郭曉彤 李吉寧 郭文玲 程延鋒 張連迎

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

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基于多頻信息融合的高頻雷達(dá)目標(biāo)檢測

郭曉彤 李吉寧 郭文玲 程延鋒 張連迎

(中國電波傳播研究所,青島 266107)

針對高頻雷達(dá)面臨的干擾嚴(yán)重、目標(biāo)雷達(dá)散射截面(Radar Cross-Section,RCS)起伏等問題,提出將靶場雷達(dá)中的多頻探測技術(shù)引入高頻雷達(dá),大幅降低了干擾和RCS起伏對雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)檢測能力的制約,同時提出了一種基于非相干積累的多頻信息融合技術(shù),將多頻點(diǎn)數(shù)據(jù)在速度域上進(jìn)行非相干積累,獲得高信噪比,進(jìn)一步提升高頻雷達(dá)目標(biāo)檢測能力. 通過仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)驗證,上述方法能夠在原有信噪比基礎(chǔ)上得到提升,與理論值相近. 證明該方法有效.

多頻信息融合;非相干積累;目標(biāo)檢測

DOI 10.13443/j.cjors.2015070902

引 言

高頻雷達(dá)工作于短波段,頻率資源有限,存在大量的廣播電臺、短波通信和工業(yè)干擾,同時還有來自短時存在的雷電、流星余跡等無源干擾[1],它們不僅有近區(qū)直接傳播而來的,還有從遠(yuǎn)區(qū)通過電離層反射傳播來的,長時間相干積累時,電離層的時變性會導(dǎo)致這些干擾的空域、頻域特性發(fā)生變化,又進(jìn)一步增加了干擾抑制的難度,加大了對雷達(dá)目標(biāo)檢測的影響. 除此之外,由于目標(biāo)的自身運(yùn)動,雷達(dá)探測到的方位、姿態(tài)都會發(fā)生變化,目標(biāo)各個散射分量合成時,雷達(dá)散射截面(Radar Cross-Section,RCS)會隨頻率和姿態(tài)變化呈現(xiàn)振蕩性起伏,產(chǎn)生許多尖峰或深谷,導(dǎo)致信號可能在短時間內(nèi)比噪聲還低,影響雷達(dá)的目標(biāo)檢測能力[2].

文獻(xiàn)[3-4]提到的多頻連續(xù)波探測技術(shù)因其設(shè)備簡單、測距精度高、可同時測速等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于靶場雷達(dá)、測距雷達(dá)等領(lǐng)域,但這些雷達(dá)均工作在厘米波波段,工作在短波波段的多頻雷達(dá)還較少有研究. 因此,本文將該多頻探測體制引入高頻雷達(dá)中,采用連續(xù)的多個短波段頻率照射目標(biāo),獲得多個頻率目標(biāo)散射回波信號,解決目標(biāo)RCS隨頻率起伏的問題,增加其抗干擾能力,并進(jìn)一步研究多頻短波雷達(dá)體制下目標(biāo)檢測的問題,將連續(xù)多個頻率探測獲得的目標(biāo)回波信號在速度域上作非相干積累,提升回波信號的信噪比,增強(qiáng)高頻雷達(dá)的目標(biāo)檢測能力.

1 基于多頻信息融合的高頻雷達(dá)目標(biāo)檢測

1.1 基于多頻信息融合抑制高頻雷達(dá)外部干擾

由于高頻雷達(dá)工作方式的特殊性,其干擾背景比常規(guī)雷達(dá)強(qiáng)得多,且呈現(xiàn)非平穩(wěn)性,隨頻率、季節(jié)和每天不同的時間而變化,大量外部干擾嚴(yán)重影響著雷達(dá)檢測性能. 圖1為相鄰兩個時刻某高頻雷達(dá)干擾監(jiān)測系統(tǒng)獲得的不同頻率干擾強(qiáng)度圖,圖1(a)中20.11 MHz處為干擾點(diǎn),20.25 MHz處為干凈點(diǎn),20.59 MHz處為干凈點(diǎn),對應(yīng)下一時刻圖1(b)中20.11 MHz處為干凈點(diǎn),20.25 MHz處為干擾點(diǎn),20.59 MHz處為干擾點(diǎn).可以看出,相鄰時刻所受干擾頻率不同,若雷達(dá)僅工作在其中一個頻率上,干擾對目標(biāo)探測能力產(chǎn)生的影響較大;若采用以上三個頻率進(jìn)行探測,均出現(xiàn)強(qiáng)干擾的概率將會大大降低.因此,引入多頻體制后,總可以找到受干擾較小的頻點(diǎn)數(shù)據(jù),從而增強(qiáng)雷達(dá)抗外部干擾的能力.

