毛智能， 位寅生

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

?

二重頻高頻雷達(dá)折疊雜波抑制算法

毛智能， 位寅生

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：高頻雷達(dá)系統(tǒng)中，遠(yuǎn)距離擴(kuò)展雜波經(jīng)距離折疊后，將淹沒(méi)檢測(cè)區(qū)域中的目標(biāo)，為保證目標(biāo)的檢測(cè)質(zhì)量，需對(duì)折疊雜波進(jìn)行抑制。在發(fā)射二重波形重復(fù)頻率信號(hào)下，提出了通過(guò)邏輯映射抑制雜波的方法。給出了參數(shù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并分析了算法對(duì)雜波的抑制性能。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在合適的信號(hào)參數(shù)下，該算法能夠有效地抑制遠(yuǎn)距離折疊的擴(kuò)展雜波。

關(guān)鍵詞：高頻雷達(dá); 雜波抑制; 距離折疊雜波; 多普勒擴(kuò)展雜波

0引言

傳統(tǒng)的固定波形重復(fù)周期信號(hào)，其最大無(wú)模糊測(cè)距范圍與最大無(wú)模糊測(cè)速范圍存在固有矛盾，而高頻雷達(dá)作用距離可達(dá)幾千公里，遠(yuǎn)距離的電離層雜波經(jīng)距離折疊回檢測(cè)區(qū)域，淹沒(méi)檢測(cè)區(qū)域的目標(biāo)，造成目標(biāo)檢測(cè)困難。

文獻(xiàn)[1]中使用了一種非周期波形(nonrecurrent waveform，NRWF)，該波形在周期線性調(diào)頻的基礎(chǔ)上，對(duì)整個(gè)相參積累時(shí)間內(nèi)的每個(gè)線性調(diào)頻脈沖附加了一個(gè)二次型相位因子。利用該信號(hào)時(shí)，遠(yuǎn)距離的雜波每經(jīng)過(guò)一次距離折疊都會(huì)附加多普勒偏移，通過(guò)控制二次型相位因子，可使遠(yuǎn)距離雜波出現(xiàn)在非關(guān)心的多普勒區(qū)間，即通過(guò)犧牲一部分多普勒檢測(cè)區(qū)間，達(dá)到其余區(qū)間正常檢測(cè)的目的。但對(duì)于高頻雷達(dá)，擴(kuò)展雜波經(jīng)常會(huì)覆蓋所有多普勒單元，此時(shí)該信號(hào)將失去應(yīng)有的作用。文獻(xiàn)[2]在NRWF基礎(chǔ)上用空時(shí)自適應(yīng)處理來(lái)抑制折疊雜波，當(dāng)雜波多普勒擴(kuò)展較小時(shí)能取得良好的效果，而當(dāng)多普勒域擴(kuò)展嚴(yán)重時(shí)，效果并不理想。文獻(xiàn)[3-4]中利用高重頻步進(jìn)頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)折疊雜波抑制，然而這種信號(hào)在高頻雷達(dá)中并不適用。而對(duì)多重頻的研究多關(guān)注在利用多重頻來(lái)實(shí)現(xiàn)最大無(wú)模糊測(cè)距/測(cè)速的擴(kuò)展[5-7]，這些方法在每組重頻信號(hào)完成目標(biāo)檢測(cè)后，再對(duì)檢測(cè)所得的目標(biāo)解模糊來(lái)擴(kuò)展無(wú)模糊距離/速度。而在遠(yuǎn)距離擴(kuò)展雜波背景下，目標(biāo)檢測(cè)環(huán)節(jié)受到限制，限制了該體制的應(yīng)用。文獻(xiàn)[8-9]在三重頻的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)濾波器來(lái)抑制特定頻率段的雜波，不適用于高頻雷達(dá)系統(tǒng)中的多普勒擴(kuò)展雜波。此外多重頻也在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)用于擴(kuò)展盲速[10-12]。文獻(xiàn)[13-14]使用3組重頻，先對(duì)距離折疊雜波進(jìn)行抑制，之后再進(jìn)行的目標(biāo)檢測(cè)，但其雜波抑制后仍有殘留。

