基于位置信息的寬帶雷達目標距離段聯合檢測算法＊

李 林 饒 起 籍林峰

（南京船舶雷達研究所 南京 210003）

1 引言

寬帶雷達技術早在1960年就開始軍事應用方面的研究，美國于1992年把發展超寬帶雷達列入國防部計劃，目前已建立了寬帶／超寬帶雷達基地，用于探測叢林目標和海上警戒［1］。與傳統窄帶雷達相比，寬帶雷達具有許多特殊功能，例如：透視能力、反偵察能力、目標識別、以及高分辨成像能力。同時，寬帶雷達相對窄帶雷達而言還具有距離測量精度高、抗干擾能力強、提高微弱小目標、低空掠海飛行目標的檢測概率等諸多優勢，成為今后雷達發展的一個重要方向。在寬帶情況下，目標和雜波的特性都發生了變化，飛機、艦船等目標不能再看成是點目標，其目標回波表現為多散射點形成的一維距離像［2～3］，即目標變成了沿波束照射徑向距離“走廊”上的一段連續距離單元對應的擴展目標。與此同時，雷達雜波的幅度分布明顯偏離窄帶情況下的瑞利分布［4］。因此，在窄帶方式下行之有效的一些目標檢測方法在寬帶方式下未必適用。因而，亟需進一步研究寬帶條件下的目標回波信號特性，尋找適用于寬帶條件下的檢測方法，充分利用寬帶雷達大帶寬和高距離分辨率所帶來的好處。本文希望通過對寬帶目標回波特性分析、目標回波的信號積累方法以及性能分析，解決寬帶雷達下信號檢測原理及方法研究，最終為寬帶雷達目標檢測提供有效的處理方法。

2 寬帶信號目標回波特性分析

寬帶信號目標的回波是沿波束照射徑向距離“走廊”上的一段連續距離單元所對應的擴展目標，為一串具有隨機參數的脈沖序列。每個脈沖是目標上散射點的回波，其波形除時延、相位、幅度為隨機變量外，與發射信號具有相同的波形。目標的結構和雷達視角決定了脈沖串的排列，每個脈沖的幅度取決于對應目標亮點的雷達截面積，脈沖的極性則取決于散射信號的目標材質的磁導率。空間目標的散射面積隨時間而變化，從而成為一種目標RCS，并含有目標一維距離像的特性［5～6］。

文獻［7］對寬帶雷達回波的幅度和相位特性進行了較為詳細的分析，圖1給出了單個發射脈沖回波脈沖串的幅度和相位波形。經過脈壓以后，寬帶信號脈沖寬度很小，為信號帶寬的倒數，其對應的空間距離也很小，一般來講小于目標長度。根據文獻［8］，如當信號帶寬Δf＝200MHz時，回波信號脈沖寬度τ＝5ns，其對應的空間長度L＝（c＊τ）／2＝0.75m。

圖1 單個發射脈沖回波脈沖串的幅度和相位

圖2 理想情況下不同回波脈沖幅度（Vr＝300m／s）

圖1所示的幅度變化表示飛機不同位置散射強度不同。由于不同高分辨距離單元回波之間是不相關的，因此其相位分布是隨機性的。

圖2列出了理想情況下目標徑向速度Vr＝300m／s，脈沖重復周期Tr＝500μs時，第10、20、30、40、50個回波脈沖的幅度變化。由計算可知，同一距離單元相鄰脈沖回波之間的時間差為ΔT＝2VrTr／c＝1ns。

如果壓縮后脈沖寬度τ＝5ns時，目標的第6個回波脈沖與第1個回波脈沖對應的位置將平移一個距離單元，這就是不同重復周期之間的距離走動。

根據文獻［7～10］進行歸納，寬帶雷達回波信號具有以下特點：

1）寬帶雷達下雜波的影響不如常規窄帶雷達嚴重，隨目標距離的增加而下降，且隨著雷達分辨率的提高，信雜比（S／C）的改善會越好。因此，在同等條件下常規雷達不易檢測的弱小目標，在寬帶雷達下將變得容易檢測。

