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X波段PD雷達雜波抑制性能分析*1

黃振遠1，朱琳2，肖輝3

(1. 中國人民解放軍95980部隊，湖北 襄陽441500；

2.南陽師范學(xué)院，河南 南陽473000； 3.武警8640部隊，河北 定州073000)

摘要：對于X波段地面雷達,要使其在云雨等動雜波環(huán)境下的目標檢測能力達到指標要求,雜波抑制性能改善非常重要。采用PD技術(shù)的地面雷達對此至今尚無明確的論述。基于某型該波段雷達不同PRF時信雜比改善因子的比較分析，對地面雷達采用PD技術(shù)時的雜波抑制性能進行了分析，最終的信號仿真論證也證實了分析結(jié)果的正確性。

關(guān)鍵詞：雜波抑制；改善因子；PD雷達；X波段；雜波濾波器組；脈沖重復(fù)頻率

0引言

脈沖多普勒(pulse Doppler，PD)技術(shù)作為雷達的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)之一，已在諸如機載雷達中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。與常規(guī)的脈沖雷達相比，PD雷達的優(yōu)勢在于利用了目標回波中的多普勒信息，并在頻域?qū)崿F(xiàn)目標和雜波的分離，可從很強的地物回波背景中檢測出運動目標回波，并能精確測速[4-6]。PD技術(shù)與動目標顯示(moving target indication，MTI)和動目標檢測(moving target detection，MTD)技術(shù)相比，可進一步增強雜波抑制能力，提高對動目標的檢測性能，有利于雷達可靠地檢測到淹沒在強地(海)雜波中的小目標。

然而，在常規(guī)地面對空情報雷達中，近年來，盡管PD技術(shù)已開始得到應(yīng)用[7-9]，但是，在評價采用PD技術(shù)時的雜波抑制能力方面，雷達承制廠所及相關(guān)研究單位尚未獲得共識。特別是，在實際應(yīng)用中，由于應(yīng)用該技術(shù)的雷達裝備對雜波的抑制效果不很明顯，導(dǎo)致多數(shù)裝備承研方對該技術(shù)應(yīng)用于地面對空情報雷達的可行性存在不同程度的疑問。

本文的研究基于某型X波段雷達信號處理系統(tǒng)改造升級項目。某型X波段雷達是全相參數(shù)字脈沖壓縮雷達，其信號處理系統(tǒng)在改造升級過程中為有效抑制云雨等動雜波的影響、有效提高目標檢測概率，采用了PD處理技術(shù)。因此，研究上述所提問題，具有較高的理論研究價值，同時對于該技術(shù)的廣泛采用具有重要的實際意義。

1PD體制信號處理

PD體制信號處理核心是依據(jù)動目標回波的多普勒效應(yīng)，采用多普勒濾波器組對脈沖串信號頻譜的頻域濾波，其基本構(gòu)成如圖1所示。接收到的回波信號經(jīng)過接收機前段的變頻、放大后，還要經(jīng)過距離門選通、單邊帶濾波器、多普勒濾波器窄帶濾波等處理。

PD體制信號處理采用多普勒濾波器組濾波，與MTI的單個濾波器相比，有以下優(yōu)點：

(1) 多普勒濾波器組覆蓋所感興趣速度范圍，與目標響應(yīng)匹配，分辨和增強在一個特定速度帶內(nèi)的目標信號，同時抑制掉雜波和感興趣速度帶外的其他回波。提供相干積累，改善信噪比。與濾波器頻率響應(yīng)遠遠沒有同目標相匹配的MTI體制相比，PD體制信號處理具有增強檢測性能的潛力[10]。

(2) 多個運動目標在多普勒濾波器組中能夠彼此分開，類似于云雨的慢動雜波等動目標信號出現(xiàn)在不同的窄帶濾波器中，為有效地抑制運動目標提供了方便。

(3) 具有測量目標徑向速度的能力。

可見，PD體制相比MTI體制，可更有效地在強雜波背景中檢測出微弱的目標信號。PD體制雷達是一種具有更好的雜波處理性能且技術(shù)更為復(fù)雜的相參體制雷達。

2多普勒濾波器組的改善因子

多普勒濾波器組是由覆蓋預(yù)期目標多普勒頻率范圍的一組鄰接窄帶濾波器組成，可濾除各種干擾雜波，保留所需的目標信號，改善信噪比，是PD體制信號處理中核心部件。多普勒濾波器組實現(xiàn)的基本原理是基于離散傅里葉變換(discrete fourier transform，DFT)算法的濾波特性[11]。其振幅特性為

k=0,1,…,N-1.

