基于視頻信號的自適應海雜波抑制算法

趙玉麗，商 凱，聶洪武

（1.南京萊斯電子設備有限公司，江蘇南京210007；2.中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局天津分局，天津300300）

0 引言

復雜海洋環(huán)境使海上目標雷達檢測技術面臨著一系列的難點［1］：（1）海洋環(huán)境復雜，使得海雜波特性認知難度大；海洋環(huán)境復雜，海況復雜，氣象不定，海雜波呈現非高斯、非線性、非平穩(wěn)特性，恒虛警檢測算法無法區(qū)分是海雜波還是目標［2］。（2）回波信雜比低以及復雜非均勻背景，使得目標檢測難度大。（3）檢測算法試用條件及性能驗證評估難度大。綜上，在進行檢測處理之前如果對海雜波進行有效的抑制，則會降低檢測算法的難度，減少虛警。

雷達進行全程搜索時，近距離海雜波或地雜波很強使接收機飽和，無法檢測到近距離目標，為解決這個問題，現代雷達一般采用數字靈敏度時間控制（STC）電路，在近距離降低接收機通道增益和靈敏度，遠距離保持原來的增益和靈敏度，以保證正常發(fā)現和檢測小目標信號回波［2］。根據雷達方程，STC 曲線一般會預先設計幾組固定的STC曲線［3］，根據實際情況進行調節(jié)，但海雜波并非只是距離的函數，海雜波受風向、風速、海況、地形等因素影響，并非在所有方向上的幅度規(guī)律一致。因此如果對雜波較大的方位上設置了某組STC曲線，勢必會引起其他方位上小目標探測能力的下降。有學者提出動態(tài)STC 建立方法理念［4］，通過建立雜波圖建立不同方位、距離的STC值，實現動態(tài)調整STC 值的目的，該理念是雷達自動化、智能化發(fā)展的必然趨勢。針對這些情況本文提出自適應海雜波抑制算法，對檢波后的視頻進行后續(xù)處理，通過動態(tài)建立雜波圖，實時計算STC值，對檢波后的視頻信號進行幅度調整，以達到所有距離上的回波強度一致。

1 海雜波抑制理論算法

由雷達方程可知，雷達接收的目標回波功率與距離的4 次方成反比，即使是對數接收機，距離也是影響目標回波功率的關鍵因素。如圖1（a）所示，進程海浪雜波干擾嚴重，而且海浪雜波在幀內具有相關性，恒虛警檢測無法有效抑制海雜波，虛警非常多，因此采用STC曲線通過調節(jié)前端接收機增益，將近程海雜波壓制到噪聲水平，如圖1（b）所示。

雷達回波強度隨距離變化的主要因素有：（1）距離因素，由雷達方程可知，雷達接收的目標回波功率與距離的4次方成反比。（2）接收機類型，接收機類型決定了接收機輸出與輸入的關系，比如對數接收機的輸入輸出之間為非線性關系。

1.1 距離因素

圖1 海浪抑制效果

1.2 接收機類型因素

若為對數接收機，則接收機的輸出電壓與輸 入 電 壓成對數關系，即Uo∝log(Ui)，因為則STC 曲線系數則需要設計為其中R為歸一化的距離，按照曲線的規(guī)律特性，可設計幾組STC指數曲線。

式（1）中：a 為指數的底數，b 為垂直平移，X 為曲線的范圍，x0為曲線起始位置。

根據實際情況可手動調節(jié)曲線底數、作用距離以及近距離的抑制程度，但該類方法依然要根據海況經常手動調節(jié)STC曲線，增加了值班人員的工作難度。

2 自適應海雜波抑制算法

從以上分析可以看出，海浪抑制曲線的系數與海雜波幅度呈倒數線性關系，因此若能夠實時統計海雜波幅度，則能夠得到自適應的STC 曲線系數，達到自適應抑制海雜波的目的。該技術采用基于排序法的海雜波幅度估計算法，該思想是參考OS-CFAR 中基于有序統計量的算法［2］，OS-CFAR 是在被檢測單元附近的N 個樣本選取排序為k 的值作為雜波幅度電平的估計。同理，本文中采取的算法是在小區(qū)域內隨機選取N個樣本進行排序，取排序為k的值作為當前區(qū)域的雜波功率估計值。因此，當統計樣本中雜標數目小于（N-k）時，可有效防止目標回波被統計，而當目標樣本數目大于（N-k）時，結果就會受到目標的影響［1］。經試驗，k＜N/2時功率統計偏低，高通濾波后虛警較高，因此k 的取值一般滿足N/2 ＜k ＜N 的條件。探測范圍內目標較少時k值可取值偏大些，目標較密集時k值取值要偏小些。

2.1 海雜波幅度統計算法

首先，將探測范圍按方位距離劃分為若干區(qū)域單元；其次，對區(qū)域單元內的雜波/噪聲幅度采用排序法進行統計，按圖2所示選取被測單元的幅度統計的樣本，對抽取的樣本進行排序，如圖3所示。

圖2 被統計單元的樣本選取

圖3 樣本排序

假設統計樣本中幅度值較大的為目標所在單元，雜波幅度為這M×N個樣本中排序為k位置的幅度。

2.2 自適應STC曲線方案

將統計得到的回波幅度值，經幀間迭代，距離、方位平滑后作為STC 曲線的參考值。根據遠區(qū)的回波統計值，設置歸一化基準值，將回波歸一化到基準幅度上。

假設當前回波為xij，i 為當前方位單元，j為當前距離單元，該處統計的雜波幅度經迭代平滑后為Ampij，基準幅度為Arefer，則STC 曲線的計算公式為（2），回波抑制公式為（3）。

注：統計雜波幅度是按劃分單元進行統計的，認為一個單元內所有采樣周圍的雜波幅度是均勻分布的。

3 實采數據驗證

圖4 中的上圖為某雷達實采數據與幅度統計值，中圖為計算得到的自適應STC曲線值，實時對海雜波進行抑制，處理后的效果如圖4 圖所示。從圖4可以看出STC曲線很平滑，海浪抑制后的回波基本處于同一噪聲水平上。

4 結語

本文介紹的基于接收機檢波后視頻信號的自適應海雜波抑制算法，通過雷達回波幅度自適應計算STC 曲線，根據實際海雜波數據特征，對STC 曲線進行平滑、壓縮等變換，自適應對近程海雜波強度進行壓制，經大量實際采集的雷達回波數據驗證，能夠有效剔除海雜波虛警。

圖4 海浪抑制效果