2）寬帶雷達每個脈沖重復周期的目標回波具有隨機參數的特點，即當目標結構、姿態、雷達入射角改變時，回波脈沖串中各個子脈沖的幅度、相位、到達時間都會隨之改變。

3 寬帶信號目標檢測技術

在寬帶高分辨雷達照射下，飛機、艦船等目標已不能被看成點目標，而是沿波束照射徑向距離“走廊”上的一段連續距離單元所對應的擴展目標，因此，常規雷達下的目標檢測方法很難用來檢測寬帶高分辨雷達下的目標。

對于非瑞利型雜波，如果應用常規的均值檢測器，則由于非瑞利雜波概率密度函數的較長拖尾導致虛警數加大；如果提高檢測門限，則又導致檢測概率的降低。由于高分辨雷達的背景環境較惡劣，可能含有角反射器等孤立強散射點的假目標（如人工的角反射器、毀壞的人工目標等），而人工目標（如飛機、艦船等）有一定的徑向尺寸和一定數目的強散射點，我們可以利用人工目標與雜波等假目標在尺寸和強散射點數目上的不同而將它們分離［9］。

為此，提出一種基于位置信息的寬帶雷達目標距離段聯合檢測算法，該算法可以檢測出具有多個散射點特性的擴展目標，對于存在雜亂脈沖干擾或多個擴展目標存在的情況，該方法也能辨別出真假目標，將距離“走廊”上不同的擴展目標完好地檢測出來。下面討論該檢測器的結構。

3.1 基于第一檢測門限的位置檢測

第一門限的選擇方法很多，最常用的一種方法就是根據樣本的特性來決定其大小，如樣本幅度的均值等。根據高分辨雷達雜波的不均勻特性，由于樣本中總是包含噪聲和雜波等影響，因此，使用樣本幅度平均的辦法來選擇第一門限是不太合理的。既然高分辨雷達的S／C比較高，在待檢測的目標尺寸范圍內的目標散射點回波強度，可以作為選擇門限的依據，因此，我們根據目標散射點的最大回波幅度，來選擇第一門限。假設在中（視）頻輸出端經脈壓后得到的一個掃頻周期的回波幅度序列為x1，x2，…，xN，我們從中選擇最大值：

那么，第一門限可選擇為：

其中，η為確信系數，可根據S／C比值大小（或虛警率的大小）來定，一般可選擇0.3～0.7左右［11］。將回波幅度序列x1，x2，…，xN與門限Th1進行比較，并記錄超過門限的樣本位置序號：

其中，arg｛·｝表示取變元運算。因而，Ii代表xi的位置信息。

顯然，

Ii為經過第一門限檢測的輸出超過門限的位置信息。如果將Ii＝0的位置序號去除，則剩下的集合為

即有K個可能“目標”樣本點超過第一門限，而且，它們分別分布在第i1，i2，…，iK個距離單元上。

3.2 基于位置信息的相關檢測

設高分辨雷達的距離分辨率為ΔR，待檢目標所占的最大距離單元數（即距離窗）為W，則目標所占的最大徑向距離為L＝ΔR＊W，以L為參考距離窗，討論K個可能的“目標”樣本點在L中的個數，來判別該“目標”樣本點是否為待檢目標。為便于理解，將K個可能的“目標”樣本點的集合I對應的位置信息轉換成距離信息矩陣的形式：

式中，r（j，k）＝（ik－ij）·ΔR，k＞j，j＝1，2，…，K－1，式中r（j，k）的幾何解釋如圖3所示。

圖3 r（j，k）的幾何解釋

我們可以建立以K個可能“目標”樣本點位置對應的距離段信息為基準的第二門限。如果目標徑向距離參考窗內的樣本點（強散射點）數IU滿足：

若：IU≥Th2?則判別有目標

式中，Th2為第二檢測門限，代表散射點數，對于一般的目標（如飛機，艦船等）在5～10個左右［11］。不斷將距離信息矩陣中的元素與目標的最大徑向距離L相比較，并設置記數器IUc（c為可能的多個目標批次），計數在長度L內屬于第c個目標的可能散射點數。

