雷达海杂波的频域处理

雷达海杂波的频域处理关堂新 【摘要】通过对杂波特性的分析，特别是风对频域特性影响的分析，给出了三坐标雷 达海杂波的信号模型.对该模型中各个影响因素进行了简要的分析，得出了频域去杂 是最为有效的方法.针对杂波频域特征，提出了自适应频域滤波的算法，并给出了仿真 结果.【期刊名称】舰船电子对抗 【年(卷)，期】2014(037)002 【总页数】4页(P83-86) 【关键词】海杂波;自适应处理;频域 【作者】关堂新【作者单位】海军驻合肥地区军事代表室，合肥230088【正文语种】中文【中图分类】TN957.511杂波特性分析海杂波处理的难点在于其信号变化快，具有很大的随机性，处理起来难度较大。首 先，海杂波与海域相关，有些海域杂波小，而另一海域杂波明显强；其次，海杂波 与气象相关。同一个地方，不同的季节，甚至是同一天的不同时间，海杂波也不相 同。人们对海杂波进行了大量的研究与测量，得出如下结论，对海杂波影响最大的 因素是风。对于海杂波影响的另一个因素是频率，频率较低的雷达，如米波雷达， 由于其波长长，海表面近似为平面，后向杂波效应不明显，杂波强度弱；对于频率 较高的微波雷达，由于波长短，海杂波的影响是不能忽视的1。根据文献2,海杂波与频率、风力、风速、分辨单元、极化方式、入射余角、 温度等均有关系。在以上诸因素中，频率的影响最大，如米波雷达的杂波强度很小， 微波雷达的杂波影响很大。除去频率以外，最主要的影响因素是风。从时域上看，海杂波呈现各种各样的分布，其表现为与距离分辨单元的尺寸有关， 对于大的距离分辨单元，海杂波在距离上是分布式的；随着距离分辨单元的减小， 海杂波表现得越来越孤立，类似于目标时变的一系列回波。特别是在小入射角时， 海杂波表现为海浪尖峰。根据雷达手册的描述，海杂波在小入射角时，水平极 化X波段表现情况如图1所示。对于地面雷达而言，均为小入射角情况。风速越大，尖峰数量越多，出现的海尖峰 数量与风速的次幕成正比；风速越大，海尖峰的幅度越大。在微波段，中等风与弱 风条件下，两者幅度相差约40dB。从图1可以看出，杂波呈现一定的随机性，在 时域上很难处理。虽然相关文献将杂波分成各种各样的分布进行处理，但效果并不 好。我们可以从杂波的成因上考虑问题。杂波的主要影响因素是风。风的特性主要 有风速、风向等。风速、风向等的主要影响是杂波的频谱。因此，对海杂波的处理 可以考虑采用频域处理的方式。图1X波段杂波尖峰示意图2风对海杂波频域特性的影响风速度为：，波束擦地角按0计算。假定天线扫描时风向不变，则可计算出天线 旋转时对应的杂波频率特性。2.1海杂波中心速度估算海杂波固有中心速度：海杂波受风力的影响而改变，在风力的作用下，海面上各个散射体之间发生相对运 动，使接收到的海杂波功率谱存在多普勒频移。根据文献2中的模型，海杂波的频域特性与风速关系分析如下（假定雷达工作于S波段）：按雷达在四级海情工作的要求进行分析。四级海情工作时，风速为8.2m /s,浪高0.4m。海杂波式中：Vw为风束；aw为风速与波束指向夹角。式（1）说明在风速方向海杂波存在一个平均速度。海杂波中心合成速度（包括海杂波固有速度和平台运动速度）：式中：ap为平台与波束方向夹角；Vp为平台运动速度，取15m /s时，当风速 与平台运行速度一致时，杂波速度最大。式（2）、（3）说明：由于风力及平台运动效应，海杂波的中心速度发生了一定 的变化（对于地面雷达，可不考虑平台影响），如图2所示。图2中心风速随天线扫描变化图对应的海杂波中心频率为-300 300Hz （S波段）。2.2海杂波速度谱宽估算海杂波固有宽度为（由于海浪运动造成）：天线扫描展宽为：式中：ea为半波束宽度；3S为扫描速度；入为波长。跨波束展宽（由于平台运动和海浪运动带来）：杂波总展宽为：假定天线转速为10r/ min，得到如图3所示杂波速度宽度。图3杂波宽度随天线扫描变化图对应的杂波频谱宽度为：除去以上影响杂波中心频率因素以外，还有如下影响雷达频谱的因素3:海况 级数较低时，谱是高斯型的，平静海面的谱形状则接近双指数下降型；风速增大， 白浪增多时，谱宽增加且不对称，顶风和顺风比侧风的谱宽。由于雷达杂波的谱中心和谱宽是变化的，这种影响也不容忽视。因此，为了更好地 进行海杂波下目标检测，应采取自适应方法。在处理时，可以自适应地计算出杂波 谱中心和杂波谱宽，并对杂波中心进行频谱搬移，将频谱搬至零通道处，通过自适 应频域滤波器将杂波消除。3海杂波模型及杂波处理对策现代雷达中最为常用的是一维阵列雷达，其回波信号形式如图4所示。