二重頻高頻雷達折疊雜波抑制算法

毛智能， 位寅生

(哈爾濱工業大學電子與信息工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

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二重頻高頻雷達折疊雜波抑制算法

毛智能， 位寅生

(哈爾濱工業大學電子與信息工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：高頻雷達系統中，遠距離擴展雜波經距離折疊后，將淹沒檢測區域中的目標，為保證目標的檢測質量，需對折疊雜波進行抑制。在發射二重波形重復頻率信號下，提出了通過邏輯映射抑制雜波的方法。給出了參數設計準則，并分析了算法對雜波的抑制性能。仿真實驗表明，在合適的信號參數下，該算法能夠有效地抑制遠距離折疊的擴展雜波。

關鍵詞：高頻雷達; 雜波抑制; 距離折疊雜波; 多普勒擴展雜波

0引言

傳統的固定波形重復周期信號，其最大無模糊測距范圍與最大無模糊測速范圍存在固有矛盾，而高頻雷達作用距離可達幾千公里，遠距離的電離層雜波經距離折疊回檢測區域，淹沒檢測區域的目標，造成目標檢測困難。

文獻[1]中使用了一種非周期波形(nonrecurrent waveform，NRWF)，該波形在周期線性調頻的基礎上，對整個相參積累時間內的每個線性調頻脈沖附加了一個二次型相位因子。利用該信號時，遠距離的雜波每經過一次距離折疊都會附加多普勒偏移，通過控制二次型相位因子，可使遠距離雜波出現在非關心的多普勒區間，即通過犧牲一部分多普勒檢測區間，達到其余區間正常檢測的目的。但對于高頻雷達，擴展雜波經常會覆蓋所有多普勒單元，此時該信號將失去應有的作用。文獻[2]在NRWF基礎上用空時自適應處理來抑制折疊雜波，當雜波多普勒擴展較小時能取得良好的效果，而當多普勒域擴展嚴重時，效果并不理想。文獻[3-4]中利用高重頻步進頻率來實現折疊雜波抑制，然而這種信號在高頻雷達中并不適用。而對多重頻的研究多關注在利用多重頻來實現最大無模糊測距/測速的擴展[5-7]，這些方法在每組重頻信號完成目標檢測后，再對檢測所得的目標解模糊來擴展無模糊距離/速度。而在遠距離擴展雜波背景下，目標檢測環節受到限制，限制了該體制的應用。文獻[8-9]在三重頻的基礎上設計濾波器來抑制特定頻率段的雜波，不適用于高頻雷達系統中的多普勒擴展雜波。此外多重頻也在動目標檢測用于擴展盲速[10-12]。文獻[13-14]使用3組重頻，先對距離折疊雜波進行抑制，之后再進行的目標檢測，但其雜波抑制后仍有殘留。

針對高頻天波雷達在遠距離折疊多普勒擴展雜波的特殊性，本文在發射二重頻信號前提下提出了一種基于邏輯映射的雜波抑制算法。第1節給出了二重頻信號的表達式以及對應的雜波抑制處理方法。第2節給出了對所發射信號的參數設計方案，并對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)進行了理論分析。第3節通過實驗仿真驗證了所提方法的可行性、合理性。

1信號形式及雜波抑制原理

1.1信號形式

本文采用二重頻線性調頻連續波信號，信號形式如圖1所示。

圖1　二重頻線性調頻信號波形示意圖

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

(1)

即各重頻持續時間相同。從式(1)及圖1中可以看出，二重頻線性調頻連續波信號將整個相參積累時間均分為2段，每段對應一個線性調頻連續波。其信號表達式為

(2)

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

(3)

式中，ki為重頻i的調頻斜率且滿足kiTwpi= B，即2組重頻信號的調制帶寬相同。

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

1.2信號處理方案

式(2)描述了二重頻線性調頻連續波信號形式，可分為2組不同重頻的線性調頻連續波。因此，對于回波信號的處理可分為3步，如圖2所示。第1步，對各組重頻信號分別進行距離多普勒處理[15]；第2步，距離補償；第3步，距離折疊雜波進行雜波抑制處理。本文僅考慮后兩步。

圖2　處理流程圖

1.2.1距離補償

距離補償分2部分，第1部分是由于線性調頻信號距離與多普勒耦合，多普勒頻移對距離的估計引入一偏差，該偏差為

(4)

第2部分偏差是在重頻1的持續時間內目標運動的距離，該距離分量為

(5)

式中，vm為當前多普勒門對應的速度。

以第2組重頻信號處理時刻目標所在的位置為參考標準，則需對第1組重頻信號距離多普勒處理結果補償第2部分距離偏移。則目標距離補償公式為

(6)

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

1.2.2邏輯映射

記補償后第i組重頻的距離多普勒譜為RDi

(7)

則一個距離門代表的距離為δR=c/2fs，一個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、多普勒門數，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，則該目標也必定會在另一組重頻距離多普勒譜的相應位置復現。而遠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，可以通過式(10)映射關系來完成對距離折疊雜波的抑制。

(10)

2信號參數設計要求

為達到理想的雜波抑制效果，需使得2組重頻信號在距離多普勒處理后，經距離折疊后的雜波區域不發生重疊。

不妨設第1組重頻的波形重復周期Twp1大于第2組的波形重復頻率Twp2，則遠距離折疊雜波在2組重頻對應的距離處理結果中位置偏移的距離分辨單元數為

(11)