3.3 基于位置信息的距離段聯合檢測算法

算法流程如下：

·基于第一門限的檢測

1）按式（1），從距離像幅度序列x1，x2，…，xN中選擇最大值xmax；

2）選擇確信系數η，按照式（2）建立第一門限Th1；

3）按式（3）、（4）檢測超過第一門限的散射點數K，并記錄其對應的位置信息；

·基于第二門限的檢測

4）j＝1，k＝2，c＝1，IUc＝1，根據目標的實際尺寸估計出第二門限Th2，比較開始；

5）若k＜K，轉6）；否則，轉7）；

6）若r（j，k）＜L，則IUc＝IUc＋1，k＝k＋1，轉回6）；否則，轉7）；

7）若r（j，k－1）－r（j＋1，k）＜0，轉8）；否則，轉9）；

8）若r（j，k－1），則轉9）；否則，IUc＝IUc－1，轉9）；

10）若IUc≥Th2，則第c個目標出現；否則，沒有目標出現；

11）結束。

3.4 目標距離信息提取

假設在某次檢測過程中，得到某一目標有N個強散射點，利用文獻［9］給出的求質心方法，該次檢測對應的目標平均散射中心的徑向距離為［13］：

式中：σi為第i個散射中心的回波功率，xi為第i個散射中心對應的徑向距離。當得到R0后，以該散射中心為距離門中心，設置一距離跟蹤波門，就可實現對目標的自動跟蹤。

4 仿真結果與性能分析

仿真條件為：雷達載頻f0＝5GHz，發射脈沖寬度τ＝10μs，帶寬B＝500MHz，距離分辨率ΔR＝0.3m，脈沖重復頻率fr＝1000Hz，距離窗長rrec＝153.6m，假定在雷達掃描范圍內的某一距離窗內存在兩個目標，如下所示：

目標1有6個強散射點，最大徑向長度為7.7m，分別為：50.2 51.8 53.6 54.9 56.2 57.9，散射點對應的RCS為：0.6 0.7 0.5 1.0 0.8 0.6。

目標2有7個強散射點，最大徑向長度為9.1m，分別為：100.2 101.6 102.9 104.1 105.8 107.5 109.3，散射點對應的 RCS為：0.7 0.8 1.0 0.8 0.9 1.0 0.7。

圖4～圖6是仿真結果。

圖4 未壓縮回波信號

圖5 被檢測到的目標1回波距離像分布

圖6 被檢測到的目標2回波距離像分布

圖4中上圖為未壓縮的回波信號，里面夾雜著噪聲和對數正態雜波，無法判別有無目標及出現的位置。下圖為經過脈壓后的回波信號，由于寬帶條件下目標S／C較高，經脈壓后目標的強散射點突出于雜波之上，但仍然存在一些幅度稍弱的強散射點，因此，需進行信號檢測來判別是弱小目標還是雜波。

圖5和圖6所示為兩個擴展目標經該算法檢測后在強散射點中心距離門內的目標回波距離像分布情況。由此分析可得，目標的強散射點突出于噪聲和雜波之上，孤立強雜波散射點由于不符合第二門限的條件而被濾除。由該算法提出的經兩個門限檢測到目標信號后，設置距離門分別“套住”目標信號即得兩個目標對應的距離像分布。

由仿真結果分析知，該檢測算法能夠檢測沿距離“走廊”上不同的擴展目標，因此，具有多目標檢測的能力。然而，某些假目標盡管在徑向上具有一定的長度，但一般比真實目標的長度短，因此，本文所提出的檢測方法可以辨別假目標、檢測出真目標來。

5 結語

本文研究了寬帶雷達目標信號的檢測方法，得出如下結論：

1）對于高分辨雷達下擴展目標的檢測問題，可以利用擴展目標上多散射點前后之間的位置相關信息，以增強檢測能力。

2）可以建立目標多散射點前后間的關聯信息，如借鑒航跡相關技術，是寬帶雷達目標檢測的一個新的研究方向。

為此，本文提出了基于位置信息的寬帶雷達目標距離段聯合檢測算法，該檢測器是一種鄰近單元的相關檢測器，它利用超過第一門限的強散射點數據的相對位置信息來檢測目標信號。通過仿真試驗表明，在第二門限假設合理的情況下，該檢測器不但可以檢測出背景中的目標，而且，還具有剔除假目標（如孤立角反射器或被攻擊而廢棄的人工目標），以及將距離“走廊”上不同的擴展目標完好地檢測出來等優點。此外，本文提出的算法計算復雜度低，工程上易實現，因而，它是高分辨雷達目標檢測的一種好方法。

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