王金峰 顧慶遠(yuǎn) 劉仍莉

(1. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088；2. 孔徑陣列與空間探測安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 合肥 230088)

0 引言

海雜波背景下的目標(biāo)檢測在軍事和民用等方面都有著非常重要的應(yīng)用，因此國內(nèi)外很多研究人員一直致力于該項(xiàng)技術(shù)的研究，提出了許多種行之有效的海雜波背景下的目標(biāo)檢測方法[1]。根據(jù)處理域的不同可分為時(shí)間域處理方法和變換域處理方法。在時(shí)域，一般對幅度分布特性以及時(shí)間和空間的相關(guān)性進(jìn)行研究，獲得海雜波的統(tǒng)計(jì)特性后對其進(jìn)行建模,進(jìn)而進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和目標(biāo)的檢測[1]。海雜波的多普勒特性反映了其在脈沖之間的相互作用關(guān)系，從產(chǎn)生機(jī)理來看，它是由雷達(dá)發(fā)射頻率、雷達(dá)波束照射方向等雷達(dá)發(fā)射機(jī)信息以及海浪方向、風(fēng)速等海洋信息共同作用而產(chǎn)生的，并且隨著雷達(dá)參數(shù)、海洋環(huán)境的改變而表現(xiàn)出不同的特性[3-4]?；跁r(shí)頻分析的目標(biāo)檢測方法通過估計(jì)chirp信號的參數(shù)，從源頭上濾除雜波信號，再利用變換域提取強(qiáng)雜波信號的參數(shù)復(fù)制出原始雜波信號，從而從輸入中去除[5]。

文獻(xiàn)[6]分析了機(jī)載多通道系統(tǒng)的海雜波特性，表明了海雜波在多通道系統(tǒng)中具有較好的空間相關(guān)性，可采用空時(shí)處理的方式進(jìn)行海雜波的抑制。文獻(xiàn)[7]也提出了利用多通道系統(tǒng)的空間信息進(jìn)行處理。但以上僅針對特征的雷達(dá)工作環(huán)境，而實(shí)際的機(jī)載雷達(dá)為了實(shí)現(xiàn)廣域的搜索，波束指向往往覆蓋全方位角度，此時(shí)海雜波的特性是變化多樣的，導(dǎo)致對海雜波的處理不能選擇某一固定的方法或者參數(shù)進(jìn)行，這就要求雷達(dá)具有認(rèn)知處理的能力[8]。

針對海雜波的變化特性，本文針對某雙通道機(jī)載雷達(dá)提出了一種基于海雜波多普勒認(rèn)知的自適應(yīng)目標(biāo)檢測方法，其首先通過海雜波數(shù)據(jù)對海雜波的強(qiáng)度進(jìn)行分類，然后根據(jù)強(qiáng)度的不同選擇的處理算法分支，以提高海雜波環(huán)境的適應(yīng)性。

1 信號建模

多通道機(jī)載雷達(dá)在飛行過程中發(fā)射脈沖并接收反射回波，形成通道-脈沖-距離分布的三維數(shù)據(jù)。將其表示為

(1)

其中A為雷達(dá)回波的反射強(qiáng)度，p為通道位置，τ為脈沖慢時(shí)間，t為距離快時(shí)間，f0為中心頻率，c為傳播速度，R(p,τ,t)為雷達(dá)通道與目標(biāo)的相對距離。不失一般性，本文以正側(cè)視工作時(shí)的系統(tǒng)(如圖1所示)進(jìn)行建模和算法說明。

圖1 雙通道雷達(dá)系統(tǒng)工作模型

那么有

(2)

其中假設(shè)雷達(dá)的x坐標(biāo)式中為0，雷達(dá)和目標(biāo)在脈沖內(nèi)的位置不變，只在脈沖間變化。vp為載機(jī)的地速，vx，vy為海雜波的速度分量，H為雷達(dá)載機(jī)高度，(x0,y0)為目標(biāo)的起始位置，d為兩個(gè)通道的等效相位中心的間距。

2 頻率域處理方法

將式(2)中的T1的距離進(jìn)行簡化可得到

(3)

其中vpy=vp-vy表示目標(biāo)相對雷達(dá)的y方向速度分量。帶入雷達(dá)回波式(1)中可得到，雷達(dá)的回波可表示為

(4)

將式(4)進(jìn)行傅里葉變換即可得到回波信號的多普勒頻率域的分布，傅里葉變換可表示為

(5)

(6)

那么，影響多普勒域分布的關(guān)鍵因素就在于反射體在相干處理周期內(nèi)的譜特性?，F(xiàn)有的研究表明可用高斯譜、立方型譜、指數(shù)型譜等譜型來表示海雜波的多普勒譜[1]，這也是海雜波相對地雜波譜寬度有所增加的主要因素。

以上僅以單目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行討論，而實(shí)際的回波中包含了來自波束內(nèi)各個(gè)方向上的雜波反射，可將其表示為積累的形式：

(7)

