張 曄 孫漢奇 陳伯孝 楊 婷

(1.南京長(zhǎng)江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 南京 210038；2.西安電子科技大學(xué) 西安 710071)

0 引言

對(duì)海面目標(biāo)探測(cè)的雷達(dá)由于受到復(fù)雜海情或海況的影響，特別是海尖峰，導(dǎo)致虛警概率較高。盡管對(duì)海雷達(dá)一般都采用海雜波抑制技術(shù)，但是目前的海雜波抑制技術(shù)基本都是基于雷達(dá)當(dāng)前幀內(nèi)(即在一個(gè)掃描周期的一個(gè)波位內(nèi))的數(shù)據(jù)，采用一些信號(hào)處理方法來(lái)抑制海雜波。常規(guī)的海雜波抑制方法有三大類(lèi)：

1)基于時(shí)域的海雜波抑制技術(shù)，其中包括參數(shù)濾波法[1]、圖像處理法[2-5]、預(yù)測(cè)方法[6-7]、子空間方法[8]等。

2)基于頻域的海雜波抑制技術(shù)，主要有MTI(Moving Targets Indication)、MTD(Moving Targets Detection)，利用當(dāng)前幀內(nèi)一個(gè)波位的多個(gè)脈沖之間的回波信號(hào)進(jìn)行雜波抑制。其原理就是利用目標(biāo)回波與雜波在頻譜上的差異性，從而抑制海雜波提取目標(biāo)信號(hào)。但是MTI/MTD抑制海雜波多普勒頻率附近的所有信號(hào)，其中包括海面慢速目標(biāo)的信號(hào)，所以不能有效地檢測(cè)出低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

3)空時(shí)自適應(yīng)處理STAP(Space-Time Adaptive Processing)方法，對(duì)于機(jī)載雷達(dá)來(lái)說(shuō)，來(lái)自不同方向上的雜波具有不相同的多普勒頻率，故而其雜波具有空時(shí)耦合特性。為了抑制雜波，需要進(jìn)行空時(shí)二維的聯(lián)合濾波。

檢測(cè)前跟蹤(TBD)[9-10]是一種利用多幀數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理的方法，它直接對(duì)匹配濾波后的雷達(dá)回波脈沖或經(jīng)過(guò)相干積累后的多幀連續(xù)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)給出目標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果和航跡信息。TBD方法直接采用未經(jīng)門(mén)限處理或者低門(mén)限處理的數(shù)據(jù)，不會(huì)造成潛在信息的丟失，并且弱小目標(biāo)的信噪比可以通過(guò)多幀積累得到提高。但是TBD方法較為復(fù)雜，存儲(chǔ)量大，硬件實(shí)現(xiàn)比較困難，難以在雷達(dá)上實(shí)際使用。考慮到海面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的有序性以及海雜波(特別是海尖峰)的隨機(jī)性，本文根據(jù)海面目標(biāo)在多圈之間(也稱(chēng)幀間)的運(yùn)動(dòng)特征，研究在幀間運(yùn)動(dòng)包絡(luò)對(duì)齊的基礎(chǔ)上進(jìn)行視頻積累或二進(jìn)制積累的幀間相關(guān)處理方法，并給出仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

1 問(wèn)題描述

雷達(dá)對(duì)海面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，會(huì)受到海表面運(yùn)動(dòng)對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)后向散射的嚴(yán)重干擾，通常稱(chēng)這些干擾為海雜波。海尖峰本質(zhì)上是海浪碰撞產(chǎn)生的碎波，不完全等同于海雜波，海尖峰具有更強(qiáng)的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，甚至比海雜波更強(qiáng)，可以看成一種特殊的海雜波。海雜波、海尖峰對(duì)雷達(dá)檢測(cè)性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

