徐保慶 剡熠琛 拜兵虎 李雅梅

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

現(xiàn)代雷達(dá)工作環(huán)境十分復(fù)雜,所要探測(cè)的目標(biāo)往往處于各種復(fù)雜的背景之中,雜波會(huì)大幅影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。目前常見(jiàn)的信號(hào)處理級(jí)雜波抑制方法都是通過(guò)多普勒濾波的方式將目標(biāo)和雜波在頻域進(jìn)行區(qū)分,從而抑制雜波,分離出目標(biāo)。工程中常用的多普勒濾波算法主要有MTI和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(Moving Target Detection,MTD)。

雖然MTI處理的雜波抑制性能不如MTD,但是MTI處理所需要的脈沖數(shù)較少,所以當(dāng)前的很多雷達(dá)系統(tǒng)(尤其是三坐標(biāo)雷達(dá),時(shí)間資源比較緊張)仍采用MTI處理。最早的MTI實(shí)現(xiàn)方式是脈沖對(duì)消器,雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,但是只能抑制地雜波,而且雜波抑制效果較差。后來(lái)工程上開(kāi)始采用特征矢量法[1-2]來(lái)設(shè)計(jì)MTI濾波器,其主要原理是將雜波協(xié)方差矩陣進(jìn)行特征分解,將分解后的特征值排序,大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量張成的子空間構(gòu)成信號(hào)子空間,小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量作為噪聲子空間[3-4],由于噪聲子空間和信號(hào)子空間正交,選取噪聲子空間張成的特征向量作為濾波器系數(shù)可以有效抑制雜波。

特征矢量法以雜波改善因子最大為準(zhǔn)則[1-2],因此該方法有最優(yōu)的雜波抑制性能。此外,特征矢量法設(shè)計(jì)靈活,可以根據(jù)雜波的譜寬、中心頻率等設(shè)計(jì)多個(gè)凹口,既可以抑制地雜波,也可以抑制氣象、箔條等運(yùn)動(dòng)雜波[5-6]。

由于濾波器的頻率響應(yīng)是周期性的,等重頻MTI會(huì)出現(xiàn)“盲速”[6],基于參差重頻的特征矢量MTI方法在最優(yōu)雜波抑制性能的基礎(chǔ)上還可以克服“盲速”現(xiàn)象,因此倍受青睞。但是該方法依然存在缺陷,那就是濾波器的速度響應(yīng)曲線不夠平坦,對(duì)于某些速度的目標(biāo)而言,其響應(yīng)存在凹口,會(huì)導(dǎo)致該目標(biāo)的檢測(cè)概率變低。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文中將提出一種基于頻率分集的MTI雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)方法,該方法在雷達(dá)時(shí)間資源一定的前提下,通過(guò)頻率捷變將一個(gè)脈沖拆分為多個(gè)載頻不同的子脈沖,然后對(duì)多個(gè)載頻不同的子脈沖串分別進(jìn)行MTI濾波,在多種載頻下MTI濾波器的不平坦區(qū)域?qū)?yīng)的速度可以錯(cuò)開(kāi),進(jìn)一步對(duì)各載頻的MTI濾波結(jié)果進(jìn)行非相參積累,完成目標(biāo)檢測(cè)。本文提出的方法可以提高M(jìn)TI雷達(dá)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)能力,同時(shí)也可以提高M(jìn)TI雷達(dá)的抗干擾能力。

1 特征矢量法實(shí)現(xiàn)MTI

雜波改善因子是評(píng)價(jià)濾波器雜波抑制性能的重要指標(biāo),特征矢量法就是以使雜波改善因子最大為準(zhǔn)則的MTI濾波器設(shè)計(jì)方法,文獻(xiàn)[1]中給出了特征矢量法設(shè)計(jì)MTI濾波器的原理,此處不再贅述。

為了克服“盲速”對(duì)目標(biāo)檢測(cè)帶來(lái)的影響,在實(shí)際工程中常采用參差重頻的方法。基于參差重頻的特征矢量MTI檢測(cè)方法具體步驟如下:

