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        一種提高M(jìn)TI/MTD雷達(dá)檢測(cè)概率的方法

        2018-10-11 01:57:26任臘梅劉逸群成沙輝
        火控雷達(dá)技術(shù) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:雜波門(mén)限校正

        任臘梅 劉逸群 成沙輝

        (陜西黃河集團(tuán)有限公司 西安 710043)

        0 引言

        雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo),通常是運(yùn)動(dòng)著的物體,但在目標(biāo)的周?chē)?jīng)常存在著建筑物、樹(shù)木、云雨等各種背景。相較于要探測(cè)的目標(biāo),這些背景通常反射面積很大,回波很強(qiáng),目標(biāo)往往被湮沒(méi),檢測(cè)很困難,在這些強(qiáng)雜波背景中完成目標(biāo)的檢測(cè)是雷達(dá)系統(tǒng)必需要面對(duì)的問(wèn)題。由于這些背景往往是靜止或者慢速的,因此利用它們?cè)谒俣壬系牟顒e,可以完成雜波的抑制。由于不同運(yùn)動(dòng)速度引起回波信號(hào)的多普勒頻移不相等,對(duì)信號(hào)多普勒頻率的區(qū)別便是對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度的區(qū)別,動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)通過(guò)頻率濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)雜波的抑制,是現(xiàn)代雷達(dá)中普遍使用的技術(shù)[1]。

        u′=U0ej[ωd(t-Tr)-φ0]

        (1)

        兩者相減后得相消器的輸出為:

        Δu=u′-u

        =U0ej[ωdt-φ0]·(1-e-jωdTr)

        (2)

        則濾波器的頻率響應(yīng)特性為:

        (3)

        如圖2所示。

        雙延遲MTI對(duì)消器為兩個(gè)單延遲對(duì)消器的級(jí)聯(lián),濾波器幅頻響應(yīng)為單延遲對(duì)消器的平方。

        MTD處理是一種利用多普勒濾波器來(lái)抑制各種雜波,以提高雷達(dá)在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)能力的技術(shù)。對(duì)消器級(jí)聯(lián)FFT的雜波濾波器是MTD的一種基本結(jié)構(gòu)。

        FFT處理構(gòu)成一組在頻率軸上相鄰且部分重疊的窄帶濾波器組,可完成對(duì)多普勒頻率不同的目標(biāo)信號(hào)的近似匹配濾波。在處理中為了降低濾波器副瓣,在FFT處理前進(jìn)行加窗處理[3],加漢明窗、8個(gè)通道MTD處理的頻率響應(yīng)如圖3所示。

        圖中,8點(diǎn)FFT形成的8個(gè)濾波器均勻分布在(0~fr)的頻率區(qū)間內(nèi),動(dòng)目標(biāo)信號(hào)由于其多普勒頻率的不同可能出現(xiàn)在頻率軸上的不同位置,因而可能從0~(N-1)的多普勒濾波器輸出。只要目標(biāo)信號(hào)與地雜波從不同的多普勒濾波器輸出,目標(biāo)信號(hào)所在濾波器輸出的信雜比將得到明顯提高。

        1 MTI級(jí)聯(lián)MTD濾波器的幅頻響應(yīng)特性

        在實(shí)際應(yīng)用中,通常采用MTI級(jí)聯(lián)MTD的方式,MTI級(jí)聯(lián)MTD的濾波器幅頻響應(yīng)如圖4所示。