現(xiàn)有的海雜波抑制方法，利用當(dāng)前幀(圈)的數(shù)據(jù)進(jìn)行海雜波抑制。海面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度一般都比較慢，只有20m/s左右。采用MTI或MTD處理時(shí)，海面目標(biāo)也經(jīng)常與海雜波一起被抑制掉。因此，需要探索能有效抑制海雜波的同時(shí)，也不影響對(duì)海面目標(biāo)的有效探測(cè)。由于警戒雷達(dá)的數(shù)據(jù)率一般在10s左右，海雜波和海尖峰的相關(guān)時(shí)間小于10s，且具有隨機(jī)性，因此在多圈(幀)之間海雜波和海尖峰不具有相關(guān)性。而對(duì)海面目標(biāo)而言，由于其運(yùn)動(dòng)速度較慢，在數(shù)十秒(以80s為例)時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)也運(yùn)動(dòng)了數(shù)百米，若雷達(dá)的距離分辨率為10m(現(xiàn)代對(duì)海探測(cè)雷達(dá)為了減小雜波單元的面積，一般采用較高的距離分辨率)，則目標(biāo)也運(yùn)動(dòng)了幾十個(gè)距離單元，因此，在幀間相關(guān)處理時(shí)，需要對(duì)目標(biāo)走動(dòng)的距離單元進(jìn)行包絡(luò)對(duì)齊[11]，才有可能進(jìn)行幀間相關(guān)處理。下面介紹幀間相關(guān)處理的原理和處理流程。

2 幀間相關(guān)處理存在的問(wèn)題

幀間相關(guān)處理，是利用雷達(dá)多圈之間的數(shù)據(jù)，在包絡(luò)對(duì)齊的基礎(chǔ)上進(jìn)行視頻積累或二進(jìn)制積累[12]。它是為了在海雜波背景下針對(duì)海面慢速目標(biāo)的探測(cè)而提出的。這里假設(shè)幀間相關(guān)處理的圈數(shù)為8幀，警戒雷達(dá)的數(shù)據(jù)率一般為10s，需要考慮在70s時(shí)間內(nèi)進(jìn)行相關(guān)處理。即使是海面目標(biāo)，也需要考慮目標(biāo)跨距離單元和跨波束的問(wèn)題，因此，本文建立如圖1所示的雷達(dá)分辨單元模型，討論目標(biāo)位于雷達(dá)視線(xiàn)方向分辨單元中心時(shí)，目標(biāo)跨距離單元數(shù)和跨波位分辨單元數(shù)。

假設(shè)距離分辨單元大小為Δr，方位分辨單元(半功率波束寬度)為θ3dB，目標(biāo)速度大小為V，速度方向與雷達(dá)視線(xiàn)方向夾角為α。目標(biāo)初始位置是在雷達(dá)視線(xiàn)方向上距離雷達(dá)R0處，其極坐標(biāo)可以表示為(R0,0)，若t0為雷達(dá)轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間，則在第k圈，即t=kt0時(shí)，目標(biāo)位置的極坐標(biāo)(R(k),θ(k))可表示為：

(1)

(2)

在遠(yuǎn)場(chǎng)情況下，若R0?Vkt0，則式(1)式(2)可以近似表示為：

R(k)≈R0+Vkt0cosα

(3)

(4)

分別計(jì)算出目標(biāo)在第k圈跨距離單元數(shù)和跨波位分辨單元數(shù)為

(5)

(6)

其中，round表示四舍五入。假設(shè)θ3dB=1.2°，Δr=25m，α=60°，目標(biāo)初始距離20km，速度分別為[5、10、15、20]m/s，這時(shí)目標(biāo)跨距離單元數(shù)和跨波位分辨單元數(shù)如圖2所示?？梢?jiàn)目標(biāo)在距離和方位維都跨越了多個(gè)分辨單元。多幀之間視頻積累之前需要進(jìn)行包絡(luò)補(bǔ)償。

