雷達的幀間相關處理方法研究

張 曄 孫漢奇 陳伯孝 楊 婷

(1.南京長江電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司 南京 210038；2.西安電子科技大學 西安 710071)

0 引言

對海面目標探測的雷達由于受到復雜海情或海況的影響，特別是海尖峰，導致虛警概率較高。盡管對海雷達一般都采用海雜波抑制技術，但是目前的海雜波抑制技術基本都是基于雷達當前幀內(nèi)(即在一個掃描周期的一個波位內(nèi))的數(shù)據(jù)，采用一些信號處理方法來抑制海雜波。常規(guī)的海雜波抑制方法有三大類：

1)基于時域的海雜波抑制技術，其中包括參數(shù)濾波法[1]、圖像處理法[2-5]、預測方法[6-7]、子空間方法[8]等。

2)基于頻域的海雜波抑制技術，主要有MTI(Moving Targets Indication)、MTD(Moving Targets Detection)，利用當前幀內(nèi)一個波位的多個脈沖之間的回波信號進行雜波抑制。其原理就是利用目標回波與雜波在頻譜上的差異性，從而抑制海雜波提取目標信號。但是MTI/MTD抑制海雜波多普勒頻率附近的所有信號，其中包括海面慢速目標的信號，所以不能有效地檢測出低速運動目標。

3)空時自適應處理STAP(Space-Time Adaptive Processing)方法，對于機載雷達來說，來自不同方向上的雜波具有不相同的多普勒頻率，故而其雜波具有空時耦合特性。為了抑制雜波，需要進行空時二維的聯(lián)合濾波。

檢測前跟蹤(TBD)[9-10]是一種利用多幀數(shù)據(jù)進行相關處理的方法，它直接對匹配濾波后的雷達回波脈沖或經(jīng)過相干積累后的多幀連續(xù)數(shù)據(jù)進行處理，同時給出目標的檢測結(jié)果和航跡信息。TBD方法直接采用未經(jīng)門限處理或者低門限處理的數(shù)據(jù)，不會造成潛在信息的丟失，并且弱小目標的信噪比可以通過多幀積累得到提高。但是TBD方法較為復雜，存儲量大，硬件實現(xiàn)比較困難，難以在雷達上實際使用。考慮到海面目標運動的有序性以及海雜波(特別是海尖峰)的隨機性，本文根據(jù)海面目標在多圈之間(也稱幀間)的運動特征，研究在幀間運動包絡對齊的基礎上進行視頻積累或二進制積累的幀間相關處理方法，并給出仿真和實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

1 問題描述

雷達對海面目標進行探測時，會受到海表面運動對雷達發(fā)射信號后向散射的嚴重干擾，通常稱這些干擾為海雜波。海尖峰本質(zhì)上是海浪碰撞產(chǎn)生的碎波，不完全等同于海雜波，海尖峰具有更強的隨機性和不可預測性，甚至比海雜波更強，可以看成一種特殊的海雜波。海雜波、海尖峰對雷達檢測性能產(chǎn)生嚴重的影響。

現(xiàn)有的海雜波抑制方法，利用當前幀(圈)的數(shù)據(jù)進行海雜波抑制。海面目標運動速度一般都比較慢，只有20m/s左右。采用MTI或MTD處理時，海面目標也經(jīng)常與海雜波一起被抑制掉。因此，需要探索能有效抑制海雜波的同時，也不影響對海面目標的有效探測。由于警戒雷達的數(shù)據(jù)率一般在10s左右，海雜波和海尖峰的相關時間小于10s，且具有隨機性，因此在多圈(幀)之間海雜波和海尖峰不具有相關性。而對海面目標而言，由于其運動速度較慢，在數(shù)十秒(以80s為例)時間內(nèi)，目標也運動了數(shù)百米，若雷達的距離分辨率為10m(現(xiàn)代對海探測雷達為了減小雜波單元的面積，一般采用較高的距離分辨率)，則目標也運動了幾十個距離單元，因此，在幀間相關處理時，需要對目標走動的距離單元進行包絡對齊[11]，才有可能進行幀間相關處理。下面介紹幀間相關處理的原理和處理流程。