(1)

DFT的輸出等效為窄帶濾波器的幅頻響應(yīng)。對于“白色”噪聲，通過多普勒濾波器組后，等效于N個相參脈沖的積累，信噪比提高N倍，改善因子由多普勒濾波器組處理的點數(shù)決定。對于有色雜波來講，多普勒濾波器組把頻帶細分后，不同頻移的目標落在不同的窄帶濾波器中輸出，將固定雜波和低多普勒頻移的慢動雜波與目標信號分開，同時也實現(xiàn)了速度分辨功能。因此對地雜波和慢動雜波均有較好的抑制效果。但是，由式(1)得到的窄帶濾波器存在著副瓣，最高的副瓣比峰值響應(yīng)低13.2 dB，由副瓣進入的雜波將明顯地降低對雜波抑制性能。目前解決辦法有2種：一種是在濾波器組前面先采用對消器，將零頻和整數(shù)倍fr附近的雜波濾掉，這樣后接的各濾波器中通過副瓣的雜波明顯減少，改善因子會有所提高，降低對濾波器組動態(tài)范圍的要求。不足的是對有頻移和較大展寬雜波干擾的抑制效果不好， 多目標檢測時會相互干擾。另一種辦法是采用加權(quán)法降低各個濾波器的副瓣，同樣可以提高改善因子，所付出的代價是濾波器的主瓣有所加寬。

圖1　PD體制信號處理構(gòu)成Fig.1　Composition of PD system signal processing

在高斯譜分布的雜波假設(shè)下，加權(quán)DFT的信雜比改善因子可以由式(2)得到[12-13]

(2)

分布曲線如圖2a)所示。當輸入信號與第k號濾波器匹配時，不同號改善因子相對于雜波譜寬度的分布曲線如圖2b)所示。

由圖2a)可見，同一個脈沖重復(fù)頻率(pulse repetition frequency， PRF)內(nèi)，不同號的濾波器改善因子變化特點是，遠離雜波譜的窄帶濾波器改善因子越大，改善因子呈對稱分布，fr/2處窄帶濾波器改善因子最大，臨近nfr處的幾個窄帶濾波器受雜波譜影響嚴重。由圖2b)可知，目標多普勒頻率越高，改善因子就越大。同樣地，相同歸一化雜波譜寬度的條件下，遠離雜波譜的窄帶濾波器改善因子越大。

3雜波抑制性能分析

這里主要是結(jié)合與低脈沖重復(fù)頻率(low pulse repetition frequency，L-PRF)的對比，分析提高PRF對多普勒濾波器組雜波抑制性能的影響，即信雜比改善因子的比較。

3.1不同副瓣抑制

不同PRF時，采用不同副瓣抑制時多普勒濾波器組的改善因子分布曲線如圖3所示。由圖對比結(jié)果可見，提高副瓣抑制可以獲得高的改善因子，即多普勒濾波器組的性能由副瓣抑制程度決定。但是L-PRF時，由于檢測頻域有限，受窄帶濾波器主瓣展寬影響較大，滿足所需改善因子要求的濾波器數(shù)反而減少，有效頻域范圍變小，如圖3a)中70 dB與30 dB的情況對比。L-PRF又有嚴重的的速度模糊，顯然只依靠提高副瓣抑制獲得高改善因子的方法是不可取的。提高PRF后的情況則不同，如圖3b)所示，增大副瓣抑制，改善因子有效頻域變化不大，只有臨近雜波譜的若干個窄帶濾波器，因主瓣展寬改善因子下降。

圖2　漢寧窗函數(shù)加權(quán)情況下改善因子的變化曲線Fig.2　Improvement factor change curve of adding Hanning window

