動(dòng)雜波速度估值的工程實(shí)現(xiàn)

摘 要：在AMTI雷達(dá)信號(hào)處理中，為綜合利用目標(biāo)回波的各項(xiàng)信息，提高目標(biāo)的分辨精度及檢測(cè)概率，需要有效去除動(dòng)雜波，其中，雜波速度估值對(duì)于動(dòng)雜波抑制具有重要作用。著重討論了雜波速度估值原理和試探濾波器時(shí)變加權(quán)設(shè)計(jì)，并給出了在某雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中雜波速度估值的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理；雷達(dá)；動(dòng)雜波；濾波處理；速度估值

中圖分類號(hào)：TN951 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-163-03

Realization of Moving Clutter Velocity Estimation

WANG Ming，ZHU Ziping

(East China Research Institute of Electronic Engineering，Hefei，230031，China)

Abstract：In AMTI radar signal processing，it needs effectively to remove the moving clutter to enhance the radar target′s resolution precision and the examination probability by comprehensive utilization target echo each information.It is important effect to moving clutter suppression that the signal processing system can estimate the moving clutter velocity.This article emphatically discusses the clutter velocity estimation principle and the probe time-change weighting digital matched filter design，and gives the clutter velocity estimation design and its realization in some radar signal treatment system.

Keywords：DSP;radar;moving clutter;filter processing;velocity estimatio

雷達(dá)在軍用及民用領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。為了提高雷達(dá)的檢測(cè)性能，使雷達(dá)在云雨等動(dòng)雜波環(huán)境下的目標(biāo)檢測(cè)能力達(dá)到指標(biāo)要求，雷達(dá)的信號(hào)處理設(shè)備必須對(duì)各類雜波具有較好的抑制效果，因此，需要對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。由于動(dòng)雜波一般有多普勒頻移不等于零的特點(diǎn)，普通的實(shí)數(shù)加權(quán)MTI濾波器難有好的抑制效果。一種比較好的方法是采用AMTI濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)雜波的抑制^[1-3]。

本文討論了雜波抑制的一般方法、雜波速度估值原理和試探濾波器時(shí)變加權(quán)設(shè)計(jì)，給出了某雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)中雜波多普勒頻率估值的設(shè)計(jì)原理及其改善措施并進(jìn)行了仿真。理論分析和仿真結(jié)果表明，文中的方法對(duì)動(dòng)雜波的抑制是有效的。

1 雜波抑制的一般方法

雷達(dá)的工作環(huán)境一般既有固定雜波，也有動(dòng)雜波^[3]。為了能同時(shí)抑制這兩種雜波而檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，常用的方法有兩種：第一種方法是采用兩級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)，一級(jí)用于抑制固定雜波，另一級(jí)復(fù)數(shù)加權(quán)濾波器用于抑制動(dòng)雜波；第二種方法是采用階數(shù)較高的具有雙凹口的復(fù)數(shù)加權(quán)濾波器，一個(gè)凹口抑制固定雜波，另一個(gè)凹口抑制動(dòng)雜波。為了有效抑制整個(gè)雷達(dá)作用范圍內(nèi)不同運(yùn)動(dòng)速度的雜波，兩種方法都要求用于抑制動(dòng)雜波濾波器凹口能根據(jù)不同的雜波速度自適應(yīng)地改變其位置，即根據(jù)雜波速度對(duì)應(yīng)改變?yōu)V波器的加權(quán)系數(shù)，這就要求對(duì)濾波器進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

在合理設(shè)計(jì)濾波器之后，有效抑制動(dòng)雜波的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確估計(jì)動(dòng)雜波的運(yùn)動(dòng)速度。在實(shí)際工作中，通過分析動(dòng)雜波的平均多普勒頻率fd進(jìn)而控制濾波器的零點(diǎn)位置來實(shí)現(xiàn)。

本文中動(dòng)雜波分析是采用兩級(jí)5點(diǎn)MTI濾波試探法，即選用幾組阻帶位置不同的FIR濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，比較各組濾波器的輸出，計(jì)算最小剩余對(duì)應(yīng)的fd值。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是和雷達(dá)的工作模式完全兼容，可直接求出不模糊的fd值；缺點(diǎn)是運(yùn)算量較大，當(dāng)雜波譜寬大于分析濾波器阻帶寬度時(shí)難以得到頻譜的準(zhǔn)確估值。

2 雜波速度估值原理

在不考慮其他因素條件下，雷達(dá)接收到的回波信號(hào)在實(shí)踐上與發(fā)射信號(hào)相比將有2R/C的時(shí)間延遲。

對(duì)固定雜波而言，他與雷達(dá)之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則距離R為常數(shù)，回波與發(fā)射信號(hào)之間有固定相位差：



Ψ=(2π/λ)#8226;(2R)[JY](1)



對(duì)動(dòng)雜波而言，他與雷達(dá)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則距離R隨時(shí)間變化，設(shè)動(dòng)雜波與雷達(dá)之間以勻速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，則距離為：



R(t)=R0-Vr#8226;t[JY](2)

