劉　宇　呂曉德　楊鵬程②

①（中國科學院電子學研究所 北京 100190）

②（中國科學院大學 北京 100049）

一種無源雷達頻域擴展相消批處理雜波對消算法

劉宇*①②呂曉德①楊鵬程①②

①（中國科學院電子學研究所 北京 100190）

②（中國科學院大學 北京 100049）

無源雷達面臨著嚴重的直達波和多徑雜波的干擾問題，擴展相消批處理算法（ECA-B）是一種有效的雜波抑制算法，但是隨著信號帶寬的增加，結合計算效率的考慮，需要更多的分段數來對消更多距離單元的雜波，從而使得對消距離單元內的低速目標的削弱和調制問題加劇。針對這個問題該文提出了一種將參考信號與回波信號在頻域進行ECA-B處理的方法。該方法不僅可以降低計算量，還可以避免由于分段數過多引起的目標的損失和調制。仿真和實測數據處理結果驗證了該文所提方法的正確性和有效性。

無源雷達；雜波對消；頻域ECA-B

引用格式：劉宇，呂曉德，楊鵬程.一種無源雷達頻域擴展相消批處理雜波對消算法［J］.雷達學報，2016，5（3）：293-301.DOI：10.12000/JR15098.

Reference format：Liu Yu，Lv Xiaode，and Yang Pengcheng.Batch version of extensive cancellation algorithm for clutter mitigation in frequency domain of passive radar［J］.Journal of Radars，2016，5（3）：293-301.DOI：10.12000/JR15098.

1　引言

無源雷達是一種本身不發(fā)射電磁波，利用廣播、電視等信號作為輻射源的被動雷達系統(tǒng)，具有無輻射、反隱身、抗摧毀能力強、研制和維護成本低、設備體積小、機動性強等諸多優(yōu)勢，是國內外研究的熱點［1-5］。無源雷達研究的核心問題是在強干擾中檢測弱目標，雜波抑制是無源雷達需要解決的關鍵技術之一，現(xiàn)有的方法都是在時域進行的［6-10］。文獻［11］提出了擴展相消批處理算法（ECA-B），該算法通過分塊最小二乘（LS）處理降低了雜波子空間的維數，并在多普勒維加寬了零陷寬度。

隨著數字化技術的發(fā)展，具有更穩(wěn)定頻率特性和更優(yōu)良抗干擾能力的數字調制信號正逐步取代傳統(tǒng)的模擬信號，其大帶寬能夠提高系統(tǒng)的分辨率，提高目標的定位精度。然而信號帶寬的增大將導致回波信號信噪比進一步降低，對消階數增加，數據率急劇增大。以DTTB信號為例，1 s時間的數據信號長度8×106，每個數據占8 B（double型），假設我們對消1000距離單元雜波，分段數為m，根據文獻［11］中的公式，每一段至少需要60/m GB的內存來構造一個1000行、8×106/m 列的矩陣，復乘次數為8×1012/m+107，這時就需要分更多的段來減小存儲空間和提高處理效率。

ECA-B算法對數據進行分段處理，多普勒分辨率降低，會在對消距離單元的多普勒方向產生一個零陷凹槽，而且分段數越大，凹槽越寬，凹槽深度越深。凹槽會消弱對消單元的低速目標的信噪比，隨著分段數的增加，低速目標受到的影響越大，甚至會影響到高速目標的檢測，這成為限制分段數的一個重要因素。同樣以DTTB信號為例，假設分段數為400時，會對300多普勒單元（徑向速度約為 240 km/h）內的目標產生影響。針對這個問題，還沒有公開文獻提出解決方法。

文獻［12］提出，采用LS算法處理每塊監(jiān)測信號，由于該算法會抑制相消距離元內信號的零頻分量，當分段數過大或者不合適時，會對目標產生調制作用，產生虛警，影響目標檢測。同樣分段數越大，越高速的目標受到調制。文章中提出了相應的補償算法，但是需要真實目標的先驗知識。

針對上述問題，本文提出一種頻域ECA-B算法，將參考信號與回波信號利用傅里葉變換到頻域進行對消。本文方法特點是通過時頻轉換將凹槽展寬到距離方向，利用凹槽進行雜波對消。本文方法不僅避免了由于多普勒方向的凹槽對目標的消弱，而且間隔地選擇距離單元參數也大大降低了處理的運算量。該方法只會在零多普勒方向產生調制作用，不會影響動目標檢測。文章先簡單介紹了ECA-B算法，然后介紹了頻域ECA-B算法的基本原理，并用仿真來確定參數選擇，最后用仿真和實測數據驗證了該方法的有效性。