式中，k為距離折疊次數。

擴展雜波一般將連續覆蓋某一區域，不妨設擴展雜波覆蓋了Nc個距離分辨單元，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)

此外還需保證觀測區域中目標無距離模糊，設Twp2=mΔT，其中m為正整數，則需有

(15)

由式(14)可以獲得2組重頻重復周期時差ΔT，確定ΔT后即可由式(15)計算最小正整數m，進一步可以得到2組重頻的重復周期。

例如：若帶寬B = 20kHz，Nc=40，檢測區域目標最大距離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對應的單元均為純粹的噪聲，則該數據單元可表示為

(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)

若目標出現在距離門nr與多普勒門nd，則該數據單元可表示為

(18)

式中，s表示信號。

映射后該距離門nr與多普勒門nd的目標輸出為

(19)

可知輸出SNR為

(20)

由式(20)可知，SNRout不小于最小的輸入SNR。而對于同一目標而言，其SNR在短時內不會有太大的改變，因此SNRout可認為無損失。SNRout與輸入SNR統計曲線如圖3所示(統計次數MC=1 000)。

圖3　無雜波環境下SNRout隨輸入SNR統計曲線

3.2輸出SCNR分析

不妨設第1組重頻距離多普勒譜中的距離門nr與多普勒門nd數據單元為遠距離折疊雜波，則該數據單元可表示為

(21)

式中，c表示雜波。

由于遠距離折疊雜波在2組重頻中出現的位置存在偏移，因此在另一重頻中對應位置處為噪聲。因此經映射后該距離門nr與多普勒門nd的數據單元輸出為

(22)

不妨設第1組重頻距離多普勒譜中的距離門nr與多普勒門nd數據單元中存在目標，且被雜波掩蓋，該數據單元可表示為

(23)

同理可知，在另一重頻中對應位置處只存在信號與噪聲，因此映射后輸出為

(24)

輸出SCNR為

(25)

同理，當雜波淹沒第2組重頻距離多普勒譜中的目標時，SCNRout等于第1組重頻距離多普勒譜中相應目標的SNR?？梢姡敐M足適當的信號參數時，理論上可以實現對折疊雜波的有效抑制。雜波環境下SCNRout隨輸入SCNR的統計曲線如圖4所示(統計次數MC = 1 000)。

圖4　雜波環境下SCNRout隨輸入SCNR統計曲線

4仿真結果

本實驗仿真條件設置如下：信號載頻 f0= 10MHz，調頻帶寬B=20kHz，遠距離(Rc=2 850km)折疊雜波采用高斯型擴展雜波[16]，在距離與多普勒維均存在擴展，距離擴展方差σr=60km，多普勒擴展方差σf=10Hz，雜波仿真可參考文獻[16]，兩目標徑向距離分別為330km、700km，徑向速度均為v=3m/s，檢測區域目標最大距離Rmax=2 000km。通過式(14)和式(15)，可選擇一組合適的重頻參數Twp1= 16.8ms，Twp2=14.4ms。每組重頻相參積累時間T=40s。

圖5(a)和圖5(b)分別對應2組重頻各自的距離多普勒譜?？煽闯觯诘?組重頻中，目標1已經被遠距離折疊距離多普勒擴展雜波完全淹沒。而在第2組重頻中，由于信號重復頻率的不同，使得遠距離折疊雜波經距離折疊后與第1組重頻對應的位置互不重疊。圖5(c)為經過邏輯映射后的距離多普勒譜，可見在選擇合適的參數下，經過邏輯映射后，2組重頻距離多普勒譜中的遠距離折疊多普勒擴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雜波殘余。即使在某一重頻分組下目標被雜波完全淹沒，經處理之后可以很輕松地將目標檢測出來。需要留意的是，這種處理方法完全是盲處理，即在處理之前無需進行目標檢測。

圖6　目標所在多普勒門截面圖

5結論

本文提出了一種二重頻信號的折疊雜波抑制方法。通過對SNRout和SCNRout的推導，指出該方法對輸入SNR幾乎無損，而且在合適的參數設計條件下能夠對距離折疊雜波有效抑制。當然該方法應用具有一定的局限性，要對距離折疊雜波有效抑制，對二重頻信號的信號重頻頻率有一定的設計要求。仿真實驗也驗證了該方法能夠有效抑制遠距離折疊距離多普勒擴展雜波，但其多普勒分辨能力為具有相同積累時長的單一重頻信號的一半。此外，在相同處理時間內，如果進一步增加重頻數會降低多普勒分辨能力，但可以擴展無模糊多普勒檢測區間。

參考文獻：

[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.高重頻頻率步進雷達強雜波抑制[J].國防科技大學學報,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.高重頻頻率步進雷達抑制折疊雜波方法[J].信號處理,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雷達多重頻模糊分辨算法[J].電子科技大學學報,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].現代電子技術,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，主要研究方向為新體制雷達理論與技術。

E-mail：nengzhimao@163.com

位寅生(1974-)，男，教授，博士，主要研究方向為雷達信號處理、陣列信號處理、雷達系統分析與設計。

E-mail：weiys@hit.edu.cn

網絡優先出版地址：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

作者簡介：

中圖分類號：TN 957.51

文獻標志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.05.12

收稿日期：2014-05-29；修回日期：2014-10-28；網絡優先出版日期：2014-11-13。