其為時(shí)間t的函數(shù)，在徑向速度Vr為常數(shù)時(shí)，產(chǎn)生多普勒頻率差：



fd=12πdΨdt=2Vrλ[JY](4)



式中λ為雷達(dá)的工作波長(zhǎng)。

因此，可得動(dòng)雜波的徑向速度為：



Vr=fd#8226;λ/2[JY](5)



由于不可避免地存在噪聲影響，為減小影響，提高速度估值精度，可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行速度平均。最好的辦法就是采用速度雜波圖。即將雷達(dá)的作用范圍等分成若干個(gè)方位距離單元，每個(gè)單元的雜波速度估值存入對(duì)應(yīng)的速度圖中，每幀更新一次，更新的方法采用平滑濾波算法，其算法公式為：



y(n)=c#8226;x(n)+(1-c)#8226;x(n-1)[JY](6)



式中y(n)為更新后的速度值，c為平滑系數(shù)，x(n)為本幀新求的速度值，x(n-1)為上一幀更新的歷史值。

平滑處理可大大提高速度估值的可信度。平滑處理的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是避免將淹沒在雜波中的目標(biāo)抑制掉。若萬一剛好估算的是目標(biāo)速度，而不是雜波速度，速度雜波圖將把新得到的速度與歷史值平滑處理，輸出的只是目標(biāo)速度與雜波速度平滑處理后的值，該值既不等于雜波速度值也不等于目標(biāo)速度值，雖然對(duì)雜波抑制不利，但避免了目標(biāo)被濾波器抑制，待目標(biāo)運(yùn)動(dòng)出該平滑單元后，經(jīng)幾次平滑處理，輸出值又趨于對(duì)應(yīng)的雜波速度，使結(jié)果大為改善。

3 試探濾波器時(shí)變加權(quán)設(shè)計(jì)

試探濾波器設(shè)計(jì)的核心是濾波器權(quán)矢量選取。設(shè)計(jì)中有兩個(gè)重要因素需要考慮。其中一個(gè)因素是MTI濾波器的階數(shù)N。理論上N越大，所獲得的改善因子就越高。但實(shí)際并非如此，因?yàn)槠渌蛩氐南拗?，過高的濾波器階數(shù)并不能無限增加改善因子，相反會(huì)增加實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性并降低反應(yīng)速度。另外計(jì)算表明，當(dāng)輸入雜波的相對(duì)帶寬大于一定值后，改善因子對(duì)階數(shù)的反應(yīng)并不敏感。另一因素是雜波估計(jì)的采樣樣本數(shù)。根據(jù)雜波分布范圍較寬的特點(diǎn)，在同一周期對(duì)連續(xù)多個(gè)單元進(jìn)行速度平均，以此來保證一定的估計(jì)精度。

對(duì)于離散系統(tǒng)，設(shè)N階FIR濾波器^[4]的輸入為x(n)，則在tn時(shí)刻濾波器的響應(yīng)為:



y(n)=∑N-1i=0x(n-i)W(i)[JY](7)



設(shè)輸入為某一已知信號(hào)x(n)，且濾波器對(duì)這組信號(hào)的響應(yīng)為零，則可通過式(7)求得W(i)：



∑N-1i=0x(n-i)W(i)=0[JY](8)



設(shè)N個(gè)頻率參數(shù)等效于調(diào)整濾波器的阻帶寬度，則可得N個(gè)獨(dú)立方程：



[JB(]∑N-1i=0x1(n-i)W(i)=0

……

∑N-1i=0xN(n-i)W(i)=0[JB)][JY](9)



式中xk=exp(j2πfktn)，k=1，2，3，…，N，fk為第k個(gè)方程的頻率參數(shù)。

由式(9)解出W(i)就可實(shí)現(xiàn)這一帶阻濾波器。

由于在變T方式下離散采樣信號(hào)序列x(n)的采樣間隔發(fā)生變化，因此求出的W(i)只適合于當(dāng)時(shí)的x(n)采樣序列，要保證式(9)在所有條件下成立就必須求出對(duì)應(yīng)每一組采樣序列的W(i)，并根據(jù)當(dāng)前的采樣序列選用對(duì)應(yīng)的濾波器權(quán)系數(shù)，這就是所謂時(shí)變加權(quán)FIR濾波器方法。這時(shí)式(9)可改寫為式(10)，式中r表示變T序列，令W(r，0)=1，并將式(10)表示成如式(11)的矩陣形式：

這里r=1~M，表示可能的變T采樣組合，M為可能的變T周期組合數(shù)。式(11)為時(shí)變加權(quán)濾波器系數(shù)的求解方程，將各種變T序列代入該式即得所有的權(quán)系數(shù)。

在動(dòng)雜波頻譜范圍內(nèi)設(shè)定一組帶阻濾波器，由于最大雜波譜中心頻率可能大于雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率，所以一般在變T條件下，濾波器的阻帶寬度能有效覆蓋整個(gè)雜波干擾頻率。用M個(gè)濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，再比較各個(gè)濾波器的輸出剩余，而后計(jì)算出最小剩余所對(duì)應(yīng)的fd值，即可得到動(dòng)雜波的平均速度估值。