針對(duì)高頻天波雷達(dá)在遠(yuǎn)距離折疊多普勒擴(kuò)展雜波的特殊性，本文在發(fā)射二重頻信號(hào)前提下提出了一種基于邏輯映射的雜波抑制算法。第1節(jié)給出了二重頻信號(hào)的表達(dá)式以及對(duì)應(yīng)的雜波抑制處理方法。第2節(jié)給出了對(duì)所發(fā)射信號(hào)的參數(shù)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)基于邏輯映射折疊雜波抑制算法的輸出信雜噪比(signal to clutter plus noise ratio, SCNR)和信噪比(signal to noise ratio, SNR)進(jìn)行了理論分析。第3節(jié)通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了所提方法的可行性、合理性。

1信號(hào)形式及雜波抑制原理

1.1信號(hào)形式

本文采用二重頻線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，信號(hào)形式如圖1所示。

圖1　二重頻線性調(diào)頻信號(hào)波形示意圖

圖1中，Twp1,Twp2為重頻1、重頻2的波形重復(fù)周期；M1,M2為重頻1、重頻2的積累脈沖數(shù)，且滿足：

(1)

即各重頻持續(xù)時(shí)間相同。從式(1)及圖1中可以看出，二重頻線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)將整個(gè)相參積累時(shí)間均分為2段，每段對(duì)應(yīng)一個(gè)線性調(diào)頻連續(xù)波。其信號(hào)表達(dá)式為

(2)

式中，f0為載頻；u1(t)，u2(t)為重頻1、重頻2的線性調(diào)頻脈沖，其表達(dá)式為

(3)

式中，ki為重頻i的調(diào)頻斜率且滿足kiTwpi= B，即2組重頻信號(hào)的調(diào)制帶寬相同。

式(1)是為了保證2組重頻信號(hào)具有相同的相參積累時(shí)間，以使得2組重頻信號(hào)在距離多普勒處理后多普勒分辨單元尺度保持一致。而相同的調(diào)頻帶寬B可以保證2組重頻信號(hào)在距離匹配處理后的距離分辨單元尺度保持一致，以方便后續(xù)處理。

1.2信號(hào)處理方案

式(2)描述了二重頻線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)形式，可分為2組不同重頻的線性調(diào)頻連續(xù)波。因此，對(duì)于回波信號(hào)的處理可分為3步，如圖2所示。第1步，對(duì)各組重頻信號(hào)分別進(jìn)行距離多普勒處理[15]；第2步，距離補(bǔ)償；第3步，距離折疊雜波進(jìn)行雜波抑制處理。本文僅考慮后兩步。

圖2　處理流程圖

1.2.1距離補(bǔ)償

距離補(bǔ)償分2部分，第1部分是由于線性調(diào)頻信號(hào)距離與多普勒耦合，多普勒頻移對(duì)距離的估計(jì)引入一偏差，該偏差為

(4)

第2部分偏差是在重頻1的持續(xù)時(shí)間內(nèi)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的距離，該距離分量為

(5)

式中，vm為當(dāng)前多普勒門對(duì)應(yīng)的速度。

以第2組重頻信號(hào)處理時(shí)刻目標(biāo)所在的位置為參考標(biāo)準(zhǔn)，則需對(duì)第1組重頻信號(hào)距離多普勒處理結(jié)果補(bǔ)償?shù)?部分距離偏移。則目標(biāo)距離補(bǔ)償公式為

(6)

式中，c為光速；Rm,fd為未補(bǔ)償前某一單元的距離、多普勒頻率；R為補(bǔ)償后該單元的距離；i為重頻序號(hào)；ki為第i重頻的調(diào)頻斜率。

1.2.2邏輯映射

記補(bǔ)償后第i組重頻的距離多普勒譜為RDi

(7)

則一個(gè)距離門代表的距離為δR=c/2fs，一個(gè)多普勒門代表的頻率為δf=1/T。

記雜波抑制后的距離多普勒譜為RD

(8)

式中，Nr,Nd為所處理的距離門數(shù)、多普勒門數(shù)，滿足

(9)

如果在某組重頻距離多普勒譜的距離門nr與多普勒門nd中存在目標(biāo)，則該目標(biāo)也必定會(huì)在另一組重頻距離多普勒譜的相應(yīng)位置復(fù)現(xiàn)。而遠(yuǎn)距離雜波由于存在距離折疊，其在各重頻中的距離門位置均不相同。因此，可以通過(guò)式(10)映射關(guān)系來(lái)完成對(duì)距離折疊雜波的抑制。