2　頻域ECA-B算法

2.1ECA-B算法介紹

ECA算法就是利用最小二乘（LS）估計出多徑雜波信號，然后從回波信號中減去雜波信號，從而去除雜波旁瓣的影響，凸顯出目標。ECA-B算法是為了提高計算效率提出的一種分塊的ECA算法。ECA-B算法的原理如圖1所示，其中N為數據長度，NB為每段的長度，i=0，1，...，b-1為分段數，R為對消的距離單元，第i段參考、回波信號表達式：

圖1　ECA-B算法框圖Fig.1 Sketch of ECA-B approach

第i段的處理結果：

2.2頻域ECA-B算法原理

對于零多普勒的多徑雜波f1=0，則上述公式變?yōu)椋?/p>

圖2　頻域ECA-B實現(xiàn)框圖Fig.2 Sketch of ECA-B approach

頻域ECA-B方法雖然多了FFT與IFFT這兩個步驟，但是該方法會帶來以下優(yōu)點：

（1）我們將原來的多普勒方向的凹槽展寬利用到距離方向，這樣在距離方向就不需要逐個距離單元的對消，而是可以每隔一定的距離單元對消一個單元，這樣就可以極大地減小子空間維數，減小計算量。

（2）該方法不僅避免了由于多普勒方向的凹槽展寬對對消單元內的低速目標的消弱，而且還會對零多普勒的更遠的距離單元的雜波產生一定的抑制作用。

（3）ECA-B算法由于分段不合適，會在多普勒方向對目標和雜波產生調制，從而出現(xiàn)虛警，而本文方法只會在零多普勒的距離方向產生調制，對于動目標檢測不會帶來影響。

2.3參數選擇

ECA-B算法分段由于多普勒分辨率下降會導致多普勒方向的零陷凹槽，隨著分段數的增多凹槽寬度越寬。本文方法的優(yōu)勢是利用凹槽進行對消，分段數可以根據硬件的性能（如線程數、內存等）盡可能地選擇大一些，而主要的參數是單元間隔的選擇。下面利用仿真分析了分段數與凹槽之間的關系，相鄰凹槽的相互影響，以便選擇一個理想的參數。

圖3　不同分段數凹槽情況Fig.3 Flute situations with different number of segments

為了只是觀察凹槽情況，我們完全隨機地生成了兩個噪聲信號分別作為參考信號和回波信號，對其進行ECA-B算法處理，仿真結果如圖3所示。從圖3（a）中可以看出分段數越大，凹槽展寬越寬，距離中心處越近，凹槽越深；選取不同的段數得到的凹槽寬度畫成一條曲線，如圖3（b）中的藍線所示，曲線比較接近y=3b/2，也就是說當分段數為b時，會對左右3b/4的單元產生影響。

為了確定間隔數的選取，做了以下仿真：參考通道數據為長度為105的高斯白噪聲，回波通道數據在參考的基礎上加入了0-200距離單元的多徑雜波和一個弱目標，以目標的信噪比做為評判對消結果的依據，利用本文方法進行對消，分段數200，仿真結果如圖4所示。圖4（a）和圖4（b）分別為對消前情景設置和目標理想結果；圖4（c）為不同間隔下的目標的信噪比曲線，通過曲線可以發(fā)現(xiàn)，當間隔取50時，基本就可以達到理想的對消結果；圖4（d）為間隔為50的3D結果，和圖4（b）基本一致。

圖4　不同間隔的仿真結果Fig.4 Simulation results with different intervals

表1　復乘次數對比Tab.1 Complex products comparison

綜上所述，在進行頻域ECA-B處理時，根據數據長度和對消階數確定分段數，兆級數據一般以2048或4096最佳，從對消單元的兩端以分段數的1/4等間隔地選取參數，就可以達到理想的對消結果，實測數據雜波較強或者較復雜時，可適當減小間隔。

3　仿真及實測數據處理

3.1仿真數據處理

對本文方法進行了仿真驗證，仿真中參考通道數據為長度為 105的高斯白噪聲，回波通道數據在參考的基礎上加入了0-100距離單元的多徑雜波，加入了兩個近距離單元的強目標，兩個遠距離單元的弱目標，目標參數設置如表2所示。仿真情景如圖5（a）所示，仿真時加入40 dB噪聲，對消前模糊函數如圖5（b），圖5（c）所示，由于直達波和雜波的加入，底噪被抬高20 dB，目標被淹沒。理想目標與噪聲情況如圖5（d）所示，用于結果的對比。