(a)

(b)圖1 相鄰時刻干擾數(shù)據(jù)

1.2 基于多頻信息融合抑制高頻雷達(dá)RCS起伏

對于高頻雷達(dá)而言,大多數(shù)飛機(jī)、導(dǎo)彈和艦艇目標(biāo)的尺寸都處在散射能量的諧振區(qū).在諧振區(qū)內(nèi),由于各散射分量之間的干涉,目標(biāo)RCS隨頻率變化產(chǎn)生振蕩性的起伏,不同頻率之間RCS起伏可達(dá)20 dB.圖2為利用時域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)仿真獲得的某中型飛機(jī)目標(biāo)不同入射角和方位角下的RCS.從圖中可看出,當(dāng)入射角為105°,方位角為50°,頻率分別為14.4 MHz、16.4 MHz、18.4 MHz及20.4 MHz時,對應(yīng)的RCS值為10.6 dB、7.708 dB、-7.091 dB及6.038 dB.目標(biāo)RCS值隨頻率起伏較大,若雷達(dá)僅用18.4 MHz探測,目標(biāo)RCS值急劇下降,導(dǎo)致目標(biāo)無法被檢測到; 若用以上4個頻率進(jìn)行探測,則18.4 MHz的探測結(jié)果對最終的結(jié)果影響較小. 因此,引入多頻體制后,雷達(dá)以一定頻率間隔發(fā)射探測信號,探測范圍內(nèi)的目標(biāo)RCS不會同時很小,總有一些頻率能夠探測到目標(biāo),有效克服了RCS隨頻率起伏的問題.

圖2 RCS隨頻率變化圖(入射角為105°)

1.3 基于多頻信息融合的高頻雷達(dá)目標(biāo)檢測處理

由于頻率不同,目標(biāo)RCS會出現(xiàn)起伏,并且起伏程度不同. 對于起伏較大帶來的問題,可以采用多頻探測技術(shù)克服. 而對于起伏不大但信號幅度較微弱的目標(biāo)來說,探測到的信噪比可能會無法滿足檢測門限,對此本文在多頻探測技術(shù)的基礎(chǔ)上提出基于非相干積累的多頻信息融合技術(shù)進(jìn)一步增強(qiáng)雷達(dá)的目標(biāo)檢測能力.

多頻雷達(dá)以一定頻率間隔發(fā)射并接收多個頻點(diǎn)探測信號,通過對每個頻率探測周期內(nèi)的信號進(jìn)行脈沖壓縮、FFT處理獲得距離-多普勒頻率譜圖,如圖3所示.

當(dāng)目標(biāo)信號較弱時,每個單一頻點(diǎn)數(shù)據(jù)可能無法通過檢測門限,因此,對距離-多普勒譜圖進(jìn)行多普勒-速度轉(zhuǎn)換,再在相同距離單元上對相鄰探測周期的速度譜進(jìn)行非相干積累,獲得融合信號,繼而進(jìn)行目標(biāo)檢測,處理流程如圖4所示.

圖3 距離-多普勒頻率譜圖

圖4 多頻信息融合流程

為進(jìn)一步驗證該算法的有效性,開展實(shí)地探測試驗,試驗過程中雷達(dá)信號帶寬為40 kHz,脈沖重復(fù)周期為2 ms,每個頻率相干積累時間內(nèi)脈沖數(shù)為512,發(fā)射頻率范圍為5～28 MHz,頻率間隔為1 MHz,檢測門限為10 dB. 對相鄰三個頻點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行該算法的驗證,其中兩組頻率的融合結(jié)果分別如圖6、圖7所示.

(a) 探測頻率為17 MHz

(b) 探測頻率為18 MHz

(c) 探測頻率為19 MHz

(d) 三頻點(diǎn)融合后圖5 融合前后信號的信噪比

圖6為14 MHz、15 MHz和16 MHz三個頻點(diǎn)融合前后的信噪比對比圖,圖6 (a)、(b)、(c) 分別為這三個頻點(diǎn)探測到的信噪比圖,信號處的信噪比分別為8.263 dB、8.808 dB和8.646 dB,接近卻均未超過10 dB,無法檢測出目標(biāo),第四個為融合后信噪比圖,信號處的信噪比達(dá)到10.42 dB,比單一頻率回波信號最高的信噪比高出1.612 dB.