(10)

2信號(hào)參數(shù)設(shè)計(jì)要求

為達(dá)到理想的雜波抑制效果，需使得2組重頻信號(hào)在距離多普勒處理后，經(jīng)距離折疊后的雜波區(qū)域不發(fā)生重疊。

不妨設(shè)第1組重頻的波形重復(fù)周期Twp1大于第2組的波形重復(fù)頻率Twp2，則遠(yuǎn)距離折疊雜波在2組重頻對(duì)應(yīng)的距離處理結(jié)果中位置偏移的距離分辨單元數(shù)為

(11)

式中，k為距離折疊次數(shù)。

擴(kuò)展雜波一般將連續(xù)覆蓋某一區(qū)域，不妨設(shè)擴(kuò)展雜波覆蓋了Nc個(gè)距離分辨單元，為確保雜波在各重頻中互不重疊，需滿足

(12)

記

(13)

代入式(12)有

(14)

此外還需保證觀測(cè)區(qū)域中目標(biāo)無(wú)距離模糊，設(shè)Twp2=mΔT，其中m為正整數(shù)，則需有

(15)

由式(14)可以獲得2組重頻重復(fù)周期時(shí)差ΔT，確定ΔT后即可由式(15)計(jì)算最小正整數(shù)m，進(jìn)一步可以得到2組重頻的重復(fù)周期。

例如：若帶寬B = 20kHz，Nc=40，檢測(cè)區(qū)域目標(biāo)最大距離Rmax=2 000km，由式(14)知

不妨取ΔT=2.4ms，代入式(15)可獲得最小正整數(shù)m=6，則有Twp1=16.8ms，Twp2=14.4ms。

3輸出SCNR分析

3.1輸出SNR分析

若2組重頻距離多普勒譜中距離門nr與多普勒門nd對(duì)應(yīng)的單元均為純粹的噪聲，則該數(shù)據(jù)單元可表示為

(16)

式中，w表示噪聲。

則該距離門nr與多普勒門nd映射后輸出為

(17)

若目標(biāo)出現(xiàn)在距離門nr與多普勒門nd，則該數(shù)據(jù)單元可表示為

(18)

式中，s表示信號(hào)。

映射后該距離門nr與多普勒門nd的目標(biāo)輸出為

(19)

可知輸出SNR為

(20)

由式(20)可知，SNRout不小于最小的輸入SNR。而對(duì)于同一目標(biāo)而言，其SNR在短時(shí)內(nèi)不會(huì)有太大的改變，因此SNRout可認(rèn)為無(wú)損失。SNRout與輸入SNR統(tǒng)計(jì)曲線如圖3所示(統(tǒng)計(jì)次數(shù)MC=1 000)。

圖3　無(wú)雜波環(huán)境下SNRout隨輸入SNR統(tǒng)計(jì)曲線

3.2輸出SCNR分析

不妨設(shè)第1組重頻距離多普勒譜中的距離門nr與多普勒門nd數(shù)據(jù)單元為遠(yuǎn)距離折疊雜波，則該數(shù)據(jù)單元可表示為

(21)

式中，c表示雜波。

由于遠(yuǎn)距離折疊雜波在2組重頻中出現(xiàn)的位置存在偏移，因此在另一重頻中對(duì)應(yīng)位置處為噪聲。因此經(jīng)映射后該距離門nr與多普勒門nd的數(shù)據(jù)單元輸出為

(22)

不妨設(shè)第1組重頻距離多普勒譜中的距離門nr與多普勒門nd數(shù)據(jù)單元中存在目標(biāo)，且被雜波掩蓋，該數(shù)據(jù)單元可表示為

(23)

同理可知，在另一重頻中對(duì)應(yīng)位置處只存在信號(hào)與噪聲，因此映射后輸出為

(24)

輸出SCNR為

(25)

同理，當(dāng)雜波淹沒(méi)第2組重頻距離多普勒譜中的目標(biāo)時(shí)，SCNRout等于第1組重頻距離多普勒譜中相應(yīng)目標(biāo)的SNR?？梢?jiàn)，當(dāng)滿足適當(dāng)?shù)男盘?hào)參數(shù)時(shí)，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)折疊雜波的有效抑制。雜波環(huán)境下SCNRout隨輸入SCNR的統(tǒng)計(jì)曲線如圖4所示(統(tǒng)計(jì)次數(shù)MC = 1 000)。

