單脈沖法在海面目標跟蹤中的應用

文/魏文寶 厲旭冉 賀國君

單脈沖法在海面目標跟蹤中的應用

文/魏文寶 厲旭冉 賀國君

通常平穩區海面目標的檢測受到海雜波的影響，海況越高海雜波回波強度越大，限制了信雜比，影響海面目標的檢測，本文基于海雜波背景，采用單脈沖方法進行雜波抑制，提高目標檢測區的信雜比，利用試驗測量數據進行分析和驗證，對比不同信雜比條件下單脈沖方法對海雜波抑制的信雜比得益，在低信雜比條件下有一定改善效果，對工程應用具有一定的指導價值。

單脈沖 海雜波 目標跟蹤

1 引言

近年來，隨著海洋資源和權益的爭奪，海面船只和艦艇監視、跟蹤與打擊逐漸成為裝備發展的重要方向之一，而海面目標的檢測和跟蹤會受到海況的影響，因此海雜波背景下的目標檢測與跟蹤成為重要的研究方向。

國外在海雜波分布特性研究較早，取得了大量的研究成果，以雙參數K分布為典型代表的復合高斯分布族，能夠較好的表征海雜波的分布特性，也有大量的學者采用零記憶非線性變換、球不變隨機過程和混沌模型等方法進行海雜波仿真用于檢測方法和性能分析；不同海雜波背景下目標檢測作了大量的試驗和算法研究，如文獻[4]采用海邊試驗雷達錄取數據的方法分析了雜波下的浮冰檢測性能，但在掠海角和雜波分布特性上與中高空平臺的檢測存在一定差異，用于火控攻擊指導價值不高；文獻[5]基于混沌的目標檢測算法，開拓新的檢測方法，提高了一定的檢測性能；目前國內吳迪等人提出了單脈沖成像算法在實波束地圖中的應用與性能分析，有效改善圖像的分辨率，本文將單脈沖算法應用于海面目標跟蹤中，分析信雜比改善情況。

2 海雜波分布

海雜波是由大量相同的散射體或散射面的回波矢量累加合成的，在低入射角雷達觀測時，雜波包絡分布呈現長拖尾和大標準差，不再服從瑞利分布，而是服從復合高斯分布，包括萊斯分布、廣義高斯分布、威布爾分布和K分布等，其中K分布能夠在多種海況條件下與海雜波的包絡吻合良好，K分布模型表示為快變的瑞利分布與慢變的Gamma分布的乘積，K分布的概率密度函數為：

同時存在目標、噪聲和海雜波的情況下，對于SwerlingⅠ型或Ⅱ目標，在給定雜波局部均值水平y的條件下，單脈沖回波的聯合包絡具有萊斯分布的形式：

A2為瑞利分布起伏目標回波包絡的均方值，z為目標回波加雜波和噪聲的合成包絡。

3 單脈沖原理

單脈沖技術是一種成熟的角度測量技術，也稱為同時波束比較測角法，通過兩個或多個獨立的接收支路同時接收目標的回波信號，然后將這些信號的參數加以比較（比幅或比相），從中獲得精確的目標角位置信息。替代傳統的順序波瓣法，提高了測角的效率同時也降低因目標起伏帶來的測角誤差，單脈沖測角是指單個脈沖或者一串脈沖的一次處理計算出目標回波或輻射源信號相對于電軸方向角度偏差，單脈沖雷達系統的和通道與差通道的復信號為：

4 單脈沖法用于海雜波抑制

對海監視和跟蹤雷達，通常采用較低重頻單脈沖體制雷達，假設機載雷達按照圖1所示，平臺速度Va，俯仰角為θe，雷達接收信號為S(t),噪聲為n(t)，海雜波為C(t)，雷達接收到回波信號為：