圖7為17 MHz、18 MHz和19 MHz三個頻點(diǎn)融合前后的信噪比對比圖,同理,圖7 (a)、(b)、(c)分別為三個頻點(diǎn)探測到的信噪比圖,信號處的信噪比分別為8.665 dB、8.123 dB和7.958 dB,無法檢測出目標(biāo),融合后的信噪比為10.41 dB,比單一頻率回波信號最高的信噪比高出1.745 dB. 兩組頻率結(jié)果近似,且與仿真結(jié)果一致.

(a) 探測頻率為14 MHz

(b) 探測頻率為15 MHz

(c) 探測頻率為16 MHz

(d) 三頻點(diǎn)融合后圖6 相同距離單元上三頻點(diǎn)融合前后的信噪比(1)

(a) 探測頻率為17 MHz

(b) 探測頻率為18 MHz

(c) 探測頻率為19 MHz

(d) 三頻點(diǎn)融合后圖7 相同距離單元上三頻點(diǎn)融合前后的信噪比(2)

從實(shí)測數(shù)據(jù)驗證可以得出,在單一頻率RCS起伏不大但能量較微弱無法通過門限檢測的情況下,經(jīng)多頻融合后提升信噪比,能夠提取到真實(shí)的目標(biāo)信息,提高了雷達(dá)的目標(biāo)檢測能力.

2 結(jié) 論

將多頻探測技術(shù)引入高頻雷達(dá)中,可以有效解決目標(biāo)RCS閃爍問題,增加雷達(dá)抗干擾能力,并且在該體制下,將多頻信息進(jìn)行融合,進(jìn)一步增強(qiáng)雷達(dá)的目標(biāo)檢測能力. 經(jīng)仿真和實(shí)測試驗驗證,能夠提高目標(biāo)回波信號的信噪比,有效提升雷達(dá)的信號檢測能力.

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Target detection based on multi-frequency fusion of HF radar

GUO Xiaotong LI Jining GUO Wenling CHENG Yanfeng ZHANG Lianying

(China Research Institute of Radio Wave Propagation, Qingdao 266107, China)

Based on serious interference and target fluctuation which HF radar is faced with, it is proposed that multi-frequency detection technique from range radar is applied to HF radar to overcome the restrict the above problem mentioned. Moreover, this paper puts forward an algorithm of multi-frequency information fusion based on non-coherent integration. The algorithm makes non-coherent integration in speed domain, obtaining high signal-to-noise ratio to improve the ability of target detection in HF Radar. Through both simulated and experimental data, the proposed algorithm can improve the signal-to-noise ratio close to the theoretical value, which indicates that this algorithm is effective.

multi-frequency fusion; non-coherent integration; target detection

10.13443/j.cjors.2015070902

2015-07-09

中國電子科技集團(tuán)公司技術(shù)創(chuàng)新基金(JJ-QN-2013-28)

TN011.2

A

1005-0388(2016)03-0592-05

郭曉彤 (1989-),女,河北人,助理工程師,目前主要研究方向為電離層電波傳播、雷達(dá)信號處理.

李吉寧 (1982-),男,山東人,工程師,目前主要研究方向為高頻雷達(dá)信號處理和電波傳播.

郭文玲 (1986-),女,山東人,工程師,目前主要研究方向為電離層電波傳播、雷達(dá)信號處理等.

程延鋒 (1981-),男,山東人,工程師,目前主要研究方向為電波傳播、數(shù)值計算、軟件開發(fā)等.

張連迎 (1983-),男,山東人,工程師,目前主要研究方向為大氣無線電噪聲測量及電波傳播計算等.

郭曉彤, 李吉寧, 郭文玲, 等. 基于多頻信息融合的高頻雷達(dá)目標(biāo)檢測[J]. 電波科學(xué)學(xué)報,2016,31(3):592-596.

GUO X T, LI J N, GUO W L, et al. Target detection based on multifrequency fusion of HF radar[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):592-596. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015070902

聯(lián)系人： 郭曉彤 E-mail: xtguo1206@sina.cn