一種新型岸基對海監視雷達海雜波抑制方法

邱德厚

(中國電子科技集團公司第38研究所 合肥 230031)

1 引言

岸基對海監視雷達是現代海岸與海上防御作戰系統的主要組成部分，是海戰場情報信息的重要來源，通常擔負海面及低空監視，完成海面目標搜索、跟蹤以及導航任務。岸基對海監視雷達通常部署在海岸高山、海上海島以及海上平臺等，工作環境條件惡劣，面對固定海島雜波、運動海雜波、海上氣象雜波以及其他有源電磁干擾等，需要系統具有良好的對抗各種雜波干擾性能，實現海面及低空目標檢測。新型岸基對海監視雷達具備先進的技術體制，能夠進行海空目標同時監視，滿足海空一體戰需求;具有優良的信號處理能力，實現強海雜波背景中有用目標的檢測。本文主要論述分析了新型岸基對海監視雷達海雜波特性以及海雜波抑制方法。

2 海雜波特性

面對海洋環境，岸基雷達接收機將接收到大量的雜波，有用目標信號通常淹沒于各種雜波和熱噪聲背景中。為了實現對目標的檢測、跟蹤與識別等處理，必須找到能夠有效把目標信號和雜波區分開的特征量，即雜波特性分析。海雜波以其隨雷達極化方式、工作頻率、天線視角及海情、風向和風速等多個因素的變化而呈現明顯的非平穩、非高斯性，掌握海雜波特性，建立準確的海雜波模型，設計最優檢測算法，實現海雜波背景中目標檢測具有重要作用[1]。本章從海雜波反射特性與面雜波幅度分布特點兩方面分析了新型岸基對海監視雷達的雜波分布情況。

2.1 反射特性分析

有效檢測出海面雜波背景中的目標信號，取決于雷達回波信號強度與海雜波強度的比值大小，即信雜比SCR。雷達散射截面積σ表示目標強度大小，而海雜波強度與雷達波束有效照射面積有關，相同有效照射面積情況下海雜波的大小又取決于海雜波后向散射系數σ0，其含義為單位面積的雷達散射截面積。海面受到雷達波照射后，除了產生各向散射波外，還產生鏡像反射波，這種反射波是形成雷達多路徑效應的主要原因[2]。為描述海面或陸地反射雷達波的情況，定義了反射系數ρ，其含義為反射波與入射波的振幅之比。

2.1.1 后向散射系數

岸基雷達海雜波后向散射系數σ0隨著入射余角ψ的增大而增大，而入射余角ψ取決于雷達架設高度。后向反射系數表示如下:

式(1)中，σ0表示后向散射系數(dB);ρ表示反射系數(dB);ψ表示海面入射角度(°)。

圖1為設定一定雷達架設高度的情況下，不同波段岸基對海監視雷達在不同距離處的海雜波后向散射系數情況。

圖1 不同入射余角海雜波后向散射系數

另外，不同頻段雷達海雜波后向散射系數σ0隨ψ變化又劃分為:近切向入射區、平直區和近垂直入射區。

在近切向入射區內，σ0隨著ψ的增大以及雷達波長的減小而迅速增大。

在平直區內，σ0隨著ψ的增大以及雷達波長的減小而較緩慢地增大;而水平同極化的σ0要比垂直同極化的σ0受雷達波長的影響要大。

上述兩個區內，σ0隨海面粗糙度的增大而增大。

在近垂直入射區內，σ0隨著ψ的增大以及雷達波長的減小而增加更為迅速;但σ0隨海面粗糙度的增大反而趨于減小;同時，σ0與雷達波長的關系不大。

2.1.2 反射系數

新型岸基對海監視雷達工作在C波段，測量精度與分辨率高;數字波束形成，分區域、分能量覆蓋探測范圍;分布式有源陣列，通道瞬時動態大。由以上雷達技術特點，分析不同海情下該雷達海雜波幅度分布特點，海雜波反射系數

式(2)中，ρ表示反射系數(dB);KB表示海面蒲福風級;ψ表示海面入射角度(°);λ表示雷達波長(m)。

在海上I、IV級海情情況，蒲福風級KB=2、5，對應兩種海態下的海雜波反射系數如圖2所示。

圖2 不同海情海雜波反射系數

2.2 幅度分布特點

海雜波幅度分布的典型模型有瑞利分布(Rayleigh)、對數正態分布(Lognormal)、韋布爾分布(Weibull)、K分布、α穩定分布等，通過更準確地模擬海雜波的分布可以更好提高目標檢測精度。

