低空探測雷達海面雜波處理技術

楊曉東

摘要：本丈介紹了海雜波的信號特征分布、海岸線等陸海交界影響、海岸地表影響等特性。根據海雜波的特點，提出了雜波圖處理、靜點處理等雜波抑制方法，設計了掃描間相關、點跡評估等海雜波數據處理算法，實驗驗證了有效性。

【關鍵詞】海雜波 雜波圖 點跡評估

1 引言

海雜波干擾嚴重影響低空探測雷達的性能，低空探測雷達在對空警戒模式下，由于空中目標（飛機）的速度與雜波之問的速度差比較大，雷達通過多普勒處理就能從雜波中提取出目標，但是對于海而目標，由于它的運動速度與海雜波的速度接近，從雜波中提取目標信號比較困難。低空探測雷達一般在S波段內的雜波情況比較嚴重，隨著雷達頻率升高，雜波影響越嚴重，雜波與風速、海情、環境等相關，還隨著海而氣候變化、季節變化而不同，在低空探測雷達設計中，必須充分考慮到各種因素。

雜波干擾強會造成雷達自動錄取和自動跟蹤的困難，甚至會引起系統處理能力的飽和，降低雷達系統性能。本文就減少海雜波對低空雷達探測目標的影響，分析了海雜波特征，進行雜波圖技術、低速或固定雜波剔除技術等技術研究，提出掃描問相關處理算法、點跡評估算法等數據處理方法，通過實驗數據驗證了這些方法的有效性。

2 雜波特征分析

2.1 海雜波分布

海雜波的特性取決于海而形狀，雷達回波是從尺寸大小（粗糙度）可以與雷達波長相比擬的海上部分得到的。而海的粗糙度受風的影響，海雜波同時也取決于雷達天線波束相對于風向的指向。此外，海雜波還受水表而張力變化的影響，水相對于空氣的溫度通常也可能對海雜波造成影響。

多年來，已經提出許多理論模型來解釋海雜波。過去對海雜波的解釋是基于兩種不同的方法。一種是假設雜波是由海平而或接近海平而的散射特性引起的，另一種方法是將散射場當作一個邊值問題推導出來。這時海表而用某種統計過程描述最初的一種嘗試是假設可以用高斯概率密度函數來描述表而擾動。但是，根據高斯曲而計算海散射得到的結果似乎是合理的，但仔細檢查會發現并不與實驗數據相吻合。由于雜波回波的高可變性，雜波回波通常用概率密度函數來描述。

如果雷達照射的雜波表而區域內，有大量隨機散布的獨立的散射體，并且沒有一個比其他散射體大許多的獨立散射體。則接收機輸出端雜波電壓包絡的概率密度函數為：

瑞利分布雜波模型通常在雷達分辨單元很大，包含許多散射體，并且沒有一個比其他散射體大許多的獨立散射體的情況，適用于表征相對均勻的雜波。然而，當分辨單元尺寸和掠射角都很小時，它并不是雜波的一個很好的表征。此時，對數.正態分布是一個比較好的模型。當接收機為平方律檢波器時，回波功率的對數正態概率密度函數為：

2.2 海岸線的影響

在海陸交界處白天光照條件下，由于陸地和海水比熱的不同，二者的升溫速度不一。陸地升溫速度快，而海水升溫速度慢，這樣陸地的溫度T₁大于海水溫度T₂，結果陸地空氣受熱上升的程度大大超過海而空氣受熱上升的程度，而使海陸交界處形成一個真空泵，這個真空泵迫使海而的空氣向陸地方向流動，而海而上空的空氣又補充過來，從而形成對流（富含水蒸氣的對流）。在天氣晴朗且無多大風的情況下，這個對流會不斷進行下去。

而在夜問，情況正好相反。由于海水降溫速度慢，陸地降溫速度快，陸地溫度T₁小于海水溫度T₂。近海空氣在海水余溫的加熱下上升，而陸地上空的空氣則補充過來，也形成了對流，只要海水溫度與陸地溫度有差別，這個對流也會一直進行下去，這個對流也富含水蒸氣。

