個(gè)前提。

以地面雷達(dá)為例，頻域雜波濾除流程為：

（1）在常規(guī)雷達(dá)濾波器上并聯(lián)上一個(gè)自適應(yīng)處理通道，對(duì)雜波特征進(jìn)行估計(jì)；

（2）通過(guò)對(duì)雷達(dá)雜波進(jìn)行頻譜估計(jì)，計(jì)算出雜波的頻率中心和譜寬等參數(shù)；

（3）根據(jù)得到的頻率中心和譜寬自動(dòng)調(diào)整濾波器參數(shù)，使其頻譜響應(yīng)零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)雜波中心，并將零深寬度調(diào)整到與雜波譜寬一致的水平，對(duì)雷達(dá)回波進(jìn)行濾波。

自適應(yīng)濾波器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 頻域去雜波性能分析方法

根據(jù)上述方法進(jìn)行仿真分析，雜波頻譜中心假定為0m／s（頻率中心并不一定是零速，這里設(shè)為0，便于簡(jiǎn)化處理），雜波譜寬假定是1.5m／s，雷達(dá)工作波長(zhǎng)0.1m，濾波器采用MTD濾波方式，雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率為1 000Hz，對(duì)于頻道為-125Hz的濾波器，響應(yīng)如圖6（對(duì)于±45Hz、0以外的濾波器響應(yīng)類(lèi)似，±45Hz、0Hz以?xún)?nèi)的濾波器不置零點(diǎn)）。

圖6 頻域處理方法仿真結(jié)果

上述處理方法中的副瓣并不高，但零深很深，可以將雜波消除干凈，因此具有很強(qiáng)的工程實(shí)用性。

雜波處理對(duì)于岸對(duì)海及艦載雷達(dá)而言，具備至關(guān)重要的作用。雜波雖在時(shí)域上表現(xiàn)為隨機(jī)性，但在頻域上的特征是可把握的，因此，可以通過(guò)濾波的方式將雜波濾除。對(duì)處于0通道（或雜波中心）處的目標(biāo)，頻域處理方法的檢測(cè)性能將會(huì)下降。

自適應(yīng)雜波濾除的方法應(yīng)結(jié)合雷達(dá)的參數(shù)設(shè)計(jì)，減少雜波的影響：（1）盡量提高雷達(dá)工作頻率，提高工作頻率不僅可以降低雜波帶寬，而且可以減少雜波反射率，進(jìn)一步減少雜波影響；（2）盡可能提高雷達(dá)的重復(fù)頻率，重頻越高雜波所占帶寬越小，雜波干凈區(qū)域大，但高重頻會(huì)帶來(lái)距離模糊，需要采取解模糊措施，因此，重頻的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上兩方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)可保證自適應(yīng)雜波濾除算法優(yōu)勢(shì)得到最為充分的發(fā)揮。

5 結(jié)束語(yǔ)

自適應(yīng)頻域雜波濾除，對(duì)于速度較快的目標(biāo)的檢測(cè)性能較好。對(duì)于慢速及靜止目標(biāo)而言，其頻譜與雜波相似，很難在頻域上分開(kāi)。可以利用慢速與靜止目標(biāo)的相關(guān)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，考慮采用長(zhǎng)時(shí)間積累的辦法將目標(biāo)的信雜比提高，以達(dá)到檢測(cè)目標(biāo)的目的。

［1］ Skolnik Merril I.雷達(dá)手冊(cè)［M］.南京電子研究所譯.第3版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［2］ Barton David K.Radar System Analysis and Modelling［M］.Norwood：Artech House Inc，2005.

［3］ 朗 M W（美）.陸地和海面的雷達(dá)波散射特性［M］.薛德鏞譯.北京：科學(xué)出版社，1981.

［4］ Richards Mark A.雷達(dá)信號(hào)處理基礎(chǔ)［M］.邢孟道，王彤，李真芳，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2008.