        由圖4可見(jiàn),級(jí)聯(lián)后的濾波器在中間通道幅度比較大,而在邊緣通道幅度較小,即MTI級(jí)聯(lián)MTD后濾波器不同通道的增益不同。由于濾波器增益的不同,系統(tǒng)噪聲通過(guò)濾波后在不同通道中幅值不同,即濾波后背景噪聲變得不平穩(wěn)[4]。在雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)中通常采用快門(mén)限結(jié)合慢門(mén)限的恒虛警檢測(cè)方法[5],快門(mén)限來(lái)自于目標(biāo)周?chē)木嚯x單元,而慢門(mén)限通常取整個(gè)波位各個(gè)通道噪聲的平均值。當(dāng)背景噪聲不平穩(wěn)時(shí),算得的慢門(mén)限值不能真實(shí)反映當(dāng)前波位噪聲幅值,不利于恒虛警檢測(cè)[6],尤其對(duì)于有多普勒速度模糊的雷達(dá),目標(biāo)多普勒頻率處于濾波器過(guò)渡帶(比如圖4中的通道1、2、7、8)的概率較大,此時(shí)由于過(guò)渡帶內(nèi)信號(hào)有衰減,若采用整個(gè)波位的噪聲幅值均值作為門(mén)限電平值,則目標(biāo)信號(hào)可能會(huì)漏檢,這在雷達(dá)檢測(cè)中是不希望出現(xiàn)的。為了消除背景噪聲的不平穩(wěn)性,文獻(xiàn)[4]提出了基于MTI濾波器幅頻響應(yīng)的背景噪聲校正方法,根據(jù)某雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),這種方法的校正結(jié)果呈現(xiàn)出與MTI濾波器系數(shù)倒數(shù)正相關(guān)的趨勢(shì),校正后通道間噪聲差異仍比較大。這是因?yàn)樵肼暦植季哂幸欢ㄗV寬,導(dǎo)致MTI對(duì)消有剩余,在邊緣通道處噪聲幅值的校正結(jié)果比理論值偏大。本文提出了以對(duì)消后剩余噪聲為基準(zhǔn)的通道增益校正方法,使校正后各通道噪聲幅值一致,且可減小由于濾波器特性對(duì)過(guò)渡帶的衰減影響,既可改善慢門(mén)限檢測(cè)的虛警概率,又提高了多普勒頻率處于過(guò)渡帶目標(biāo)的檢測(cè)概率。

        2 通道增益校正原理

        由于慢門(mén)限恒虛警檢測(cè)要求各個(gè)通道中的噪聲近似一致,則若將各通道信號(hào)(含噪聲)乘以不同的補(bǔ)償系數(shù),使補(bǔ)償后所有通道的噪聲幅值相等,則可減小由MTI處理帶來(lái)的背景噪聲不平穩(wěn)對(duì)慢門(mén)限檢測(cè)造成的影響。

        設(shè)雷達(dá)有N個(gè)MTD處理通道,每個(gè)通道有M個(gè)距離單元,則令MTD處理后的數(shù)字信號(hào)為:

        其中,xnm表示MTD處理后信號(hào)的第n個(gè)通道

        的第m個(gè)點(diǎn)。對(duì)每個(gè)通道中的前L個(gè)點(diǎn)計(jì)算均值得:

        其中[N/2]表示向下取整,y[N/2]+1表示中間通道的噪聲電平值,yn表示第n個(gè)通道的噪聲電平值。利用算得的N個(gè)歸一化系數(shù)對(duì)各通道中的所有點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)醚a(bǔ)償后信號(hào)為:

        一方面校正后所有通道的噪聲幅值均值近似相等,且該處理不改變通道內(nèi)原始的信號(hào)噪聲比值關(guān)系,對(duì)快門(mén)限恒虛警檢測(cè)無(wú)不良影響,可保證不同通道使用相同的檢測(cè)慢門(mén)限時(shí)能獲得同等的虛警概率。