2 幀間相關處理存在的問題

幀間相關處理，是利用雷達多圈之間的數(shù)據(jù)，在包絡對齊的基礎上進行視頻積累或二進制積累[12]。它是為了在海雜波背景下針對海面慢速目標的探測而提出的。這里假設幀間相關處理的圈數(shù)為8幀，警戒雷達的數(shù)據(jù)率一般為10s，需要考慮在70s時間內(nèi)進行相關處理。即使是海面目標，也需要考慮目標跨距離單元和跨波束的問題，因此，本文建立如圖1所示的雷達分辨單元模型，討論目標位于雷達視線方向分辨單元中心時，目標跨距離單元數(shù)和跨波位分辨單元數(shù)。

假設距離分辨單元大小為Δr，方位分辨單元(半功率波束寬度)為θ3dB，目標速度大小為V，速度方向與雷達視線方向夾角為α。目標初始位置是在雷達視線方向上距離雷達R0處，其極坐標可以表示為(R0,0)，若t0為雷達轉(zhuǎn)一圈所需的時間，則在第k圈，即t=kt0時，目標位置的極坐標(R(k),θ(k))可表示為：

(1)

(2)

在遠場情況下，若R0?Vkt0，則式(1)式(2)可以近似表示為：

R(k)≈R0+Vkt0cosα

(3)

(4)

分別計算出目標在第k圈跨距離單元數(shù)和跨波位分辨單元數(shù)為

(5)

(6)

其中，round表示四舍五入。假設θ3dB=1.2°，Δr=25m，α=60°，目標初始距離20km，速度分別為[5、10、15、20]m/s，這時目標跨距離單元數(shù)和跨波位分辨單元數(shù)如圖2所示。可見目標在距離和方位維都跨越了多個分辨單元。多幀之間視頻積累之前需要進行包絡補償。

針對在多個掃描周期幀間目標跨方位波位的問題，這里假設目標速度為30m/s，運動方向與波束指向的夾角為0°～330°，目標距離為50km，則在8圈之間，目標跨波位數(shù)N如式(7)所示，式中8行分別表示第0至第7圈；各列分別表示0°、30°、60°、…、330°；“1”、“-1”分別表示前、后一個波位，“0”即不跨波位，其他類似。若目標的距離超過100km，則對海面速度幾乎不存在跨波位的問題。因此，幀間目標跨方位波位主要是針對較近距離的目標。

幀間相關處理時間中由于目標的運動方向和運動速度均未知，包絡補償時根據(jù)感興趣的海面目標的最大速度和運動方向，設置二維搜索范圍。故將速度粗略地劃分為m個速度大小檔，分別為{V1、V2、……、Vm}，速度方向粗略地劃分為{θ1、θ2、……、θn}共n個速度方向，則搜索路徑一共有m·n條，將其稱為先驗路徑

(7)

信息。實際中可以根據(jù)幀間相關處理的距離段，選取部分搜索路徑。例如，若距離段超100km時，只需要考慮跨距離單元而不需要考慮跨方位波位的問題，在20～100km距離段，才考慮目標跨方位波位的相關處理問題。

由于海面目標運動速度較慢，在幀間相關處理的數(shù)十秒鐘時間內(nèi)，只要解決了目標運動的包絡對齊問題，其回波信號具有相關性，就可以進行視頻積累或二進制積累等處理。

3 幀間相關處理

在跨距離-方位兩維分辨單元的包絡對齊基礎上，利用雷達多圈之間的數(shù)據(jù)進行幀間相關處理方法有兩種：一種是視頻積累；另一種是二進制積累。處理流程如圖3所示。幀內(nèi)預處理即常規(guī)雷達在每個波位的相干處理間隔(CPI)內(nèi)完成脈沖壓縮、動目標顯示(MTI)、求模等處理。多幀數(shù)據(jù)包絡對齊根據(jù)上一部分介紹的方法進行，有多個處理通道的輸出。如圖3(a)，幀間視頻積累就是對每路“對齊”通道的幅值直接相加，或者加權求和。然后再對每路輸出信號進行恒虛警(CFAR)檢測。最后再對多路輸出信號進行峰值檢測，找出幅值最大的通道，即為目標的輸出信號。