新型岸基對海監視雷達發射單筆形波束，接收3個對海筆形波束，降低了雜波單元反射面積，提高了信雜比水平，三個接收波束雜波分布情況如圖3所示。

圖3 不同接收波束雜波幅度分布特點

從不同指向接收波束回波分布可以看出:近距離大入射角時，海雜波后向反射率變化劇烈，高波束雜波相比低波束雜波較大;遠距離小入射角，海雜波后向反射率變化相對平緩，高波束雜波相比低波束雜波很大。根據不同波束分布特性，綜合考慮對海探測時雷達陣地，選擇合適的波束回波輸出。

3 海雜波抑制方法

3.1 自適應門限設置

海面上艦船目標通常具有較大RCS，海面上艦船目標的檢測又受到通視距離的限制，在準最佳的得、失比較中通常的方法是利用提高檢測門限來改善海雜波中目標的檢測效果[3]。根據海浪雜波強度在距離上的分布特點，結合海域探測區的設置，由近及遠按距離段由高到低自適應調整檢測門限，既可壓制近距離海雜波強度，又不影響通視條件下的遠距離海上目標的檢測。距離上的自適應輸出門限設置，使時域雜波分布得到平滑，單元平均選大輸出信號損失小。

另外，海雜波功率可能會隨距離的變化有非常大的起伏，這些起伏是由一些距離單元上的海面艦船目標或礁石附近海面的異常變化導致，并不反映常態海雜波的功率隨距離的分布情況。

新型岸基對海監視雷達抑制時域海雜波分布分析如下:假如海雜波時域分布如圖4所示，在雷達回波時域尚存在一個小目標信號和一個大目標信號，自適應分段門限控制視頻回波輸出，得到圖5回波平滑后過門限信號輸出。圖5中上圖為對數回波輸出及分段門限設置，下圖為信號與噪聲差值及過門限輸出。

圖4 對數正態雜波分布

圖5 過門限回波輸出

3.2 脈間頻率捷變

由于海面風速的影響，海雜波包括快起伏與慢起伏兩個部分，頻域處理難以區分海面慢動目標與海雜波，新型岸基對海監視雷達利用工作頻帶寬特點，采用脈間頻率捷變實現快起伏海雜波去相關(即噪聲化)，去相關后的回波脈沖非相參視頻處理，提高回波信噪比，實現有用目標的檢測。

脈間頻率捷變較固定頻率帶來的得益如下，假設海面“白帽雜波”(快起伏強相關海雜波)相關時間 τc=6ms。

一個水平波束寬度內回波脈沖數:

式(3)中Fr表示脈沖重復頻率;Td表示波束駐留時間。

如果脈間固定載頻時，等效的相互獨立脈沖數:

則脈間固定頻率時的積累增益:式(5)中L(N1)為積累損失:L(N1)=D0(N1)×N1/D0(1)，D0(1)表示單脈沖信噪比。

如果脈間頻率捷變時，等效的相互獨立脈沖數:

則脈間頻率捷變時的積累增益:

式(7)中L(N2)為積累損失，L(N2)=D0(N2)×N2/D0(1);D0(1)表示單脈沖檢測信噪比。

3.3 寬帶信號檢測

對海探測時，面分布海雜波反射強度取決于后向反射面積σC。海雜波空間后向反射面積σC與雷達天線波束有效照射面積成正比，即由雷達水平波束寬度θh、作用距離R、距離分辨單元τ以及天線波束擦地角 φ決定。具體如公式:σC=σ0RθhCτsec(φ)/2，σ0為海雜波后向反射率。

寬帶信號檢測能夠大大增強對海尖峰雜波中的小目標檢測能力。

3.4 非相參視頻積累

新型岸基對海監視雷達脈間頻率捷變工作實現快起伏海雜波去相關，脈沖間回波信號不具有相參性，通過脈間非相參積累提高系統信噪比，滿足海雜波背景中目標檢測需要[4]。非相參積累圖示如6所示。

圖6 五脈沖非相參積累

在不同載頻脈沖回波第51至60個距離單元，第540至550距離單元分別存在兩個大小目標回波信號，背景為高斯噪聲背景，固定直線表示檢測門限。圖6中前5個脈沖信號為不同載頻單脈沖回波，第6個脈沖為5脈沖非相參積累信號。

從上圖可以看出，積累前單脈沖信號幅度具有起伏性，只有高于檢測門限的幅度較大的輸出才能被檢測到，因此相鄰脈沖輸出有的能被檢測到，有的不能被檢測到，目標回波在終端顯示會明暗變化劇烈。非相參積累后的目標信號幅度與隨機噪聲電平均得到平滑，信噪比會有所提高，有利于有用目標信號的檢測輸出。