圖5　對消前參數設置Fig.5 Sketch of reference scenario before cancellation

表2　目標參數設置Tab.2 Target parameters

然后分別用20段和100段的ECA-B和頻域ECA-B方法進行處理，結果如圖6所示：分段20時，ECA-B方法對消單元中的低多普勒目標被削弱（如圖6（a）中（50，10）單元的目標），而且這個目標由于調制產生了虛警（如圖6（b）所示）；100段時ECA-B方法（50，10）單元的強目標已經被削弱到底噪以下（如圖6（e）所示），由于分段數過多導致（50，150）處的目標產生了虛警（如圖6（f）所示）；而本文方法都達到了理想的效果（如圖6（c），圖6（d），圖6（g），圖6（h）所示）。

3.2實測數據處理

測試系統(tǒng)采用密云臺信號，信號形式為cmmb信號，中心頻率530 MHz，采樣率10 MHz，帶寬7.512 MHz，對消單元2000，分段數2000，處理結果如圖7所示。其中圖7（a）為對消前模糊函數，遠距離單元底噪209 dB，目標都被淹沒在其中；圖7（b）為頻域ECA-B算法處理后的模糊平面圖，底噪降低了約30 dB，目標可以凸顯出來，其中1000-1500距離單元的矩形框是特殊場景引起的，并不是處理所帶來的結果；圖7（c）是零多普勒切面圖，紫色（ECA-B）雖然挖得最深，但是對于遠距離單元的底噪降低并沒有更顯著的效果，綠色（頻域ECA-B）不僅對消了0-2000的雜波，也由于其凹槽影響對消了2000-3000單元的雜波；圖7（d）為兩種對消方法復乘次數的比較圖，利用本文方法可以將計算量降低2-3個數量級；圖7（e），圖7（f）分別為兩種方法0-2000距離單元的模糊平面，可以發(fā)現(xiàn)由于凹槽的影響，ECA-B方法在2000單元內的目標和雜波都被對消掉了，而頻域ECA-B方法的目標都凸顯出來；圖7（g），圖7（h）分別為兩種方法2000-4000距離單元的多普勒幅度圖，通過對比可以發(fā)現(xiàn)頻域ECA-B方法不僅找到了目標，還由于其凹槽對2136單元雜波的影響，避免了（2136，±212）處的虛警；圖7（i），圖7（j）為兩種方法最遠目標（約105 km）的3維圖。通過以上對比結果，頻域ECA-B是一種可行、高效的雜波對消方法。

圖6　仿真結果Fig.6 Simulation results

圖7　實測數據處理結果Fig.7 Real-time results

4　結論

本文針對信號帶寬變大所帶來的分段數增大，低速單元目標損失增大，調制加劇的問題，提出了一種頻域ECA-B算法，闡述了頻域ECA-B算法的原理，并用仿真和實測數據驗證了該方法的有效性，不僅降低了計算量，而且還解決了低速目標的損失和調制問題，是一種實時高效的雜波對消方法，還可以為運動平臺無源雷達雜波對消提供指導。

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劉 宇（1990-），男，籍貫河北，中國科學院電子學研究所，碩士，主要研究方向為無源雷達動目標檢測。

E-mail：liuyu13@mails.ucas.ac.cn

呂曉德（1969-），男，研究員，研究方向為陣列天線、先進雷達新體制、新技術。

E-mail：Louee@mail.ie.ac.cn

楊鵬程（1990-），男，中國科學院電子學研究所，博士，主要研究方向為無源雷達信號處理。

Batch Version of Extensive Cancellation Algorithm for Clutter Mitigation in Frequency Domain of Passive Radar

Liu Yu①②Lv Xiaode①Yang Pengcheng①②

①（Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

②（University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Passive radar experiences a significant problem called multipath clutter.The Batch version of the Extensive Cancellation Algorithm（ECA-B）is an efficient method for clutter mitigation.With the increase in signal bandwidth，a greater number of segments is required to cancel the clutter across the entire frequency range.This affects the processing rate，detrimentally weakening and modulating the signal from low-speed targets.Thus，this paper proposes a method that uses ECA-B to process both reference and echo signals in the frequency domain.This method not only reduces the amount of calculation required but also avoids weakening and modulating the target signal，which is spread across many segments.The simulated and experimental data results confirm the correctness and validity of the proposed method.

Passive radar； Clutter cancellation； ECA-B in frequency domain

The National Ministies Foundation

TN958.97

A

2095-283X（2016）03-0293-09

10.12000/JR15098

2015-08-21；改回日期：2015-11-04；網絡出版：2015-12-22

劉宇 liuyu13@mails.ucas.ac.cn

國家部委基金