穩健的機載預警雷達多通道海雜波抑制方法研究

程肇睿

摘要：機載預警雷達探測海上運動目標時，由于雷達平臺高速運動狀態，造成海雜波多普勒譜嚴重展寬，影響了目標的探測性能。根據航空預警雷達實測海雜波資料的統計特征，對其抑制方法進行了系統分析。本文通過對不同海雜波環境下各種方法的選擇與使用情況的系統分析，為機載預警雷達在海雜波背景下的信號處理提供了依據。

關鍵詞：航空預警雷達;海雜波抑制;波束探測;

一、引言

航空預警機平臺較高，能在大范圍內進行探測，其具備較強的預警偵察能力，有較高的研究價值。航空預警機采用低視點方式工作，因此，接收的目標回波往往淹沒在較強雜波中，魯棒性雜波抑制是預警機目標探測的關鍵。航空預警機平臺的高速運行狀態，使雜波多普勒譜嚴重擴展，常規脈沖相消技術很難對其進行消雜，本文在此背景下展開研究。

二、海雜波性分析

海洋雜波的統計模型來自海雜波的電磁散射機制，由于海洋環境的復雜性，至今還沒有一個很好地解析形式。但是，在雷達設計中，海雜波的性質是非常重要的，這就要求使用與分析測量數據，包括海雜波分類，反向散射系數模型，幅值分布模型，時域相關，頻譜特性等。

（一）散射機理

從海雜波的物理機制來看，在低掠角條件下，通常將海雜波歸結為Bragg散射、Whitecap散射和Burst散射三種不同特性的成分。Bragg是一種以海浪為后散射波源為主的大、近似對稱、中心頻率為近零時的多普勒譜。可透過脈間頻捷變去相關。波紋散射是波浪在波浪破裂過程中，在波浪及涌浪的作用下，波浪在粗糙海面上產生后向散射，表現為噪聲，呈現出寬廣多普勒譜，多普勒中心偏移，持續時間通常為1s，又稱"長時海尖峰"，并不能利用時脈間頻率變換來實現。

（二）統計幅度模式

常規的探測方法大都是基于背景環境的高斯分布假說。對海雜波來說，由于海況的改變，統計分布模式具有非高斯性質，傳統檢測方法很難保證，所以有必要研究海雜波的幅值分布特征，并據此提出一種新的探測方法。對于海雜波幅值分布模式的分類包括K分布、Log-normal、Weibull、Rayleigh等幾個分布。對實際資料的分析表明，在S波段，雷達測速海域的波動幅度分布最接近于Weibull分布模式。在不同距離單元中，根據海雜波動強度差異，統計分布模式都滿足了Weibull分布，且其形態參數隨著所測量距離的改變而變化。遠區回波中同海峽群島雜波的所占比重相對較小，但存在著大量噪聲，Weibull分布更接近于雷利igh分布，回波中的高斯特征顯著。近區海雜波變化較大的長距離區域，Weibull傾向于K分布，回波具有強非高斯特征。

（三）相關的時空特征

海雜波也具有時間關聯性。時序關系一般是指雜波之間在同一個雷達識別單元上所顯示出的時域關聯，其空間關聯性即雜波之間在不同距離和位置識別單元上的相互關聯。雜波所在區域的位置關系，是隨著雜波時域映射的起伏變化而產生的。通過距離與方向上的自相關運算，就可以得到在天線方位角上的空間相對特性和空間特征。通過對實際資料的分析，可以看出各距離單元海雜波時序特征基本一致，并且海雜波的時間相關函數有一個迅速的下降周期，隨后隨時間而變。航空S波段雷達的去相關時間約為13.7毫秒。實測結果表明，雜波空間的相關函數伴隨距離單位的改變，其平均去相關量可達數十個距離單元，即具有高度均勻分布性的里海雜波（距離維數）。

二、波束內海雜波抑制

目前的信息測量方式，一般有時域法和頻域法二類。時域法因為其雜波性較強，所以更有利于在噪聲環境中進行測量，而當雜波內產生信息時，時間域法效果不佳。頻率域法具有雜波內可見特性，是雜波信息獲取的一個主要手段。雜波控制決策應該從二個主要方面著手，一是在波束中的過濾方法，二是波束內部檢測。一般使用的過濾方式有非相參數和相位參數，把所累積信息傳給內部檢測器。探測方式的設計直接關系到雜波的統計特征。

（一）頻率捷變技術

因為海雜波的時域相干性，在波束寬內對目標和雜波進行處理，將產生信雜比弱化。頻捷變技術基本原理，是通過使用與雜波去相關時間相對應的變頻方式進行海洋雜波的去相關，以降低海洋雜波的能量累積。對于頻捷變頻器技術的脈間捷變頻器和脈組捷變頻器，它們的信號形式是非相參量和全相參量。由于其原理簡單，且易于工程實現，在目前的雷達系統中，多采用非相參技術來實現頻率捷變。由于脈間頻變，回波相位的相參性受到影響，因此，對動靶檢測（通常采用FFT實現）不能實現相參累積。在相參制雷達系統中實現了脈沖組間頻率捷變，利用該技術先解決了相位補償或采用新的信號處理方法。

（二）相參過程檢測

相參處理方法是一種頻域法，它主要是運用雜波和目標在多普勒域的差異去除雜波，并獲得高可視度，MTI和MTD都是最常見的實現方式。MTI實際上是一種高通濾波器，對其所在的信道進行過濾，進而使用全時域法輸出動態目標的檢測。MTD也是一種全頻域法，它使用多濾光器對目標在全頻譜區域內的特征進行測量。用航空雷達探測海面目標時，發射波形通常是低重頻率的，而飛機平臺的運動會引起多普勒頻移，使雜波譜擴展，從而使目標發生在雜波譜主瓣面上。

（三）自適應匹配濾波方法

適應性匹配濾波（AMF）和自適應歸一化匹配濾波器（ANMF）方法都是根據了海上雜波中的SIRP模式，在廣義似然比檢測法的基礎上，提供了一個相參處理的目標測量方式。該方案采用自適應濾波技術實現強雜波白化。其等效機理為與抑制多普勒域的強雜波分量和增加更大徑向速度目標的回波信號等效。兩個最主要的自適應匹配信號濾波探測器（AMF）和自適應歸一化處理匹配濾光器（ANMF）。

四、結束語

通過對預警機海雜波特征的分析，論述了機載雷達對海雜波的抑制方法。給出海雜波在這一系統下的統計特征和物理散射組成，闡明了海雜波特征與雷達設計的關系。在此基礎上，分析整理了信號處理的方法，以供參考。

參考文獻

[1]黃鵬輝，鄒子豪，劉興釗，廖桂生，王志城，陳筠力，劉艷陽.穩健的機載預警雷達多通道海雜波抑制方法研究[J].電子與信息學報，2021，43（09）：2680-2687.

[2]庫飛龍.機載預警雷達多幀檢測前跟蹤技術研究[D].電子科技大學，2020.

[3]陳小龍，張海，孫嘉辰，黃勇.機載預警雷達網絡化協同探測模式及性能分析[J].太赫茲科學與電子信息學報，2020，18（02）：215-221.