一個旋轉的富含水汽的氣團本質就是一團旋轉的云，當雷達波遇到這樣的氣團，其雷達回波會大大增強，且這種不停對流的氣團會產生不小的多普勒頻移，雷達MTI方式是無法對消的。這可能就是海岸線天氣晴朗，反而仙波比較密集且不分晝夜的原因之一。

2.3 地表環境影響

海岸線有一個特殊的地表環境，海浪會不停的涌上海岸然后又迅速的退去，如此不停的反復。當雷達的低波位電磁波照在這片區域時，其雷達回波時而是沙灘的反射，時而是海浪的反射。在接收端，由于沙灘和海浪對雷達波形的調制不同，導致不同的脈沖在幅度、相位上起伏較大，甚至會引起多普勒頻移，這也可能是海岸線上空雜波較多的原因之一。

3 雜波圖技術

由于海雜波的形成原因很多，在經過雷達信號處理檢測后，大量的虛假目標會出現。為了降低運動雜波的虛警概率，采用擴展雜波圖方法進行抑制，進行二次檢測。該方法采用的雜波圖單元劃分如圖1所示（示意圖），包括雜波圖單元和擴展單元。雜波圖單元劃分方法為等扇區雜波圖方法，即雜波圖單元是由若干個距離分辨單元和若干個方位分辨單元形成的扇區構成。這種雜波圖單元劃分方法的優點是實現簡單，易于工程實現；缺點是在遠距離雜波圖單元的切線方向距離過長，容易造成切向目標損失，并且跨雜波圖單元的運動雜波容易被檢出，虛警率較高。

可以利用雜波圖的劃分方法，將雷達的作用范圍劃分成小的區域，并對回波點跡落入不同區域的情況進行統計。再設置一個門限，當統計積累值超過該門限時，認為這里的回波點是靜止不動的，在回波檢測時，不輸出，也將其從緩存區中去掉。這種方法有利于那些慢動的雜波點。

4 海雜波過濾

4.1 掃描間相關

海雜波的時問相關性與多普勒頻譜成反比。雜波的去相關時問通常為歸一化的自相關函數的時問。海雜波長時問的弱相關性主要是由尖頭海浪引起的，不能靠脈間處理有效清除。利用目標的相關時間比較長，通過掃描間相關處理能有效去除由尖頭海浪引起的海雜波干擾。低空探測雷達由于作用距離遠，回波數據量大，所以在設計實現掃描間相關處理時需要有較大的存儲空間，合理的數據存儲結構。

4.2 點跡質量評估

點跡質量評估是點跡質量綜合管理的點跡預處理技術，它采用一種點跡質量評估的方法，主要對雷達探測形成的點跡，從空間特征、運動特征、信號幅度特征等多方面特征進行評估計算，最后形成點跡的綜合質量評估圖。

根據不同的海面環境情況，結合雷達實際工作參數情況，采用加權處理的方法得出點跡質量分值，根據分值的大小設置抑制雜波門限，一般情況下，雜波的分值低，目標的分值高。雜波抑制門限系數的選取原則，可以結合雷達探測量程考慮，采用分級處理。相對低空探測雷達對海工作而言，雷達架高通常比較高，為了更好探測海面目標，波束指向向下照射傾角較大，所以探測距離越近，雜波影響越大。

5 數據驗證

利用實際的海雜波數據，按照上述的雜波圖處理技術和海雜波過濾方法，通過程序設計，對多幀數據分析處理后的結果如圖2、圖3所示。從圖中對比可以看出，處理后的結果海雜波大大減少。

6 結語

本文針低空探測雷達強海雜波的一些特點，提出了擴展雜波圖等一些過濾方法和海雜波數據處理技術等，利用這些方法，可以減少海雜波對雷達目標跟蹤的影響，提高雷達的性能。但是，海雜波的形成原因很多，完全解決對雷達的影響，需要繼續更多的研究分析。

參考文獻

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