3.2不同PRF和點數(shù)

根據(jù)上面關(guān)于多普勒濾波器組改善因子的分析，可以得出不同PRF和點數(shù)，相同副瓣抑制的多普勒濾波器改善因子分布曲線如圖4所示。

由圖4的改善因子分布曲線結(jié)果可見，提高PRF的優(yōu)點[14-15]：

(1) 增加了最大不模糊速度，即獲得更寬的無速度模糊動目標檢測區(qū)域，減少了因頻譜折疊而發(fā)生雜波譜遮擋目標信號的概率，同時也增大了濾波器的第一盲速值。

(2) 彌補了L-PRF獲得高改善因子時存在有效檢測頻域不足的局限。

(3) 可提高脈沖濾波器處理的整體性能，同時獲得更多遠離雜波譜的頻率范圍，類似于機載雷達的頻域無雜波檢測區(qū)，有利于目標信號的檢測。

3.3提高PRF對MTI性能的影響

在地雜波過強，且多普勒濾波器組的高副瓣無法實現(xiàn)的情況下，可采取MTI級聯(lián)加權(quán)多普勒濾波器組的設(shè)計方案，MTI前置緩解對加權(quán)多普勒濾波器組的副瓣要求。本節(jié)主要分析提高PRF對MTI處理性能的影響。

MTI處理常用方法是采用凹口固定在零頻的對消器來對目標雜波進行濾除。對消器的種類有多延遲線對消器、N級對消器、橫向濾波器(非遞歸)和遞歸濾波器等。某型雷達采用2級對消器，因此以N級對消器為代表分析。

N級對消器等效為N級單延遲線對消器作級聯(lián)，其數(shù)字濾波器系統(tǒng)函數(shù)為

(3)

圖3　不同副瓣抑制的改善因子分布曲線Fig.3　Improvement factor percentile curve of different side-lobe suppression

圖4　不同PRF和點數(shù)時的改善因子分布曲線Fig.4　Improvement factor percentile curve of different PRF and points

其頻率響應(yīng)為

H(f)=[2sin(πfTr)]n.

(4)

根據(jù)式(4)可得到一次、二次對消器特性曲線。可以得出，一次對消器是個不十分理想的倒梳齒形濾波器，它在0,nfr處有零點，因此能起到抑制固定目標和慢速雜波的作用，但由于其頻率響應(yīng)是正弦形的，抑制凹口較窄，故雜波抑制能力是有限的，同時對各種不同的多普勒頻率靈敏度相差較大。二次對消器頻率響應(yīng)的抑制凹口加寬了，性能較一次對消器得到改善。隨著延遲線數(shù)目的增加，H(f)濾波器頻率響應(yīng)函數(shù)變窄，有益于提高濾除更多的雜波，但是，帶寬的變窄意味著能夠檢測的運動目標更少。因此目標檢測方面的損失是不采用大N值的一個理由。

4信號仿真論證

針對上面的分析結(jié)論，以檢測距離單元內(nèi)淹沒在雜波中的運動目標信號為例，進行信號仿真驗證。

具體參數(shù)為：假設(shè)雷達工作在X波段，取波長λ=0.03 m；雜波為瑞利分布，雜波展寬σv=0.32 m/s；探測范圍內(nèi)存在2個不同飛行速度的目標，目標1頻移fd=1 280 Hz，目標2頻移fd=2 400 Hz，處在不同的距離單元內(nèi)，S/C=-60 dB(強雜波環(huán)境)，S/N=20 dB，分別以L-PRF(fr=500 Hz)和較高PRF(fr=3 000 Hz)方式進行處理對比(其中，加權(quán)多普勒濾波器組采用切比雪夫窗加權(quán)，副瓣抑制比為-70dB；MTI處理采用二次對消器)，仿真結(jié)果如圖5，6所示，數(shù)據(jù)結(jié)果均是對雜波功率歸一化。

圖5a)所示為L-PRF方式時零頻回波信號的頻譜分布，雜波譜與目標信號同時存在。目標譜為頻譜折疊后的分布，即

fd1=mod(1 280/500)=280 Hz，

fd2=mod(2 400/500)=400 Hz.