圖4　雜波環(huán)境下SCNRout隨輸入SCNR統(tǒng)計(jì)曲線

4仿真結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)仿真條件設(shè)置如下：信號(hào)載頻 f0= 10MHz，調(diào)頻帶寬B=20kHz，遠(yuǎn)距離(Rc=2 850km)折疊雜波采用高斯型擴(kuò)展雜波[16]，在距離與多普勒維均存在擴(kuò)展，距離擴(kuò)展方差σr=60km，多普勒擴(kuò)展方差σf=10Hz，雜波仿真可參考文獻(xiàn)[16]，兩目標(biāo)徑向距離分別為330km、700km，徑向速度均為v=3m/s，檢測(cè)區(qū)域目標(biāo)最大距離Rmax=2 000km。通過(guò)式(14)和式(15)，可選擇一組合適的重頻參數(shù)Twp1= 16.8ms，Twp2=14.4ms。每組重頻相參積累時(shí)間T=40s。

圖5(a)和圖5(b)分別對(duì)應(yīng)2組重頻各自的距離多普勒譜?？煽闯?，在第1組重頻中，目標(biāo)1已經(jīng)被遠(yuǎn)距離折疊距離多普勒擴(kuò)展雜波完全淹沒(méi)。而在第2組重頻中，由于信號(hào)重復(fù)頻率的不同，使得遠(yuǎn)距離折疊雜波經(jīng)距離折疊后與第1組重頻對(duì)應(yīng)的位置互不重疊。圖5(c)為經(jīng)過(guò)邏輯映射后的距離多普勒譜，可見(jiàn)在選擇合適的參數(shù)下，經(jīng)過(guò)邏輯映射后，2組重頻距離多普勒譜中的遠(yuǎn)距離折疊多普勒擴(kuò)展雜波均被有效抑制。

圖5　折疊雜波抑制前后的距離多普勒譜

圖6為目標(biāo)所在多普勒門截面圖，其中，圖6(a)和圖6(b)分別為第1重頻與第2重頻下目標(biāo)所在多普勒門的距離譜，圖6(c)為雜波抑制后的輸出。從圖中可以清楚地看到，距離折疊雜波在處理后已無(wú)雜波殘余。即使在某一重頻分組下目標(biāo)被雜波完全淹沒(méi)，經(jīng)處理之后可以很輕松地將目標(biāo)檢測(cè)出來(lái)。需要留意的是，這種處理方法完全是盲處理，即在處理之前無(wú)需進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。

圖6　目標(biāo)所在多普勒門截面圖

5結(jié)論

本文提出了一種二重頻信號(hào)的折疊雜波抑制方法。通過(guò)對(duì)SNRout和SCNRout的推導(dǎo)，指出該方法對(duì)輸入SNR幾乎無(wú)損，而且在合適的參數(shù)設(shè)計(jì)條件下能夠?qū)嚯x折疊雜波有效抑制。當(dāng)然該方法應(yīng)用具有一定的局限性，要對(duì)距離折疊雜波有效抑制，對(duì)二重頻信號(hào)的信號(hào)重頻頻率有一定的設(shè)計(jì)要求。仿真實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了該方法能夠有效抑制遠(yuǎn)距離折疊距離多普勒擴(kuò)展雜波，但其多普勒分辨能力為具有相同積累時(shí)長(zhǎng)的單一重頻信號(hào)的一半。此外，在相同處理時(shí)間內(nèi)，如果進(jìn)一步增加重頻數(shù)會(huì)降低多普勒分辨能力，但可以擴(kuò)展無(wú)模糊多普勒檢測(cè)區(qū)間。

參考文獻(xiàn)：

[1] Clancy J T, Bascom H F, Hartnett M P. Mitigation of range folded clutter by a nonrecurrent waveform[C]∥Proc.oftheRadarConference, 1999:79-83.

[2] Lee W W, Krolik J L. Space-time adaptive processing for range-folded spread-Doppler radar clutter mitigation[C]∥Proc.oftheAcoustics,SpeechandSignalProcessing, 2011:2772-2775.

