海面目標(biāo)視頻回波預(yù)處理方法研究

閆馮軍，汪永軍，朱德智

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

0 引 言

民用船用雷達(dá)主要安裝在港口船舶交通管理系統(tǒng)及各種類(lèi)型的船舶上，主要用來(lái)對(duì)海上目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)與跟蹤、視頻圖像顯示，執(zhí)行船舶航行導(dǎo)航、航道避碰輔助和航行管理等［1］。船用雷達(dá)視頻回波中包含了目標(biāo)、雜波和噪聲等信息，信號(hào)處理的任務(wù)是從其回波中最大程度地抑制海浪雜波、雨雪雜波、同頻干擾以及噪聲，保留航行中海面上的船舶、島嶼、浮標(biāo)和燈塔等目標(biāo)信息，實(shí)時(shí)提供目標(biāo)數(shù)據(jù)供終端系統(tǒng)顯示導(dǎo)航和避碰管理［2］。

為了更好地進(jìn)行雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)，先對(duì)目標(biāo)視頻回波進(jìn)行信號(hào)預(yù)處理。早期傳統(tǒng)的船用雷達(dá)視頻回波信號(hào)處理都是基于模擬電路實(shí)現(xiàn)，而且通常沒(méi)有信號(hào)預(yù)處理，其電路可靠性和靈活性差。借助數(shù)字信號(hào)處理和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，基于全數(shù)字化設(shè)計(jì)的信號(hào)處理技術(shù)成為了可能，為此，積極開(kāi)展視頻回波的預(yù)處理方法研究，探索預(yù)處理的關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，為后續(xù)的信號(hào)處理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 視頻回波描述

1.1 視頻回波模型

船用雷達(dá)天線接收到的射頻回波信號(hào)首先進(jìn)入接收機(jī)，經(jīng)過(guò)混頻后得到中頻信號(hào)，中頻信號(hào)進(jìn)入對(duì)數(shù)放大器進(jìn)行對(duì)數(shù)放大和包絡(luò)檢波，然后輸出對(duì)數(shù)視頻信號(hào)，模型如公式（1）所示：

式中：s（t）為目標(biāo)；c（t）為雜波；n（t）為噪聲［3］。

由于雷達(dá)為低分辨率，目標(biāo)呈現(xiàn)點(diǎn)目標(biāo)特性，基于固定載頻的窄脈沖發(fā)射信號(hào)，s（t）可表示為：

式中：f0、φ0和U分別為發(fā)射信號(hào)的載頻、相位和幅度；K r為反射系數(shù)；T r為發(fā)射信號(hào)的脈沖重復(fù)周期；τ為發(fā)射脈沖寬度；τr為目標(biāo)的時(shí)延；φr為目標(biāo)反射引起的相移；f d為目標(biāo)的多普勒；其中K r和τr為距離r的函數(shù)。

射頻回波x（t）進(jìn)入接收機(jī)后，經(jīng)過(guò)混頻、對(duì)數(shù)放大和檢波，忽略了載頻、相位和多普勒等信息，輸出對(duì)數(shù)包絡(luò)視頻信號(hào)為：

式中：a、b為對(duì)數(shù)放大器的運(yùn)算因子；abs為求模函數(shù)。

圖1所示為船用雷達(dá)在復(fù)雜海面環(huán)境下典型的視頻回波圖，橫坐標(biāo)為距離，縱坐標(biāo)為幅度。零距離單元附近為雷達(dá)發(fā)射主波泄漏信號(hào)，近區(qū)為強(qiáng)海浪等雜波，群山、島嶼和船舶等目標(biāo)信號(hào)疊加在全程的噪聲中。

圖1 船用雷達(dá)視頻回波

1.2 目標(biāo)起伏模型

由于天線的掃描，造成每個(gè)脈沖重復(fù)周期幅度上的調(diào)制效應(yīng)。特別對(duì)于船用雷達(dá)，由于是運(yùn)動(dòng)載體平臺(tái)，船舶航行過(guò)程中的上下左右搖擺晃動(dòng)會(huì)引起連續(xù)多次脈沖重復(fù)周期的目標(biāo)回波幅度具有一定的起伏閃爍。可以用Swerling模型來(lái)描述幅度起伏，目標(biāo)起伏特性用雷達(dá)散射截面積（RCS）來(lái)表征。