1)雷達(dá)發(fā)射并接收參差重頻的脈沖串,雷達(dá)參差脈沖重復(fù)周期為T(mén)1、T2、T3時(shí)的發(fā)射波形示意圖如圖1所示;

2)用特征矢量法獲取MTI濾波器最佳權(quán)系數(shù),首先獲取雷達(dá)所處環(huán)境的雜波協(xié)方差矩陣,通常默認(rèn)地雜波功率譜服從高斯分析,根據(jù)維納準(zhǔn)則及瑞利熵引理易得雷達(dá)雜波協(xié)方差矩陣R,對(duì)R進(jìn)行特征分解,最小特征值對(duì)應(yīng)的特征向量即為最佳MTI濾波系數(shù);

3)用MTI最佳權(quán)系數(shù)對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行濾波;

4)然后將濾波結(jié)果與預(yù)先設(shè)置的門(mén)限值進(jìn)行比較,完成MTI雷達(dá)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)。

圖1 參差重頻MTI雷達(dá)發(fā)射波形示意圖

圖2 參差重頻特征矢量MTI

為了克服現(xiàn)有方法的不足,本文將提出一種基于頻率分集的MTI雷達(dá)檢測(cè)方法,具體步驟將在第2章節(jié)給出。

2 基于頻率分集的MTI雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)方法

該方法的主要思想是:在雷達(dá)時(shí)間資源一定的前提下,通過(guò)頻率捷變將一個(gè)脈沖拆分為多個(gè)載頻不同的子脈沖,然后對(duì)多個(gè)載頻不同的回波子脈沖串分別進(jìn)行MTI濾波,最后對(duì)多個(gè)濾波結(jié)果進(jìn)行融合、檢測(cè)。該方法可以提高M(jìn)TI雷達(dá)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)能力,具體步驟如下:

1)雷達(dá)發(fā)射機(jī)參差重頻依次發(fā)射脈沖信號(hào),采用頻率分集技術(shù)將一個(gè)脈沖信號(hào)分為M個(gè)間隔較大的工作頻率同時(shí)發(fā)射。其中,Tn(n=1,2,…,N-1)表示發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔,N為發(fā)射脈沖個(gè)數(shù),M個(gè)子脈沖的時(shí)寬相等,載頻不同,將第m個(gè)子脈沖的載頻記為fm。

雷達(dá)參差脈沖重復(fù)周期為T(mén)1、T2、T3時(shí),且一個(gè)脈沖寬度內(nèi)包含兩個(gè)頻率捷變子脈沖的發(fā)射波形示意圖如圖3所示。

圖3 本文方法發(fā)射波形示意圖

2)雷達(dá)接收機(jī)接收目標(biāo)反射的回波脈沖串,按照載頻將回波脈沖串分為M個(gè)回波數(shù)據(jù)矩陣,Xm表示第m種載頻下的回波數(shù)據(jù)矩陣。

3)利用特征矢量法獲得M個(gè)MTI濾波器的權(quán)系數(shù),分別記為Wm;其中,Wm為N×1維的向量,m=1,2,…,M;

(a)獲取每種載頻下的雜波自相關(guān)矩陣Rm:

(b)對(duì)矩陣Rm進(jìn)行特征分解,找出其最小特征值λm對(duì)應(yīng)的特征矢量Wm,Wm即為第m個(gè)MTI濾波器的權(quán)系數(shù);

4)用Wm對(duì)Xm進(jìn)行濾波處理,得到濾波結(jié)果,記為Ym:

5)對(duì)濾波結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)檢波,得到包絡(luò)檢波結(jié)果,并對(duì)包絡(luò)檢波結(jié)果進(jìn)行非相參積累,得到融合結(jié)果;