[3] Wang F X, Tang G F, He S S, et al. Severe clutter suppression in high PRF stepped-frequency radar[J].JournalofNationalUniversityofDefenseTechnology,2009,31(4):52-57.(王飛行,湯廣富,賀思三,等.高重頻頻率步進(jìn)雷達(dá)強(qiáng)雜波抑制[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(4):52-57.)

[4] Wang F X, Chen J J, Fu Q. A method of suppressing folded clutter in high PRF stepped frequency radar[J].SignalProces-sing,2010,26(3):388-393.(王飛行,陳建軍,付強(qiáng).高重頻頻率步進(jìn)雷達(dá)抑制折疊雜波方法[J].信號(hào)處理,2010,26(3):388-393.)

[5] Duan J Q, He Z S, Han C L. Computationally efficient algorithm for resolving range and velocity ambi-guities in multiple PRF PD radars[J].JournalofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,2008,37(4):549-551.(段軍棋,何子述,韓春林.高效的PD雷達(dá)多重頻模糊分辨算法[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37(4):549-551.)

[6] Nie S M, Zhang Z J, Ou J P, et al. A new method to reduce channel quantization error in resolving velocity ambiguity by PRF varied method[J].ModernElectronicsTechnique,2011,34(11):9-12.(聶勝猛,張澤建,歐建平,等.多重頻解模糊中降低頻道量化誤差的新方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(11):9-12.)

[7] Ferrari A, Alengrin G, Theys C. Doppler ambiguity resolution using staggered PRF with a new chirp sweep-rate estimation algorithm[J].IEERadar,SonarandNavigation,1995,142(4):191-194.

[8] Harasawa Y, Sekiguchi T, Kirimoto T, Hamada N. A design method of clutter suppression filters with cascade connection using offset of zeros for staggered PRF[C]∥Proc.ofthe41stSICEAnnualConference, 2002:2955-2960.

[9] Nguyen C M, Moisseev D N,Chandrasekar V.A time domain clutter filter for staggered PRT and dual-PRF measurements[C]∥Proc.oftheGeoscienceandRemoteSensingSymposium,2007:3325-3328.

[10] McAulay R J. The effect of staggered PRF’s on MTI signal detection[J].IEEETrans.onAerospaceandElectronicSystems, 1973, 9(4):615-618.

[11] Sedivy P. Radar PRF staggering and agility control maximizing overall blind speed[C]∥Proc.oftheMicrowaveTechniques,2013:197-200.

[12] Arbabian M A, Bastani M H, Tabesh M. Optimization of PRF staggering in MTI radar[C]∥Proc.oftheIEEEInternationalConferenceonRadar, 2005:602-607.

[13] Musa M, Salous S. Ambiguity elimination in HF FMCW radar systems[J].IEERadar,SonarandNavigation, 2000, 147(4):182-188.

[14] Musa M, Salous S. Evaluation of multiple WRF-HF-FMCW radar waveform[C]∥Proc.ofthe8thHFRadioSystemsandTechniques, 2000:207-211.

[15] Levanon N, Mozeson E.Radarsignals[M].Wiley,2004.

[16] Ravan M, Riddolls R J, Adve R S. Ionospheric and auroral clutter models for HF surface wave and over-the-horizon radar systems[J].RadioScience, 2012, 47(3):1-12.

毛智能(1987-)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)樾麦w制雷達(dá)理論與技術(shù)。

E-mail：nengzhimao@163.com

位寅生(1974-)，男，教授，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、陣列信號(hào)處理、雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)。

E-mail：weiys@hit.edu.cn

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20141113.1619.004.html

Range-folded clutter suppression algorithm for high frequency radar using dual-WRF

MAO Zhi-neng， WEI Yin-sheng

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract:In the high-frequency radar system, the target of interest might be merged in the range-folded clutter. To get better detection performance, the range-folded clutter need to be suppressed. A logical-mapping clutter suppression method using dual waveform repetition frequency (WRF) is proposed. The selection criterion of signal parameters is given and the clutter suppression performance is also analyzed. Simulation results suggest that the clutter can be efficiently suppressed under proper signal parameters.

Keywords:high-frequency radar; clutter suppression; range-folded clutter; Doppler spread clutter

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：TN 957.51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.05.12

收稿日期：2014-05-29；修回日期：2014-10-28；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2014-11-13。