圖1：雷達探測海面示意圖

圖2：海面目標跟蹤處理流程圖

圖3：錄取海雜波數據

圖4：海雜波直方圖統計

圖5：海雜波K分布擬合

發射信號可表示為：

A'為發射信號幅度，a(t)為對A'的幅度調制，w0為載波頻率，θ(t)時關于w0(t)的相位調制，β'為在t=0時刻的初始相位，τ為波形持續時間。

雷達反射信號為：

A為接收信號的幅度，td為目標回波延遲，β為t=td時刻的初始相位。

單脈沖雜波抑制的海面目標跟蹤信號檢測流程為圖2所示。

在海面目標跟蹤過程中，錄取了全部距離門的距離-方位角誤差信息，根據判斷每個距離門的差通道角誤差信息，如果角誤差落在波束寬度外，對應在距離門回波不參與雜波背景噪聲統計，可降低雜波和噪聲的局部功率電平值，改善目標信雜比。該方法對慢變的調制分量無法實現抑制，對快變的散斑分量和噪聲分量可以起到一定的抑制效果。

5 仿真結果及分析

5.1 實測海雜波數據分析

通過某試驗雷達錄取的對海數據，采用直方圖法統計不同信號幅度的海雜波分布情況，與K分布擬合包絡吻合良好，其中擬合形狀參數γ為0.55，尺度參數b為0.59；圖3為實際錄取的海雜波數據，錄取距離為250km，歸一化最大海雜波尖峰的幅度為17.5；圖4為海雜波幅度的直方圖統計結果。圖5為海雜波的K分布擬合結果，擬合結果驗證了K分布可有效擬合海雜波。

5.2 單脈沖法雜波抑制仿真結果

在信雜比分別為12dB和20dB的情況下進行仿真分析，假設采用4脈沖非相參積累，按照非相參積累處理后再采用單脈沖抑制處理，與每個脈沖分別作單脈沖抑制處理后再做非相參處理，兩種方法進行對比分析，單脈沖處理角誤差門限取半波束寬度，超出半波束的雜波或噪聲去除，不參與背景電平統計，通過仿真分析，兩種不同的處理方法，對信雜比改善情況。

仿真1：多個脈沖非相參積累處理后的平均信雜比為11.76dB的信號，圖6為采用非相參處理后的再作單脈沖雜波抑制處理，如圖6所示，SCR為12.54dB，改善0.78dB。每個脈沖分別采用單脈沖法抑制雜波和噪聲，再進行非相干處理，得到SCR為12.74dB，能夠提高0.98dB，對比不作單脈沖雜波抑制能夠改善1dB，如圖7。

仿真2：當信雜比為20.03dB的目標信號，采用相同的處理方法，圖8為先采用多脈沖非相干積累后再作單脈沖雜波和噪聲抑制處理，SCR為20.21dB，改善0.18dB。每個脈沖分別采用單脈沖法抑制雜波和噪聲抑制，再進行非相干處理，SCR為20.33dB,改善0.31dB，如圖9所示。

圖6：非相參后抑制處理

圖7：非相參前抑制處理

圖8：非相參后抑制處理

圖9：非相參前抑制處理

因此在采用單脈沖抑制雜波和噪聲處理時，在多個脈沖進行非相參積累處理前分別對每個脈沖做單脈沖雜波抑制，然后再作非相參積累處理，信雜比得益要高；在小信雜比和大信雜比不同條件下，小信雜比的處理得益要大于大信雜比。

6 結論語

本文根據機載平臺的海雜波的分布特點，將單脈沖方法應用于海面目標跟蹤雷達，分析不同信雜比條件下，單脈沖法用于雜波和噪聲的抑制，在小信噪比條件下可改善信雜比，有利于提高目標跟蹤的穩定性，具有一定的工程指導意義。

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作者單位 南京電子技術研究所 江蘇省南京市 210039

魏文寶（1983-），男，安徽省來安縣人。碩士學位。現為南京電子技術研究所工程師。研究方向為火控雷達總體技術。

厲旭冉（1983-），男，江蘇省灌南縣人。學士學位。現為南京電子技術研究所工程師。研究方向為雷達總體與系統集成技術。

賀國君（1979-），男，江蘇省揚州市人。學士學位。現為南京電子技術研究所高級工程師。研究方向為機載雷達電訊總體設計。