4 試探濾波器的幅頻響應(yīng)曲線

根據(jù)雷達(dá)工作模式變T/等T，第一次試探濾波要能適應(yīng)變T/等T工作模式。對(duì)于單模雜波，等T和變T情況下第一次試探濾波器的幅頻響應(yīng)曲線如圖1，圖2所示。

同理，第二次濾波處理模塊也要能適應(yīng)變T/等T工作模式。對(duì)于單模雜波，等T和變T情況下第二次試探濾波器的幅頻響應(yīng)曲線如圖3，圖4所示。[LM]

圖1 變T時(shí)試探濾波器幅頻響應(yīng)曲線(一)

圖2 等T時(shí)試探濾波器幅頻響應(yīng)曲線(一)

圖3 變T時(shí)試探濾波器幅頻響應(yīng)曲線(二)

圖4 等T時(shí)試探濾波器幅頻響應(yīng)曲線(二)

5 雜波速度估值實(shí)現(xiàn)方案

由于AMTI雜波多普勒頻率估值涉及到較多的運(yùn)算，因而在硬件實(shí)現(xiàn)中采用了較多的高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 硬件處理框圖

硬件電路主要由高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片ADSP21060和片外存儲(chǔ)器(EPROM，RAM和ROM)及EPLD等外圍電路構(gòu)成。外掛程序存儲(chǔ)器EPROM存放ADSP21060的加載[CM(22]程序；雙口RAM完成輸入輸出數(shù)據(jù)同步緩存；利用硬件中[CM)][LL]的RAM來輔助完成速度圖動(dòng)態(tài)平滑濾波處理，速度圖覆蓋雷達(dá)的整個(gè)作用范圍。利用電可擦除ROM來存儲(chǔ)地物雜波輪廓圖。EPLD產(chǎn)生各種時(shí)序來控制DSP的工作，包括產(chǎn)生中斷、地址譯碼和數(shù)據(jù)輸入輸出片選等功能。通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理和試探處理以及雜波速度值的估計(jì)等。

第一次試探濾波主要是用阻帶寬度為50 Hz的濾波器對(duì)距離積分后的I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行MTI試探濾波估算，找出輸出最小剩余的濾波器，記下其頻道號(hào)，用作二次MTI試探濾波器選擇的導(dǎo)引頭，同時(shí)保護(hù)當(dāng)前濾波處理的I/Q數(shù)據(jù)，以備第二次FIR試探濾波用。

第二次試探濾波主要是用阻帶寬度為10 Hz的濾波器對(duì)I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次MTI試探濾波估算，找出輸出最小剩余的濾波器，其對(duì)應(yīng)的中心頻率作為當(dāng)前的fd值，依據(jù)工作頻率將fd轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的速度值Vr分波束保存，通過LINK口將數(shù)據(jù)送后級(jí)程序模塊處理。

軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖中，前級(jí)輸出的正交I，Q信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理和兩級(jí)5點(diǎn)MTI濾波試探，檢測(cè)得到動(dòng)雜波出現(xiàn)的位置，即雜波的平均多普勒頻率fd值。

后級(jí)程序模塊依據(jù)當(dāng)前工作頻率將Vr轉(zhuǎn)換成fd′，同時(shí)根據(jù)方位扇區(qū)將fd′值存上一幀，包括扇區(qū)的優(yōu)化處理；輸出時(shí)選擇當(dāng)前方位扇區(qū)對(duì)應(yīng)的fd′值輸出，達(dá)到自適應(yīng)控制FIR濾波器的零點(diǎn)的目的。

圖6 軟件結(jié)構(gòu)圖

6 結(jié) 語(yǔ)

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述AMTI雜波多普勒頻率估值的設(shè)計(jì)方案是可行的，通過分析雜波的平均多普勒頻率fd進(jìn)而控制FIR濾波器的零點(diǎn)位置，從而使氣象雜波得到了有效的抑制。本文給出的實(shí)現(xiàn)方案已應(yīng)用于某型號(hào)雷達(dá)的信號(hào)處理機(jī)，效果良好。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］蔡希堯.雷達(dá)系統(tǒng)概論\\[M\\].北京:科學(xué)出版社，1983.

［2］［美］杰里L(fēng).伊伏斯.現(xiàn)代雷達(dá)原理\\[M\\].北京:電子工業(yè)出版社，1991.

［3］丁鷺飛.雷達(dá)原理\\[M\\].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1984.

［4］馬曉巖.雷達(dá)信號(hào)處理\\[M\\].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)出版社，1999.

［5］王衛(wèi)華.基于FPGA的DDS在雷達(dá)多普勒回波模擬中的應(yīng)用\\[J\\].現(xiàn)代雷達(dá)，2004，26(12):63-68.

作者簡(jiǎn)介

王 明 男，1973年出生，工程師。主要從事雷達(dá)信號(hào)處理工作。

朱子平 男，1973年出生，高級(jí)工程師。主要從事雷達(dá)信號(hào)處理工作，并發(fā)表論文多篇。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。