一種提高MTI/MTD雷達檢測概率的方法

任臘梅 劉逸群 成沙輝

(陜西黃河集團有限公司 西安 710043)

0 引言

雷達探測的目標，通常是運動著的物體，但在目標的周圍經常存在著建筑物、樹木、云雨等各種背景。相較于要探測的目標，這些背景通常反射面積很大，回波很強，目標往往被湮沒，檢測很困難，在這些強雜波背景中完成目標的檢測是雷達系統必需要面對的問題。由于這些背景往往是靜止或者慢速的，因此利用它們在速度上的差別，可以完成雜波的抑制。由于不同運動速度引起回波信號的多普勒頻移不相等，對信號多普勒頻率的區別便是對目標運動速度的區別，動目標顯示(MTI)和動目標檢測(MTD)通過頻率濾波實現對雜波的抑制，是現代雷達中普遍使用的技術[1]。

u′=U0ej[ωd(t-Tr)-φ0]

(1)

兩者相減后得相消器的輸出為：

Δu=u′-u

=U0ej[ωdt-φ0]·(1-e-jωdTr)

(2)

則濾波器的頻率響應特性為：

(3)

如圖2所示。

雙延遲MTI對消器為兩個單延遲對消器的級聯，濾波器幅頻響應為單延遲對消器的平方。

MTD處理是一種利用多普勒濾波器來抑制各種雜波，以提高雷達在雜波背景下檢測運動目標能力的技術。對消器級聯FFT的雜波濾波器是MTD的一種基本結構。

FFT處理構成一組在頻率軸上相鄰且部分重疊的窄帶濾波器組，可完成對多普勒頻率不同的目標信號的近似匹配濾波。在處理中為了降低濾波器副瓣，在FFT處理前進行加窗處理[3]，加漢明窗、8個通道MTD處理的頻率響應如圖3所示。

圖中，8點FFT形成的8個濾波器均勻分布在(0～fr)的頻率區間內，動目標信號由于其多普勒頻率的不同可能出現在頻率軸上的不同位置，因而可能從0～(N-1)的多普勒濾波器輸出。只要目標信號與地雜波從不同的多普勒濾波器輸出，目標信號所在濾波器輸出的信雜比將得到明顯提高。

1 MTI級聯MTD濾波器的幅頻響應特性

在實際應用中，通常采用MTI級聯MTD的方式，MTI級聯MTD的濾波器幅頻響應如圖4所示。

由圖4可見，級聯后的濾波器在中間通道幅度比較大，而在邊緣通道幅度較小，即MTI級聯MTD后濾波器不同通道的增益不同。由于濾波器增益的不同，系統噪聲通過濾波后在不同通道中幅值不同，即濾波后背景噪聲變得不平穩[4]。在雷達目標檢測中通常采用快門限結合慢門限的恒虛警檢測方法[5]，快門限來自于目標周圍的距離單元，而慢門限通常取整個波位各個通道噪聲的平均值。當背景噪聲不平穩時，算得的慢門限值不能真實反映當前波位噪聲幅值，不利于恒虛警檢測[6]，尤其對于有多普勒速度模糊的雷達，目標多普勒頻率處于濾波器過渡帶(比如圖4中的通道1、2、7、8)的概率較大，此時由于過渡帶內信號有衰減，若采用整個波位的噪聲幅值均值作為門限電平值，則目標信號可能會漏檢，這在雷達檢測中是不希望出現的。為了消除背景噪聲的不平穩性，文獻[4]提出了基于MTI濾波器幅頻響應的背景噪聲校正方法，根據某雷達實測數據分析發現，這種方法的校正結果呈現出與MTI濾波器系數倒數正相關的趨勢，校正后通道間噪聲差異仍比較大。這是因為噪聲分布具有一定譜寬，導致MTI對消有剩余，在邊緣通道處噪聲幅值的校正結果比理論值偏大。本文提出了以對消后剩余噪聲為基準的通道增益校正方法，使校正后各通道噪聲幅值一致，且可減小由于濾波器特性對過渡帶的衰減影響，既可改善慢門限檢測的虛警概率，又提高了多普勒頻率處于過渡帶目標的檢測概率。