图中假定目标的仰角为0i,则某一时刻回波模型为（对于各个孤立的分辨单元而言，杂波回波亦可适用）：图4目标回波示意图式中：30为信号载波频率；d为阵元间距；&为目标仰角；3d为雷达载波频率; Ti为脉冲重复间隔。如果考虑到目标回波将会在多个脉冲重复间隔中出现，并考虑雷达回波的多个快拍，则雷达信号包含空间、时间、频率3个域的综合信息。因此，1个CPI的目标回波信号（含M个脉冲，第i个脉冲含L个距离单元）可写成如下形式4:式中：STi为多普勒信号（慢时间信号）；3d为多普勒频率；St为时域信号（快 时间信号）；30为载频；Ssp为空间信号；3i为空间频率；为克罗奈克积。 其中空域信号可以表示为：通过空域信号调整，使波束向上抬升，可以减少海杂波强度，但这种方法是以牺牲 小目标的检测为代价的。为了更好地进行目标检测，应从频域处理出发。频域信号 （慢时间信号）具有更为精细的多谱勒处理能力。频域信号如下所示：式中：ts为采样间隔。该式中往往包含复杂的信号形式，如脉冲压缩、脉冲编码等。对于海杂波而言，回 波是一个面目标，因此，人们一般试图将分辨单元减少，实现减少海杂波影响。 杂波及干扰在3个域内与目标完全相关的机率极小，因此，可以综合以上3个域 的处理，将目标检测出来。利用阵列信息的处理方式称为空域处理；利用Ti的处 理方式为频域处理（也称慢时间处理，机载雷达往往利用空时两维处理）；利用t 信息进行的处理为时域处理（含脉压、恒虚警率（CFAR ）等）。最有效的是频域 处理，在频域上，采用自适应动目标检测（MTD ）或自适应脉冲多普勒（PD ）的 办法将杂波加以消除，将目标快速检测出来。对于慢速或静止目标可以利用时域信 息、杂波的相关时间小于目标的相关时间，进行长时间积累，达到目标检测的 能力。4频域去杂波算法虽然杂波的变化看似无规律，但其频谱宽度及频率中心的变化还是需要时间的。可 以认为，在极短的时间内（一个CPI）其频率特征不变或缓变。这里说的频率特征 是杂波的频谱形式、杂波的中心频率和谱宽等。自适应杂波滤除即基于这个前提。 以地面雷达为例，频域杂波滤除流程为：（1）在常规雷达滤波器上并联上一个自适应处理通道，对杂波特征进行估计；（2）通过对雷达杂波进行频谱估计，计算出杂波的频率中心和谱宽等参数；（3）根据得到的频率中心和谱宽自动调整滤波器参数，使其频谱响应零点对准杂 波中心，并将零深宽度调整到与杂波谱宽一致的水平，对雷达回波进行滤波。自适应滤波器的结构如图5所示。图5频域去杂波性能分析方法根据上述方法进行仿真分析，杂波频谱中心假定为0m/s（频率中心并不一定是 零速，这里设为0，便于简化处理），杂波谱宽假定是1.5m / s，雷达工作波长 0.1m，滤波器采用MTD滤波方式，雷达脉冲重复频率为1 000Hz，对于频道为- 125Hz的滤波器，响应如图6（对于45Hz、0以外的滤波器响应类似，45Hz、 0Hz以内的滤波器不置零点）。图6频域处理方法仿真结果上述处理方法中的副瓣并不高，但零深很深，可以将杂波消除干净，因此具有很强 的工程实用性。杂波处理对于岸对海及舰载雷达而言，具备至关重要的作用。杂波虽在时域上表现 为随机性，但在频域上的特征是可把握的，因此，可以通过滤波的方式将杂波滤除。 对处于0通道（或杂波中心）处的目标，频域处理方法的检测性能将会下降。自适应杂波滤除的方法应结合雷达的参数设计，减少杂波的影响：（1）尽量提高 雷达工作频率，提高工作频率不仅可以降低杂波带宽，而且可以减少杂波反射率， 进一步减少杂波影响；（2）尽可能提高雷达的重复频率，重频越高杂波所占带宽 越小，杂波干净区域大，但高重频会带来距离模糊，需要采取解模糊措施，因此，重频的设计应根据任务需求进行优化设计。以上两方面的优化设计可保证自适应杂 波滤除算法优势得到最为充分的发挥。5结束语自适应频域杂波滤除，对于速度较快的目标的检测性能较好。对于慢速及静止目标 而言，其频谱与杂波相似，很难在频域上分开。可以利用慢速与静止目标的相关时 间长的特点，考虑采用长时间积累的办法将目标的信杂比提高，以达到检测目标的 目的。参考文献1 Skolnik Merril I.雷达手册M .南京电子研究所译第3版.北京：电子工 业出版社，2010.2 Barton David K.Radar System Analysis and Modelling M .Norwood : Artech House Inc , 2005.3 朗M W（美）陆地和海面的雷达波散射特性M .薛德镭译.北京：科学 出版社，1981.4 Richards Mark A.雷达信号处理基础M .邢孟道，王彤，李真芳，等译.北京：电子工业出版社，2008.