圖3(b)是利用二進制積累的幀間相關處理流程。其中雙門限一次檢測是在每一個幀內(nèi)進行，對每個波位、每個距離單元的視頻信號yk(i,n)分三種情況：

(8)

這里，門限VT1按一般雷達檢測目標的信噪比為13.5dB選取(即檢測概率Pd=0.9，虛警概率Pf=10-6)，門限VT2取8～9dB，保證對弱小目標的第一級檢測。幀間相關處理只是在這些“可能有目標”的距離單元進行，即在“包絡對齊”的基礎上，在每個包絡對齊的通道先進行二進制積累，再按照“N/K”準則進行二次檢測，K為數(shù)據(jù)的幀數(shù)，N為二進制積累的數(shù)值，一般取N/K≥5/8，即連續(xù)8幀數(shù)據(jù)中5幀在一次檢測中有目標時，二次檢測才認為是目標。這里的峰值檢測是取(N/K)的最大值。

這兩種方法比較，幀間視頻積累需要存儲多幀每個波位的視頻數(shù)據(jù)，存儲容量大，而二進制積累在多幀每個波位、每個距離單元只需要存儲1bit的檢測信息，存儲容量小，運算量也小一些。

4 實測數(shù)據(jù)處理

將幀間相關處理技術應用于某對海雷達。該雷達的距離分辨率為25m，波位寬度為1.2°，雷達轉(zhuǎn)速為6r/m。將搜索速度大小粗略地劃分為31個速度大小檔，分別為{0、1、2、……、30}節(jié)(kn)，搜索速度方向按15°間隔劃分為24個速度方向檔，分別為{0、15、30、……、345}(°)。下面給出實測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。

首先在雷達實測數(shù)據(jù)基礎上疊加一個目標信號。圖4為雷達在某個波位的11幀的回波信號的瀑布圖，在實測數(shù)據(jù)中疊加了一個信噪比較高的運動目標。從圖4(b)圖的局部放大可以看出，由于幀間時間間隔較長，目標跨距離運動了一定的距離單元數(shù)。通過對目標的跨距離單元進行補償，然后進行幀間非相干積累，結(jié)果如圖4所示。

由圖5可以看出，當對目標的跨距離單元作補償后再進行幀間非相干積累，噪聲的起伏變小，目標的信噪比提高了約8dB。因此，幀間相關處理有利于對微弱目標的檢測。圖中多條曲線分別是不同路徑的包絡對齊后的非相干積累處理結(jié)果。

圖6(a)給出了在某波位15圈的視頻回波信號的瀑布圖，實測數(shù)據(jù)采集時間為2017年10月8日14:50許。圖6(b)、(c)分別給出了按常規(guī)恒虛警處理方法檢測和按本文基于二進制積累的幀間相關處理后的檢測結(jié)果(“1”表示有目標，“0”表示沒有目標)。在瀑布圖中每圈的檢測結(jié)果按照時間先后的順序從下往上依次畫出。幀間相關處理前7圈是暫態(tài)，故而只看第7圈以后的幀間相關處理的檢測結(jié)果。從圖6(b)、(c)對比可以看出，例如圖6(b)中第13圈距離單元為1200出現(xiàn)了海雜波(實際為海尖峰)，而在圖6(c)中就沒有出現(xiàn)；第11圈距離單元為1400的目標沒有檢測出來，而經(jīng)過幀間相關處理后，該目標被檢測到，幀間相關處理后圈間目標檢測沒有出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的現(xiàn)象。因此，經(jīng)幀間相關處理后對目標的檢測結(jié)果具有圈間連續(xù)性，且利用海尖峰在幀間的不相關性，海雜波被幀間相關處理給抑制掉了。

5 結(jié)束語

本文研究了雷達的幀間相關處理方法，該方法是利用海面目標的運動參數(shù)進行二維速度搜索的包絡對齊基礎上，對多圈數(shù)據(jù)進行視頻積累或二進制積累，再進行目標檢測。實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果證明：該方法對海雜波和海尖峰有一定的抑制效果，且有利于對微弱目標的連續(xù)檢測，有利于降低對海探測雷達的虛警和漏警概率。