針對(duì)在多個(gè)掃描周期幀間目標(biāo)跨方位波位的問(wèn)題，這里假設(shè)目標(biāo)速度為30m/s，運(yùn)動(dòng)方向與波束指向的夾角為0°～330°，目標(biāo)距離為50km，則在8圈之間，目標(biāo)跨波位數(shù)N如式(7)所示，式中8行分別表示第0至第7圈；各列分別表示0°、30°、60°、…、330°；“1”、“-1”分別表示前、后一個(gè)波位，“0”即不跨波位，其他類(lèi)似。若目標(biāo)的距離超過(guò)100km，則對(duì)海面速度幾乎不存在跨波位的問(wèn)題。因此，幀間目標(biāo)跨方位波位主要是針對(duì)較近距離的目標(biāo)。

幀間相關(guān)處理時(shí)間中由于目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度均未知，包絡(luò)補(bǔ)償時(shí)根據(jù)感興趣的海面目標(biāo)的最大速度和運(yùn)動(dòng)方向，設(shè)置二維搜索范圍。故將速度粗略地劃分為m個(gè)速度大小檔，分別為{V1、V2、……、Vm}，速度方向粗略地劃分為{θ1、θ2、……、θn}共n個(gè)速度方向，則搜索路徑一共有m·n條，將其稱(chēng)為先驗(yàn)路徑

(7)

信息。實(shí)際中可以根據(jù)幀間相關(guān)處理的距離段，選取部分搜索路徑。例如，若距離段超100km時(shí)，只需要考慮跨距離單元而不需要考慮跨方位波位的問(wèn)題，在20～100km距離段，才考慮目標(biāo)跨方位波位的相關(guān)處理問(wèn)題。

由于海面目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度較慢，在幀間相關(guān)處理的數(shù)十秒鐘時(shí)間內(nèi)，只要解決了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的包絡(luò)對(duì)齊問(wèn)題，其回波信號(hào)具有相關(guān)性，就可以進(jìn)行視頻積累或二進(jìn)制積累等處理。

3 幀間相關(guān)處理

在跨距離-方位兩維分辨單元的包絡(luò)對(duì)齊基礎(chǔ)上，利用雷達(dá)多圈之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行幀間相關(guān)處理方法有兩種：一種是視頻積累；另一種是二進(jìn)制積累。處理流程如圖3所示。幀內(nèi)預(yù)處理即常規(guī)雷達(dá)在每個(gè)波位的相干處理間隔(CPI)內(nèi)完成脈沖壓縮、動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)、求模等處理。多幀數(shù)據(jù)包絡(luò)對(duì)齊根據(jù)上一部分介紹的方法進(jìn)行，有多個(gè)處理通道的輸出。如圖3(a)，幀間視頻積累就是對(duì)每路“對(duì)齊”通道的幅值直接相加，或者加權(quán)求和。然后再對(duì)每路輸出信號(hào)進(jìn)行恒虛警(CFAR)檢測(cè)。最后再對(duì)多路輸出信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)，找出幅值最大的通道，即為目標(biāo)的輸出信號(hào)。

圖3(b)是利用二進(jìn)制積累的幀間相關(guān)處理流程。其中雙門(mén)限一次檢測(cè)是在每一個(gè)幀內(nèi)進(jìn)行，對(duì)每個(gè)波位、每個(gè)距離單元的視頻信號(hào)yk(i,n)分三種情況：

(8)

這里，門(mén)限VT1按一般雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)的信噪比為13.5dB選取(即檢測(cè)概率Pd=0.9，虛警概率Pf=10-6)，門(mén)限VT2取8～9dB，保證對(duì)弱小目標(biāo)的第一級(jí)檢測(cè)。幀間相關(guān)處理只是在這些“可能有目標(biāo)”的距離單元進(jìn)行，即在“包絡(luò)對(duì)齊”的基礎(chǔ)上，在每個(gè)包絡(luò)對(duì)齊的通道先進(jìn)行二進(jìn)制積累，再按照“N/K”準(zhǔn)則進(jìn)行二次檢測(cè)，K為數(shù)據(jù)的幀數(shù)，N為二進(jìn)制積累的數(shù)值，一般取N/K≥5/8，即連續(xù)8幀數(shù)據(jù)中5幀在一次檢測(cè)中有目標(biāo)時(shí)，二次檢測(cè)才認(rèn)為是目標(biāo)。這里的峰值檢測(cè)是取(N/K)的最大值。