6)對(duì)融合結(jié)果進(jìn)行門(mén)限檢測(cè),得到目標(biāo)所在位置。

現(xiàn)有方法中雷達(dá)發(fā)射的脈沖只含有一種載頻,由于MTI濾波器響應(yīng)的不平坦性,導(dǎo)致雷達(dá)不論處于何種工作頻率下,其濾波器的速度響應(yīng)都會(huì)有多個(gè)較深的凹口,只是工作頻率不同時(shí),凹口位置對(duì)應(yīng)的速度不同而已,新方法通過(guò)頻率分集技術(shù)改變雷達(dá)的工作頻率,在多種載頻下MTI濾波器的凹口位置對(duì)應(yīng)的速度是可以錯(cuò)開(kāi)的,新方法等效的MTI濾波器速度響應(yīng)和現(xiàn)有方法的MTI速度響應(yīng)對(duì)比圖如圖4所示,由對(duì)比結(jié)果可見(jiàn)新方法的MTI速度響應(yīng)優(yōu)于現(xiàn)有方法。

3 計(jì)算機(jī)仿真

仿真條件:雷達(dá)發(fā)射的脈沖的個(gè)數(shù)N=4,每一個(gè)脈沖包含兩個(gè)子脈沖M=2,第一個(gè)子脈沖對(duì)應(yīng)的載頻為f1=1.25GHz,第二個(gè)子脈沖對(duì)應(yīng)的載頻f1=1.45GHz,雷達(dá)發(fā)射4個(gè)脈沖的時(shí)間間隔為T(mén)1=2ms,T2=2.4ms,T3=1.8ms,雜波速度散布均方根σv=0.22m/s,目標(biāo)速度變化范圍取-25m/s到300m/s,單個(gè)子脈沖的信噪比為20dB。

傳統(tǒng)方法的MTI濾波器速度響應(yīng)曲線與文中提出方法等效的MTI濾波器速度響應(yīng)曲線對(duì)比如圖4所示。利用本文提出方法和傳統(tǒng)方法分別對(duì)不同速度的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),在下面仿真中進(jìn)行10000次蒙特卡洛試驗(yàn),分別得到兩種方法的檢測(cè)概率隨速度變化的對(duì)比曲線,如圖5所示。

由圖4可以得到,傳統(tǒng)方法的濾波器的速度響應(yīng)有多個(gè)較深的凹口,本文提出方法等效MTI濾波器的速度響應(yīng)更平坦,進(jìn)一步可以提高雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)性能。由圖5可以得到,現(xiàn)有方法在多個(gè)速度區(qū)域的檢測(cè)概率都很低,對(duì)于絕大多數(shù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度,本文提出方法的檢測(cè)概率都明顯高于傳統(tǒng)方法。

本文提出的方法能夠通過(guò)頻率分集技術(shù)改變雷達(dá)發(fā)射波形,再對(duì)各載頻的MTI濾波結(jié)果進(jìn)行融合積累,等效地提高M(jìn)TI濾波器的頻率響應(yīng),進(jìn)而消除由于濾波器不平坦性給MTI雷達(dá)帶來(lái)的速度檢測(cè)盲區(qū),提高M(jìn)TI雷達(dá)的檢測(cè)性能。

圖4 速度響應(yīng)曲線對(duì)比圖

圖5 檢測(cè)概率曲線對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的方法采用了頻率分集技術(shù),在雷達(dá)時(shí)間資源一定的情況下將一個(gè)雷達(dá)脈沖拆分為多個(gè)載頻不同的子脈沖,對(duì)各載頻的脈沖回波分別進(jìn)行MTI濾波,在多種載頻下MTI濾波器的不平坦區(qū)域?qū)?yīng)的速度是可以錯(cuò)開(kāi)的,在一種載頻下檢測(cè)不到的目標(biāo)可以在另一種在載頻下檢測(cè)到,因此可以避免由于MTI濾波器響應(yīng)的不平坦性而導(dǎo)致很多速度的目標(biāo)無(wú)法檢測(cè)的現(xiàn)象產(chǎn)生,進(jìn)一步對(duì)各載頻的MTI濾波結(jié)果進(jìn)行融合積累,可以提高M(jìn)TI雷達(dá)對(duì)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)概率;此外,由于采用了頻率分集技術(shù),可以提高M(jìn)TI雷達(dá)的抗干擾能力。