式(7)表明當(dāng)前多普勒通道的譜，不僅包含當(dāng)前多普勒通道對應(yīng)的雜波回波，還包含由海雜波譜展寬帶來的鄰近多普勒通道的雜波回波，使得當(dāng)前多普勒通道的雜波有所增強(qiáng)。但只要泄露小于波束內(nèi)的總雜波強(qiáng)度，就帶來了相干處理的得益。再加上方向圖調(diào)制產(chǎn)生的清潔區(qū)也為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測帶來增益。因此，在海雜波強(qiáng)度中等條件下，對海處理可采用多普勒處理方法。圖2為某X波段機(jī)載雷達(dá)的海雜波距離多普勒分布圖。

圖2 機(jī)載海雜波的譜分布

由圖可見主瓣區(qū)的海雜波較強(qiáng)，其每個(gè)多普勒通道對應(yīng)高通道角度區(qū)域內(nèi)的海雜波回波以及鄰近多普勒通道的泄露。受天線方向圖的調(diào)制，其它區(qū)域保持較低的雜波強(qiáng)度且基本恒定，形成了目標(biāo)檢測的清潔區(qū)，有利于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測。

3 頻空聯(lián)合域處理方法

然而，隨著海況的惡化，海雜波的強(qiáng)度會進(jìn)一步的增強(qiáng)，如圖6、圖8所示的海雜波距離多普勒分布圖。此時(shí)，主瓣區(qū)域的海雜波進(jìn)一步增強(qiáng)，靠近主瓣區(qū)域的目標(biāo)已無法有效的檢測，需考慮有效的雜波抑制方法。

3.1 空間通道模型

對于雙通道的系統(tǒng)，系統(tǒng)還具備空域處理的能力。此時(shí)，將T2通道接收的(x0,y0)反射體信號表示為

(8)

其中雷達(dá)與目標(biāo)間的初始距離為

(9)

那么，可近似為

(10)

其中ξ表示所有未算入的幅相誤差。式(10)表明，第二通道與第一通道存在與位置和通道間距有關(guān)的相位差，以及與目標(biāo)相對載機(jī)的y分量有關(guān)的多普勒頻率偏移。由于雜波的速度相對載機(jī)較小，且d?R0，因此第二相位項(xiàng)可通過vp進(jìn)行多普勒的平移補(bǔ)償。第一相位項(xiàng)可通過波束的方位角進(jìn)行補(bǔ)償；同時(shí)將剩余誤差計(jì)入ξ。此時(shí)，式(10)的多普勒域信號可表示為

S(T2,fd,t)=ξS(T1,fd,t)

(11)

3.2 基于主分量分析的雜波對消

進(jìn)行必要的多普勒偏移補(bǔ)償后，兩通道的多普勒通道已對齊，即兩個(gè)通道的同多普勒通道對應(yīng)相同的海面區(qū)域。但由于在工程設(shè)計(jì)中兩通道的微波特性難免存在差異，再加上通道相位補(bǔ)償?shù)木葰堄嗾`差，導(dǎo)致兩通道的響應(yīng)存在一定的差異，無法直接進(jìn)行對消處理。另一方面，對于主副瓣區(qū)域的多普勒通道，海雜波能量較強(qiáng)，且主要分量來自波束的同一方向。因此，可以通過主分量的特征矢量進(jìn)行誤差的估計(jì)。將兩通道的同一多普勒數(shù)據(jù)構(gòu)建為矢量的形式為

(12)

通過海雜波距離單元可估計(jì)得到海雜波的協(xié)方差矩陣為

(13)

圖3 空間通道的主分量和次分量的分布

圖3中通道1和通道2分別為原始的距離多普勒包絡(luò)反演，特征1和特征2分別表示主分量和非主分量的能量。可見，按照主分量的空間特性進(jìn)行空間對消后，將大幅降低海雜波的強(qiáng)度，有利于落入主雜波附近區(qū)域的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測。

4 基于譜認(rèn)知的自適應(yīng)處理方法

頻率域相干處理方法通過頻率濾波器組將不同方向的雜波進(jìn)行分割，將與目標(biāo)競爭的雜波范圍縮小和天線方向圖的調(diào)制實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測。隨著目標(biāo)海雜波強(qiáng)度的增強(qiáng)，僅靠縮小范圍和方向圖的調(diào)制無法滿足目標(biāo)檢測的需求，此時(shí)通過雷達(dá)系統(tǒng)的空間分集，獲取近乎同時(shí)的海雜波數(shù)據(jù)，并通過海雜波估計(jì)通道的殘余誤差，實(shí)現(xiàn)雜波的對消，再縮小范圍的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步降低雜波的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的檢測。

4.1 算法流程

兩種方法都有一定的適用范圍，頻率域處理的海雜波強(qiáng)度不能太強(qiáng)，頻空聯(lián)合的方法處理需要一定的海雜波強(qiáng)度。另一方面，隨著海雜波強(qiáng)度的增強(qiáng)，多普勒譜的峰值雜噪比也隨著增加。因此，本文選擇以海雜波多普勒譜的峰值信噪比作為指標(biāo)進(jìn)行信號處理算法的選擇依據(jù)。具體的處理流程如圖4所示。