采用二次對消濾波器，濾波結(jié)果如圖5b)所示，由于信雜比過小和雜波譜展寬的原因，雜波干擾嚴重。若在二次對消濾波器后接未加權(quán)的多普勒濾波器組，濾波結(jié)果如圖5c)所示，通帶內(nèi)輸出的雜波干擾得到一定改善。直接采用未加權(quán)的多普勒濾波器組，濾波結(jié)果如圖5d)所示，干擾嚴重，雜波譜淹沒目標信號，但是對信噪比改善較好。對靠近雜波譜的動目標2，由于窄帶濾波器主瓣展寬，目標檢測受到雜波譜干擾嚴重。而對于遠離雜波譜的動目標1，目標檢測效果明顯改善，即L-PRF方式時，采用較高副瓣抑制的加權(quán)多普勒濾波器存在有效檢測頻段有限的不足，同圖3的分析結(jié)論。另外，對比MTI和多普勒濾波器的濾波結(jié)果圖可以看出，后者有較好的信噪比改善效果。

圖5　L-PRF方式檢測目標仿真結(jié)果圖Fig.5　Simulation results of detecting targets with L-PRF way

圖6　提高PRF檢測目標仿真結(jié)果圖Fig.6　Simulation results of detecting targets with improved PRF

較高PRF方式時，回波信號頻譜分布如圖6a)所示。同樣采用二次對消濾波器，濾波結(jié)果如圖6b)所示，對比圖5b)可見，提高PRF可濾除更多的雜波，即有利于改善對消器的雜波抑制性能，同第3部分分析結(jié)論。采用未加權(quán)的窄帶濾波器的濾波結(jié)果如圖6c)所示，同樣副瓣泄露的雜波會嚴重干擾目標的檢測。而采用合適的加權(quán)窄帶濾波器的濾波結(jié)果如圖6d)所示，對于動目標1和動目標2均有較好的濾波效果。圖中多普勒濾波器組的輸出均指的是目標所在的窄帶多普勒濾波器輸出。

5結(jié)束語

由上述分析及信號仿真論證可以得出，某型X波段雷達在采用PD技術(shù)后可以通過提高PRF增強信號處理的雜波抑制性能。同時，著重從獲得高的雜波抑制性能角度，結(jié)合與L-PRF方式的對比，分析了某型X波段雷達采用較高PRF方式可獲得更多的脈沖數(shù)，利于濾波器的設(shè)計，可獲得更為有效的目標檢測頻段，同時還具有受雜波展寬影響小，更寬的無速度模糊頻域、降低相位噪聲混疊的影響等優(yōu)點，這為下一步該型裝備的升級改造提供更多的依據(jù)。

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Performance Analysis of Clutter Suppression for X-Band PD System Radar

HUANG Zhen-yuan1，ZHU Lin2，XIAO Hui3

(1.PLA,No.95980 Troop, Hubei Xiangyang 441500,China；2. Nanyang Normal University,Henan Nanyang 473000,China；3. Armed Police Force, No.8640 Troop, Hebei Dingzhou 073000, China)

Abstract:For X-band ground-based radar, in order to reach the target detection ability requirement in cloud and rain clutter, the performance improvement of clutter suppression is very important. However, there are no relevant demonstrations in ground-based radar using pulse Doppler (PD) system. Based on the comparative analysis of signal noise ratio (SNR) improvement factor for some type X-band radar, the performance improvement of clutter suppression of ground-based radar using PD system is analyzed, the final signal simulation demonstration confirms the correctness of the analysis.

Key words:clutter supression; improvement factor;pulse Doppler(PD) system radar; X-band；clutter filter bank; pulse repetition frequency

中圖分類號：TN958.2

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0135-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.023

通信地址：441500湖北省襄陽市襄城區(qū)環(huán)山路86號51分箱E-mail：chelonkjld@163.com

作者簡介：黃振遠(1982-)，男，湖北孝感人。工程師，碩士，主要研究方向為雷達系統(tǒng)、雷達信號處理。

*收稿日期：2014-08-31；修回日期：2015-02-03