3.5 海面目標跟蹤

海通道回波檢測后通常會存在較多虛警，同時由于目標運動速度較慢，因此要求終端數據處理具有很強的數據相關處理與跟蹤濾波能力，提高對靜態存在目標的跟蹤判斷能力，保證輸出情報信息完整性。

3.5.1 Hough變換法進行海面目標跟蹤起始

基于海雜波特性和艦船目標的運動特性，擬采用Hough變換進行目標自動起始驗證。

Hough變換法是通過式(8)將笛卡兒坐標系中的的觀測數據(x，y)變換到參數空間(ρ，θ)，

其中 θ∈[0，180°]，對于一條直線上的點(xi，yi)，必有兩個唯一的參數ρ0和θ0滿足:

由公式(9)可知，數據空間的一點經Hough變換后在參數空間上形成一條曲線。參數空間上的每一點唯一對應數據空間上的一條直線，數據空間的同一條直線上的點在參數空間應該交于一點。通過檢測該交點即可確定數據空間的直線，這就是Hough變換的原理。圖7給出了Hough變換的示意圖。

將雷達的時間－距離平面(r，t)視為數據空間，其相應數值為雷達回波能量，運用Hough變換即可實現對目標的檢測。實際檢測結構中，為了便于數據處理，將數據空間和參數空間分別離散化，形成一個個方格(單元)，每個方格的中心點為

圖7 Hough變換示意圖

式中 δθ= π/Nθ，Nθ為參數 θ的分割段數;δρ=L/Nρ，Nρ為參數ρ的分割段數，L為雷達測量范圍的兩倍。基于Hough變換的檢測過程如下:首先將點跡數據經Hough變換轉換到參數空間;然后，對參數空間的每個方格累加通過的每一條曲線的數值(即對回波信號進行非相干積累)，并與在參數空間上設置的門限進行比較，積累能量超過第二門限的方格被認為是檢測點，即認為檢測到了信號;最后，通過逆Hough變換，參數空間的檢測點被映射回數據空間，形成時間－距離平面的目標航跡，即可實現對目標的檢測起始。當存在雜波時，通過第一門限的雜波與目標信號一起經Hough變換轉換到參數空間。由于雜波是隨機的，而目標信號具有很強的相關性，因此，目標信號對應的Hough單元的積累值以高概率高于其它單元。綜上所述，因為充分利用了信號與雜波具有不同統計特性的特點，故基于Hough變換的信號檢測可以從強雜波環境中檢測出目標。

3.5.2 目標停航與啟航處理

海面目標與空中目標不同，海面目標在航行的過程中隨時可以停止行駛并停泊在原地一段時間后重新啟航行駛。數據處理軟件需要對海面目標進行停航判斷，主要是根據目標的航跡跟蹤質量、目標運行速度進行判斷;當判斷目標為停泊狀態后，需要保留航跡批號，進行固定點跟蹤，并判斷是否進行啟航處理。

3.5.3 軟件雜波圖處理

對海監視雷達探測目標時，為保證對海面以及海雜波背景中小目標的檢測性能，雷達信號處理往往降低目標檢測輸出門限，這樣會大量增加畫面虛警率，不利于目標的觀測與跟蹤處理。雷達數據處理終端設計軟件雜波圖對區域性密集分布的復雜類型雜波進行相關處理，達到控制虛警與提高目標檢測跟蹤性能。首先將雷達作用空域在方位、距離上按一定間隔等分成許多空間小區域，采用計算點跡密度的方法來確定哪些空間小區域屬于雜波密集區域。將相鄰的雜波密集區合并，得到空間雜波密集區域。對雜波密集區域內的點跡進行幅度門限檢測。這種雜波圖方式與信號處理處的功能類似，但是基于的數據樣本不同，參考國外同類型雷達，例如法國的STER雷達，其采用對目標回波進行打分的方式進行雜波剔除。打分越高的認為是目標回波，優先采信，而打分越低的認為是雜波，予與剔除。

4 結束語

新型岸基對海監視雷達能夠同時實現海面艦船目標的兩維定位與空中目標的三維定位，具有較強的空海一體戰能力，根據該雷達戰技特點應用相應的海雜波抑制方法，更好的滿足未來海戰場情報信息獲取的需要。

[1]歐陽文，何友，靳煜.基于統計模型的時－空相關海雜波仿真[J].系統仿真學報，2006，18(2):467－471.

[2]姚云萍，段昶，方慶.一種船用雷達的海雜波抑制算法[J].火控雷達技術，2011，40(03):32－36.

[3]吳三元，邱新軍，馬來群.海面RCS與雷達海上目標檢測[J].火控雷達技術，2008，37(2):51－53.

[4]李宗武.直升機機載雷達抗海雜波技術研究[J].現代雷達，2000，22(1):10 －14.