圖4 基于譜認(rèn)知的海雜波中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測流程

4.2 實(shí)測數(shù)據(jù)處理

某X波段機(jī)載試驗(yàn)雷達(dá)，采用雙通道的系統(tǒng)配置，在某海域進(jìn)行了海雜波數(shù)據(jù)的采集飛行。為海雜波的研究提供了大量的分析研究數(shù)據(jù)。本文針對雷達(dá)的窄帶對海數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。由于窄帶工作模式時(shí)的距離覆蓋區(qū)域很大，而海雜波特性又隨入射角、海風(fēng)區(qū)域、海底地形等因素的變化而變化。因此，在實(shí)際處理中需要分距離段進(jìn)行。

對于系統(tǒng)采樣頻率10MHz的系統(tǒng)，距離單元的尺寸為15 m，選擇100距離單元作為距離分塊(對應(yīng)1500 m的距離范圍)。對每塊數(shù)據(jù)求取距離均值，并根據(jù)均值剔除異常的起伏距離單元，得到該距離塊的雜波沿多普勒維的估計(jì)p(fd)。對p(fd)再進(jìn)行過固定門限檢測，并把過門限的多普勒通道標(biāo)記為1，不過門限的標(biāo)記為0,并記為B(fd) 。接著對標(biāo)記B(fd)進(jìn)行滑窗，并結(jié)合雷達(dá)的波束指向和速度，找到主雜波區(qū)域的最大值Pmax。另一方面對標(biāo)記為0的多普勒幅度求均值，作為噪(雜波)底Pcn。那么，通過海雜波回波估計(jì)的海雜波環(huán)境參數(shù)即可表示為：Pc=dB(Pmax)-dB(Pcn) 。

為了說明處理方法的工作流程，選擇一組具有較強(qiáng)雜波的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，該組數(shù)據(jù)的每個(gè)脈沖的原始回波信號如圖 5所示。917距離單元的目標(biāo)沒有明顯的幅度優(yōu)勢，被淹沒在了海雜波中。為了獲得當(dāng)前數(shù)據(jù)海雜波的p(fd)分布，對該波位的信號進(jìn)行脈沖維的傅里葉變換后得到距離多普勒平面的二維幅度分布(如圖6所示)?？梢姡瑥?qiáng)雜波主要集中在一小部分的多普勒通道內(nèi)；受到天線方向圖的調(diào)制，一大部分多普勒通道得到了一定的抑制，獲得了相對的清潔區(qū)。917距離單元的目標(biāo)由于運(yùn)動(dòng)速度與海雜波運(yùn)動(dòng)速度的差異，從海雜波集中的主瓣區(qū)域分離出來，此時(shí)該多普勒單元的距離能量分布如圖7所示，目標(biāo)從雜噪底中凸顯出來，可進(jìn)行有效的目標(biāo)檢測。

圖7 917距離單元處目標(biāo)所在的多普勒單元的能量分布

接著，從距離多普勒的幅度分布，可得到該距離塊的p(fd)分布曲線如圖8所示。并從該曲線估計(jì)得到海雜波環(huán)境參數(shù)Pc估計(jì)為17.92 dB。在實(shí)際的處理中，根據(jù)天線方向圖和調(diào)制和誤差估計(jì)所需的信號質(zhì)量，本文設(shè)置8 dB為頻空處理的門限，此值顯示，可進(jìn)行頻空維的聯(lián)合處理。

對多普勒單元的標(biāo)記B(fd)，滑窗滿足M/N門限的多普勒單元構(gòu)建雙通道信號矢量，并估計(jì)通道誤差后，雜波對消處理。此時(shí)將有利于對慢速運(yùn)動(dòng)(相對海雜波)的小目標(biāo)的檢測。對強(qiáng)雜波分區(qū)區(qū)域進(jìn)行對消后的距離多普勒分布如圖9所示?？梢娭麟s波邊沿的912, 922, 938, 947, 969目標(biāo)從剩余雜噪環(huán)境中凸顯出來。

圖9 強(qiáng)雜波對消處理與和通道數(shù)據(jù)拼接后的目標(biāo)檢測環(huán)境

5 結(jié)束語

海雜波的抑制是海面目標(biāo)檢測的關(guān)鍵技術(shù)，決定著雷達(dá)系統(tǒng)的探測性能。然而，海雜波受風(fēng)向、風(fēng)力、洋流、暗涌等多種因素的影響，變化復(fù)雜多樣，給目標(biāo)檢測帶來了不小的挑戰(zhàn)。雖然針對特定的研究方面，提出了大量的處理方法，但普遍的適用性不太好，限制了算法的適應(yīng)工程應(yīng)用。本文通過海雜波多普勒的峰值雜噪比實(shí)現(xiàn)對海雜波環(huán)境的認(rèn)知，進(jìn)而智能選擇頻空聯(lián)合處理和頻率域處理算法，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)系統(tǒng)對海雜波環(huán)境的自適應(yīng)。通過實(shí)測數(shù)據(jù)的處理驗(yàn)證了算法的有效性。