2 通道增益校正原理

由于慢門限恒虛警檢測要求各個通道中的噪聲近似一致，則若將各通道信號(含噪聲)乘以不同的補償系數，使補償后所有通道的噪聲幅值相等，則可減小由MTI處理帶來的背景噪聲不平穩對慢門限檢測造成的影響。

設雷達有N個MTD處理通道，每個通道有M個距離單元，則令MTD處理后的數字信號為：

其中，xnm表示MTD處理后信號的第n個通道

的第m個點。對每個通道中的前L個點計算均值得：

其中[N/2]表示向下取整，y[N/2]+1表示中間通道的噪聲電平值，yn表示第n個通道的噪聲電平值。利用算得的N個歸一化系數對各通道中的所有點進行補償得補償后信號為：

一方面校正后所有通道的噪聲幅值均值近似相等，且該處理不改變通道內原始的信號噪聲比值關系，對快門限恒虛警檢測無不良影響，可保證不同通道使用相同的檢測慢門限時能獲得同等的虛警概率。

另一方面該處理可獲得穩定的檢測概率。假設第1通道信號幅度為A(dB)，噪聲幅度為B(dB)，根據MTI濾波器的幅頻特性曲線可知，對地雜波的改善因子為IA(dB)，以中間通道噪聲幅度歸一化，則第1通道的噪聲幅度的衰減為IB(dB)，則MTI后補償前雜噪比為A-IA-(B-IB)。該通道的補償系數為kdB=IB(dB),補償后實際輸出地雜波幅度為A-IA+IB，噪聲幅度為B，即雜噪比仍然為A-IA+IB-B。對地雜波而言改善因子損失為IB(dB)，當IA-IB滿足雷達地雜波對消比要求時，該方法對地雜波對消比的損失可忽略不計；而對多普勒頻率在過渡帶(如第2、7多普勒通道)的運動目標卻可補償濾波器過渡帶帶來的信號損失，保證該通道檢測概率。

3 實測數據處理結果

某雷達采用500μs的探測周期，一個波位內共探測10次，線性調頻信號脈寬40μs，帶寬5MHz，采樣率為20MHz，采樣波門寬度為50μs，每個探測周期采樣點數為1000。

取某次檢飛試驗實測數據中某一波位的信號進行分析，圖5為脈壓結果，此時所有脈沖的噪聲幅值一致。做3脈沖兩次對消，圖6為MTI處理結果，波位內不同脈沖的噪聲電平仍保持一致。MTI后的8個脈沖做8點FFT，圖7為MTD處理結果，可見此時不同通道的噪聲幅值差異較大。圖中實線為8個通道的噪聲幅值，虛線為所有通道噪聲的均值，從圖中可見兩邊通道的噪聲小于噪聲均值，中間通道的噪聲幅值大于均值；若以整個波位的噪聲均值作為該波位慢門限檢測基準，則當目標處于兩邊通道時檢測概率會降低，而當目標處于中間通道時虛警概率又會增加；這都不利于系統的恒虛警率保證。

取中間的第5通道噪聲電平為基準，計算1～8通道噪聲對第5通道噪聲的歸一化系數，用此8個系數對8個通道的信號分別進行補償。圖8為對MTD后數據進行通道增益校正處理的結果，其中實線為信號幅值，虛線為噪聲均值，圖中所有通道的噪聲電平都與噪聲均值保持一致。

該雷達采用MTI級聯MTD的處理方式，通過通道增益校正保證慢門限檢測的恒虛警，同時提高了處于過渡帶通道目標的檢測概率，經檢飛驗證該措施不影響雷達地雜波對消效果，運動目標慢門限檢測虛警率穩定，檢測概率保持恒定，是一種可行且有效的補償措施。

4 結束語

采用MTI級聯MTD處理后，各通道的背景噪聲不平穩，破壞了慢門限檢測的恒虛警率。以中間通道噪聲幅值為基準，計算各通道校正系數，用該系數對各通道信號(含噪聲)進行補償處理，可使所有通道噪聲背景一致，保證了慢門限檢測時的恒虛警率，且可提高過渡帶通道運動目標的檢測性能。