機載預(yù)警雷達地雜波功率譜仿真與分析

中國電子科技集團公司第三十八研究所；孔徑陣列和空間探測實驗室　李小萍

1.引言

脈沖多普勒雷達基于其在檢測目標的獨特優(yōu)勢，在實際中應(yīng)用的越來越多，尤其在機載下視模式下，對地面、海面低空飛行的轟炸機、攻擊機、直升機、甚至巡航導(dǎo)彈等目標有著廣泛的應(yīng)用，其在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中起著舉足輕重的作用。然而，機載雷達采用下視工作時，面對的地面雜波往往是探測目標的重要阻礙，很多時候，目標的回波強度遠遠小于雜波強度，如何更好的對雜波進行抑制成為了國內(nèi)外長期研究的重點。

另外，脈沖多普勒雷達其獨特的優(yōu)勢是在頻域檢測目標，考慮到實際雷達系統(tǒng)中，雜波不是理想的均勻態(tài)，主瓣雜波以及彎曲雜波的不規(guī)則特性，采用傳統(tǒng)的一維CFAR檢測方法在高度線雜波附近存在大量的虛警，本文提出一種特殊的二維窗CFAR檢測方法，通過仿真可以看出，不管是模擬雜波還是實測數(shù)據(jù)，此方法都具有一定的優(yōu)勢。

本文首先介紹了機載雷達地雜波的典型后向散射特性，介紹了基于起伏RCS的雜波統(tǒng)計特性，然后對基于幅度分布為對數(shù)正態(tài)分布的雜波進行模擬，進而通過CFAR檢測方法對模擬雜波和實測數(shù)據(jù)進行分析處理對比，得出所提方法的優(yōu)越性。

2.雷達地雜波模擬原理

機載雷達雜波模擬的過程實際可以看做是地面上波束覆蓋范圍內(nèi)無數(shù)小散射體的回波矢量和，本文采用距離-脈沖的雜波模擬方法，距離間隔為系統(tǒng)脈壓后的距離分辨率，考慮每個距離環(huán)360度都存在雜波回波，將360度劃分為若干個小單元，其劃分間隔與多普勒分辨率有關(guān)。由于視線轉(zhuǎn)動、空氣擾動以及地面起伏等原因改變了散射體之間的相移關(guān)系，表現(xiàn)出一定的起伏特性，此隨機起伏特性可以用其通過雷達接收機的包絡(luò)檢波器后的幅度概率密度函數(shù)描述，本文采用對數(shù)正態(tài)分布來描述[1]。

根據(jù)雷達方程，每個散射體的雜波功率譜計算公式如下[2]：

式中，Pt為雷達發(fā)射峰值功率，λ為雷達波長，σ為服從一定分布特性的起伏RCS，L為系統(tǒng)損耗，分別為發(fā)射和接收方向圖映射到相應(yīng)單元的方向圖增益，Rm為單元斜距，fd為多普勒頻率。

3.起伏RCS數(shù)據(jù)模擬

3.1　地面雜波后向反射系數(shù)模型

機載雷達大部分處于下視工作模式，其回波不僅存在主瓣雜波，副瓣雜波，而且還存在副瓣波束近似垂直入射形成的高度線雜波，雜波后向散射系數(shù)的空間分布中值由兩部分組成，且為了區(qū)分不同地型的散射系統(tǒng)，非常典型的Morchin模型表達式為[3]：

表1　不同地形反射系數(shù)參數(shù)值

3.2　分布特性

在雷達回波中，我們關(guān)注的重點是有用的目標信號，而雜波回波相對來說是無用信號，需要雷達信號處理系統(tǒng)通過一定的手段剔除或者從中提取有用信號，然而不同的雷達參數(shù)、平臺特性所得到的雜波不盡相同，準確掌握雷達雜波性質(zhì)對雷達系統(tǒng)設(shè)計以及后續(xù)信號處理有著重要作用。

通過對大量實際數(shù)據(jù)的分析，雜波不能單純的用高斯分布來表示，其雜波幅度具有一定的分布特性，現(xiàn)有的描述雜波幅度變化的概率分布模型主要有：瑞利分布、對數(shù)正態(tài)分布、威布爾分布、K分布。非瑞利分布和瑞利分布的區(qū)別在于：一是在高概率區(qū)域有一個較長的拖尾，二是有一個較大的標準偏差與平均值的比值。很顯然，隨著雷達分辨率的提高、波束入射角的變化，更多的雷達系統(tǒng)回波已無法滿足瑞利分布。