這兩種方法比較，幀間視頻積累需要存儲(chǔ)多幀每個(gè)波位的視頻數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)容量大，而二進(jìn)制積累在多幀每個(gè)波位、每個(gè)距離單元只需要存儲(chǔ)1bit的檢測(cè)信息，存儲(chǔ)容量小，運(yùn)算量也小一些。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

將幀間相關(guān)處理技術(shù)應(yīng)用于某對(duì)海雷達(dá)。該雷達(dá)的距離分辨率為25m，波位寬度為1.2°，雷達(dá)轉(zhuǎn)速為6r/m。將搜索速度大小粗略地劃分為31個(gè)速度大小檔，分別為{0、1、2、……、30}節(jié)(kn)，搜索速度方向按15°間隔劃分為24個(gè)速度方向檔，分別為{0、15、30、……、345}(°)。下面給出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。

首先在雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上疊加一個(gè)目標(biāo)信號(hào)。圖4為雷達(dá)在某個(gè)波位的11幀的回波信號(hào)的瀑布圖，在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中疊加了一個(gè)信噪比較高的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。從圖4(b)圖的局部放大可以看出，由于幀間時(shí)間間隔較長(zhǎng)，目標(biāo)跨距離運(yùn)動(dòng)了一定的距離單元數(shù)。通過(guò)對(duì)目標(biāo)的跨距離單元進(jìn)行補(bǔ)償，然后進(jìn)行幀間非相干積累，結(jié)果如圖4所示。

由圖5可以看出，當(dāng)對(duì)目標(biāo)的跨距離單元作補(bǔ)償后再進(jìn)行幀間非相干積累，噪聲的起伏變小，目標(biāo)的信噪比提高了約8dB。因此，幀間相關(guān)處理有利于對(duì)微弱目標(biāo)的檢測(cè)。圖中多條曲線(xiàn)分別是不同路徑的包絡(luò)對(duì)齊后的非相干積累處理結(jié)果。

圖6(a)給出了在某波位15圈的視頻回波信號(hào)的瀑布圖，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2017年10月8日14:50許。圖6(b)、(c)分別給出了按常規(guī)恒虛警處理方法檢測(cè)和按本文基于二進(jìn)制積累的幀間相關(guān)處理后的檢測(cè)結(jié)果(“1”表示有目標(biāo)，“0”表示沒(méi)有目標(biāo))。在瀑布圖中每圈的檢測(cè)結(jié)果按照時(shí)間先后的順序從下往上依次畫(huà)出。幀間相關(guān)處理前7圈是暫態(tài)，故而只看第7圈以后的幀間相關(guān)處理的檢測(cè)結(jié)果。從圖6(b)、(c)對(duì)比可以看出，例如圖6(b)中第13圈距離單元為1200出現(xiàn)了海雜波(實(shí)際為海尖峰)，而在圖6(c)中就沒(méi)有出現(xiàn)；第11圈距離單元為1400的目標(biāo)沒(méi)有檢測(cè)出來(lái)，而經(jīng)過(guò)幀間相關(guān)處理后，該目標(biāo)被檢測(cè)到，幀間相關(guān)處理后圈間目標(biāo)檢測(cè)沒(méi)有出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象。因此，經(jīng)幀間相關(guān)處理后對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果具有圈間連續(xù)性，且利用海尖峰在幀間的不相關(guān)性，海雜波被幀間相關(guān)處理給抑制掉了。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了雷達(dá)的幀間相關(guān)處理方法，該方法是利用海面目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行二維速度搜索的包絡(luò)對(duì)齊基礎(chǔ)上，對(duì)多圈數(shù)據(jù)進(jìn)行視頻積累或二進(jìn)制積累，再進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果證明：該方法對(duì)海雜波和海尖峰有一定的抑制效果，且有利于對(duì)微弱目標(biāo)的連續(xù)檢測(cè)，有利于降低對(duì)海探測(cè)雷達(dá)的虛警和漏警概率。