        另一方面該處理可獲得穩(wěn)定的檢測(cè)概率。假設(shè)第1通道信號(hào)幅度為A(dB),噪聲幅度為B(dB),根據(jù)MTI濾波器的幅頻特性曲線(xiàn)可知,對(duì)地雜波的改善因子為IA(dB),以中間通道噪聲幅度歸一化,則第1通道的噪聲幅度的衰減為IB(dB),則MTI后補(bǔ)償前雜噪比為A-IA-(B-IB)。該通道的補(bǔ)償系數(shù)為kdB=IB(dB),補(bǔ)償后實(shí)際輸出地雜波幅度為A-IA+IB,噪聲幅度為B,即雜噪比仍然為A-IA+IB-B。對(duì)地雜波而言改善因子損失為IB(dB),當(dāng)IA-IB滿(mǎn)足雷達(dá)地雜波對(duì)消比要求時(shí),該方法對(duì)地雜波對(duì)消比的損失可忽略不計(jì);而對(duì)多普勒頻率在過(guò)渡帶(如第2、7多普勒通道)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)卻可補(bǔ)償濾波器過(guò)渡帶帶來(lái)的信號(hào)損失,保證該通道檢測(cè)概率。

        3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

        某雷達(dá)采用500μs的探測(cè)周期,一個(gè)波位內(nèi)共探測(cè)10次,線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)脈寬40μs,帶寬5MHz,采樣率為20MHz,采樣波門(mén)寬度為50μs,每個(gè)探測(cè)周期采樣點(diǎn)數(shù)為1000。

        取某次檢飛試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中某一波位的信號(hào)進(jìn)行分析,圖5為脈壓結(jié)果,此時(shí)所有脈沖的噪聲幅值一致。做3脈沖兩次對(duì)消,圖6為MTI處理結(jié)果,波位內(nèi)不同脈沖的噪聲電平仍保持一致。MTI后的8個(gè)脈沖做8點(diǎn)FFT,圖7為MTD處理結(jié)果,可見(jiàn)此時(shí)不同通道的噪聲幅值差異較大。圖中實(shí)線(xiàn)為8個(gè)通道的噪聲幅值,虛線(xiàn)為所有通道噪聲的均值,從圖中可見(jiàn)兩邊通道的噪聲小于噪聲均值,中間通道的噪聲幅值大于均值;若以整個(gè)波位的噪聲均值作為該波位慢門(mén)限檢測(cè)基準(zhǔn),則當(dāng)目標(biāo)處于兩邊通道時(shí)檢測(cè)概率會(huì)降低,而當(dāng)目標(biāo)處于中間通道時(shí)虛警概率又會(huì)增加;這都不利于系統(tǒng)的恒虛警率保證。

        取中間的第5通道噪聲電平為基準(zhǔn),計(jì)算1~8通道噪聲對(duì)第5通道噪聲的歸一化系數(shù),用此8個(gè)系數(shù)對(duì)8個(gè)通道的信號(hào)分別進(jìn)行補(bǔ)償。圖8為對(duì)MTD后數(shù)據(jù)進(jìn)行通道增益校正處理的結(jié)果,其中實(shí)線(xiàn)為信號(hào)幅值,虛線(xiàn)為噪聲均值,圖中所有通道的噪聲電平都與噪聲均值保持一致。

        該雷達(dá)采用MTI級(jí)聯(lián)MTD的處理方式,通過(guò)通道增益校正保證慢門(mén)限檢測(cè)的恒虛警,同時(shí)提高了處于過(guò)渡帶通道目標(biāo)的檢測(cè)概率,經(jīng)檢飛驗(yàn)證該措施不影響雷達(dá)地雜波對(duì)消效果,運(yùn)動(dòng)目標(biāo)慢門(mén)限檢測(cè)虛警率穩(wěn)定,檢測(cè)概率保持恒定,是一種可行且有效的補(bǔ)償措施。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        采用MTI級(jí)聯(lián)MTD處理后,各通道的背景噪聲不平穩(wěn),破壞了慢門(mén)限檢測(cè)的恒虛警率。以中間通道噪聲幅值為基準(zhǔn),計(jì)算各通道校正系數(shù),用該系數(shù)對(duì)各通道信號(hào)(含噪聲)進(jìn)行補(bǔ)償處理,可使所有通道噪聲背景一致,保證了慢門(mén)限檢測(cè)時(shí)的恒虛警率,且可提高過(guò)渡帶通道運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)性能。

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