考慮到預(yù)警機波束擦地角一般很小，對數(shù)正態(tài)分布更加符合實際，其概率密度函數(shù)為：

4.CFAR檢測方法

在均勻瑞利雜波環(huán)境下，CA-CFAR對雜波的參數(shù)估計為最大似然估計，當參考單元數(shù)較大時，檢測性能接近最優(yōu)[4]。

然而實測回波由于環(huán)境多變、系統(tǒng)特性，基本不滿足瑞利雜波的特性。采用傳統(tǒng)的CA-CFAR會存在虛警點較多，不利于信號檢測。本文根據(jù)實際情況，提出一種分區(qū)CFAR方法，對雜波頻譜中的強雜波區(qū)、噪聲區(qū)、高度線雜波區(qū)用不同的二維CFAR窗做處理[5]。

圖1　分區(qū)檢測器窗口示意圖

其中，在強雜波區(qū)域采用3×5的檢測窗，噪聲區(qū)采用7×7的檢測窗，高度線雜波區(qū)采用上圖所示的3×11檢測窗。

5.計算機仿真與分析

5.1　雜波仿真

仿真流程如圖2所示。

圖2　雜波仿真流程圖

計算參數(shù)：

雷達各項仿真參數(shù)如載機速度、載機高度、重頻、距離門、積累時間、掃描方式等與實際參數(shù)基本一致。同時雷達仿真工作于前視陣，按照探測覆蓋范圍，雷達仿真波束下傾1度。

圖3　RCS起伏的雜波模擬結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)仿真參數(shù)，我們可以得出：

系統(tǒng)仿真多普勒帶寬為100Hz，仿真重頻如果采用10.5k，通過計算，主瓣雜波應(yīng)落在2560/100+PRF/100/2=77附近。從仿真圖可以看出，主瓣確實在第70通道-80通道之間。如載機高度為7500米，從仿真圖可以看到，高度線雜波處于第120個距離門附近，符合實際情況。而且彎曲雜波是從高度線雜波逐漸延伸到主瓣雜波，理論分析與仿真結(jié)果完全吻合，從而驗證了仿真數(shù)據(jù)和方法的有效性。

5.2　CFAR仿真

仿真采用模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)分別處理來說明問題。通過傳統(tǒng)CA-CFAR與分區(qū)域CFAR方法做對比，對其虛警點做統(tǒng)計，得出檢測性能。

圖4　模擬雜波數(shù)據(jù)的CFAR檢測對比

圖5　實測數(shù)據(jù)的CFAR檢測對比

仿真過程為先把主瓣雜波搬移到零頻，再把主瓣雜波去除，然后開始做處理。從仿真結(jié)果可以看出，采用傳統(tǒng)的CFAR處理方法，在高度線附近存在大量的虛警，而采用二維分區(qū)CFAR檢測處理，由于采用特征值擬合，虛警點明顯減少。

6.結(jié)論

機載雷達雜波仿真在雷達系統(tǒng)設(shè)計中起著舉足輕重的作用，本文基于起伏RCS的雜波功率譜進行模擬，模擬的雜波數(shù)據(jù)基本滿足要求，另外從模擬數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)著手，提出一種分區(qū)CFAR檢測器，仿真和分析結(jié)果對比表明其方法的有效性。后續(xù)將進一步優(yōu)化分區(qū)檢測機制，在仿真和實測數(shù)據(jù)處理中設(shè)置更多的限制約束條件，如對環(huán)境和區(qū)域進行精細化劃分、基于信號特征進行精細化處理等方法，使之更有利于目標的提取和虛警的抑制。

[1]饒妮妮,基于數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)的機載認知雷達地雜波建模方法研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報,2016,04.

[2]任紅霞,雷達海雜波統(tǒng)計建模與仿真[D].山東:中國海洋大學(xué),2016.

[3]李慧.機載雷達雜波模擬[D].南京:南京理工大學(xué),2012.

[4]馬健.基于刪除平均和單元平均的CFAR檢測器性能分析[J].電子科學(xué),2012年,25(2).

[5]Loraine L.Campbell,Air-to-Air Radar Modes for the CP-140 Maritime Patrol Aircraft[D].Systems and Computer Engineering Carleton University,1996.