一種用于VTS 導航雷達的雜波圖恒虛警率處理技術

練學輝，丁 春

(1.海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003;2.中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 210003)

0 引言

船舶交通管理系統(Vessel Traffic Services，簡稱VTS）中的導航雷達一般是固定部署，提供水面船只或者浮標等目標的點跡或航跡供用戶使用。部署于國內某VTS中的導航雷達全天候工作，監視范圍從幾千米到幾十千米不等，需要處理包括江面雜波、云雨雜波、地物雜波等在內的各種雜波。對于固定部署的雷達，常采用各種雜波圖技術實現恒虛警率檢測。JY-14雷達是一部現代三坐標對空監視雷達，采用了多種雜波圖，不僅提供氣象雜波的速度圖，也提供地雜波的雜波輪廓圖。ASR-10SS 是一種用于航管的監視雷達，雜波圖技術在其中的功能包括零頻通道切向目標檢測、各頻道CFAR 門限控制、控制射頻和中頻的衰減、提供氣象速度圖、濾除固定雜波等。利用經典的雜波圖理論，對于地物雜波的處理可以獲得比較理想的效果，但在某些極端環境下會有較多剩余雜波。例如，當風力較大時，江面波浪會產生服從瑞利分布的雜波。經典的雜波圖理論使用一定時間內雜波功率的均值估計檢測門限，產生較多剩余雜波，導致較大虛警。當剩余雜波超過一定數量時，會產生飽和現象。有序統計的方法可以有效解決這類問題，但涉及到單元格內部所有雷達分辨單元幅度的排序，計算量較大，對硬件要求較高。本文引入自適應剩余雜波飽和抑制技術，可以迅速判斷并解決剩余雜波飽和的問題。

1 雜波圖恒虛警率處理模型

雜波圖恒虛警率處理一般涉及以下三個重要的方面，一是雜波圖的拓撲結構如何劃分，二是每一個雜波圖單元格中的雜波功率如何估計，三是雜波圖單元格中的檢測門限如何根據雜波功率設置。

1.1 雜波圖的拓撲結構

雜波圖的拓撲結構指對于監視區域如何劃分。最常用的拓撲結構是將雜波圖單元格的距離寬度和方位寬度都設為相同。針對不同的應用環境，常需結合實際情況及距離遠近，選擇更細致復雜的劃分方式，需要解決好雜波拓撲與環境匹配、工程易用性等問題。在該VTS中，一般在10 km左右就有橋梁遮擋或者是航道彎曲帶來的遮擋，實際有效監視距離大約是10 km，背景環境相對簡單。雜波圖中所有單元格的距離寬度設為實際探測區域中絕大多數運動目標回波距離寬度的5 倍，方位寬度設為實際探測區域中絕大多數運動目標回波方位寬度的3 倍，即可與實際環境較好地匹配。雜波圖單元格過小，會以較大的概率產生“自遮蔽”效應;雜波圖單元格過大，可能會同時包含江面、船只、浮標、橋梁、島嶼等不同類型的回波，導致雜波分布的改變，導致較大的虛警率或者較大的恒虛警率損失。本文不考慮雜波圖單元格包含橋梁和島嶼的情況，只考慮雜波圖單元格最多包含江面、船只、浮標3種回波的情況。

1.2 雜波功率估計

對于某一雜波圖單元格，在第k個天線周期掃描后，首先計算出當前單元格內所有雷達分辨單元上的平均幅度，記為xk，雜波功率可以通過簡單的一階遞歸濾波器得到。該濾波器的數學形式為

1.3 雜波圖格子的檢測門限

在第k個天線周期，某一雜波圖單元格內的檢測門限可以由下式計算得到:

式中α 是關于檢測門限與雜波功率估計的比例系數。檢測門限是基于上一個天線周期的雜波功率估計，而不包含當前天線周期的掃描數據。如果當前天線周期該單元格包含目標且參與統計，則將會影響對雜波的估計，抬高檢測門限，從而可能導致所謂的自遮蔽效應。

1.4 自適應剩余雜波飽和抑制

剩余雜波飽和產生的原因是對于雜波功率估計偏小，或者是式(2）中的比例系數α 偏小，需要將檢測門限增大，以抑制雜波剩余飽和的現象。

記p為預設的過檢測門限的雷達分辨單元數與雜波圖單元格內雷達分辨單元數N 之比的上限，r 是一微調增量。當過檢測門限的雷達分辨單元數大于p×N時，將檢測門限Tk增加r，再將各過檢測門限的雷達分辨單元與檢測門限比較，統計過檢測門限的雷達分辨單元數，直到該數值小于p×N為止。其中，微調增量r的取值一般不超過熱噪聲雜波幅度在最近一段時間內的最大變化范圍。p的取值需要通過統計雜波圖單元格中最大可容納目標所含有的雷達分辨單元數來確定。采用這種方法增大檢測門限，既減少了剩余雜波，也考慮到了船只的反射功率一般比江面雜波強的情況。

工程中使用包含自適應剩余雜波飽和抑制的雜波圖恒虛警率處理某一雜波圖單元格的流程如圖1所示。

圖1 雜波圖恒虛警率處理流程圖

2 仿真分析

選取某導航雷達含有雨雜波的雷達視頻，按照方位7.5°、距離450 m 劃分雜波圖單元格，以下對于其中某一單元格應用雜波圖恒虛警率處理進行分析。圖2所示為該單元格中的雷達視頻，其中含有一個浮標，兩個運動目標，幅度的最小值為1900，最大值為2700。

圖2 某單元格中的雷達視頻

2.1 雜波功率估計的收斂速度的比較分析

圖3 各個天線周期的雜波功率估計

2.2 剩余數的比較分析

因子w 設為0.3，雜波功率估計的初始值^x0取為1960，式(2）中的比例系數α 設為1，過檢測門限的雷達分辨單元數與雜波圖單元格內雷達分辨單元數之比的上限p分別設為0.1、0.15、0.2和0.25，檢測門限的微調增量設為20，運行30個天線周期。

圖4所示為檢測門限的幅度值。上限p為0.1 對應的檢測門限比其他的都高，上限p為0.2和0.25 對應的檢測門限基本一致。

圖4 最大比例不同時的檢測門限的幅度值

圖5所示為計算檢測門限的次數。上限p為0.1時，在雜波功率估計收斂后計算檢測門限的次數在3～5。上限p為0.2和0.25時，在雜波功率估計收斂后只需要計算一次檢測門限，因為根據式(2）計算一次檢測門限就可以保證過檢測門限的雷達分辨單元數滿足比例要求。

圖5 最大比例不同時的計算檢測門限的次數

圖6為過檢測門限的雷達分辨單元數。上限p 取值為0.15、0.2和0.25時，在雜波功率估計收斂后，過檢測門限的雷達分辨單元數介于300～600，取值相差不大。當上限p 降低到0.1時，經過自適應剩余雜波飽和抑制，在雜波功率估計收斂后，過檢測門限的雷達分辨單元數降低到250～300。

圖6 最大比例不同時過檢測門限的雷達分辨單元數

圖7所示為p 取0.1時圖2中的單元格經過自適應剩余雜波飽和抑制的雜波圖恒虛警率處理的結果，可以看出雜波有少許殘留，浮標以及兩個運動目標都得到保留。

圖7 雜波圖恒虛警率處理的結果

3 結束語

對于雜波圖恒虛警處理在某些情況下雜波剩余飽和的問題，本文給出了一種基于自適應剩余雜波飽和抑制的雜波圖恒虛警率處理的方法，并且對導航雷達的視頻進行了仿真分析。目前，該方法已在某導航雷達目標檢測中得到應用，證明了這種方法的有效性。

［1］王小謨，匡永勝，陳忠先，等.監視雷達技術［M］.北京:電子工業出版社，2008.1.

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