當(dāng)裝載雷達(dá)的船舶駐留在港口或者在海況較好的近海區(qū)航行時(shí)，目標(biāo)呈現(xiàn)慢起伏特性，脈沖與脈沖間相關(guān)，幀與幀間獨(dú)立，目標(biāo)模型一般為SwerlingⅠ型，考慮到船用雷達(dá)為低分辨率雷達(dá)，以及海面目標(biāo)的多散射點(diǎn)特性，其幅度統(tǒng)計(jì)分布服從瑞利分布；當(dāng)船舶航行速度較快，或者位于遠(yuǎn)海區(qū)等海情惡劣的情況下，目標(biāo)還會(huì)部分呈現(xiàn)快起伏特性，即脈沖與脈沖間獨(dú)立，此時(shí)目標(biāo)模型可認(rèn)為是SwerlingⅡ型，概率密度函數(shù)也服從瑞利分布［4］：

式中：x為目標(biāo)的散射截面積為目標(biāo)起伏截面積的平均值。

圖2所示為船舶在近海區(qū)探測(cè)時(shí)的多周期目標(biāo)回波圖。可以看出，目標(biāo)呈現(xiàn)慢起伏特性，連續(xù)多周期信號(hào)是相關(guān)的。對(duì)于惡劣海洋環(huán)境下的快起伏目標(biāo)，基于單次脈沖的信號(hào)檢測(cè)漏警率和虛警率都很高，采用后續(xù)介紹的多周期非相參脈沖積累處理，可提高目標(biāo)的檢測(cè)概率。

2 信號(hào)預(yù)處理技術(shù)

2.1 脈沖噪聲抑制技術(shù)

為了消除由微波電路帶來(lái)的信號(hào)毛刺，即剔除脈沖噪聲對(duì)回波的影響，必須采取相應(yīng)的抑制措施。考慮到目標(biāo)在距離上占據(jù)一定的寬度，采用基于視頻回波過(guò)采樣數(shù)據(jù)脈沖噪聲抑制技術(shù)。

脈沖噪聲抑制技術(shù)功能實(shí)現(xiàn)如圖3所示，微波單元下行的模擬回波數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字序列si（j），其中i表示脈沖重復(fù)周期序號(hào)，j表示過(guò)采樣距離維序號(hào)。為了預(yù)處理以及回波細(xì)節(jié)顯示的需要，這里采用高于信號(hào)自身帶寬的時(shí)鐘進(jìn)行高速數(shù)字過(guò)采樣，即f s≥K·fmax，其中K≥8。對(duì)于不同的量程，根據(jù)其工作模式在相應(yīng)的雷達(dá)休止區(qū)時(shí)域開(kāi)窗，選取噪聲樣本得到多周期噪聲均值N i，關(guān)聯(lián)多周期N i值得到噪聲均值N，其中N是時(shí)間的函數(shù)。依次對(duì)si（j）通過(guò)延遲線，按距離進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)齊，則基于周期i的j單元的數(shù)據(jù)得到新的序列A i（j）＝ ｛si（j），si（j＋1），… ，si（j＋M－1）｝，其中M為數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)，取值與采樣率和目標(biāo)距離分辨率有關(guān)。對(duì)Ai（j）進(jìn)行判決，如果序列中元素過(guò)噪聲門(mén)限且任一元素大于噪聲均值不成立，即 min［Ai（j）］＜ （N＋T h）且Si（j）］＞ （N＋T h），則判決為脈沖噪聲，輸出為噪聲均值N上疊加隨機(jī)值R and，否則判決為目標(biāo)或者普通噪聲，T h為判決的二次門(mén)限。然后再根據(jù)工作模式，對(duì)非近程模式的目標(biāo)進(jìn)行后續(xù)的距離滑窗積累處理，近程模式的目標(biāo)直接輸出原值。

圖2 多周期慢起伏目標(biāo)回波

圖3 脈沖噪聲抑制流程圖

圖5所示為基于圖4所示的回波進(jìn)行上述脈沖噪聲抑制處理后的回波圖，可以看出噪聲區(qū)箭頭附近處的脈沖噪聲被顯著抑制。

圖4 脈沖噪聲抑制前回波圖

圖5 脈沖噪聲抑制后回波圖

2.2 距離滑窗積累技術(shù)

為了更好地顯示回波的邊緣，提高回波顯示的飽滿(mǎn)度，同時(shí)最大程度地提高回波距離分辨率，如圖3所示，基于去脈沖噪聲抑制處理后的數(shù)據(jù)s′i（j），在距離維進(jìn)行滑窗積累處理得：

式中：1≤j≤Rmax－M＋1，Rmax為基于數(shù)字過(guò)采樣后最大距離對(duì)應(yīng)的單元序號(hào)。

對(duì)周期i的距離維j單元數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)相鄰M個(gè)距離維單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行積累后求平均，處理在距離維上滑窗進(jìn)行。

圖6所示為基于圖5所示回波進(jìn)行上述距離滑窗積累處理后的仿真圖，可以看出目標(biāo)回波在距離維的邊緣變得更平滑，反映到顯示畫(huà)面上就是目標(biāo)回波距離更飽滿(mǎn)和連續(xù)，同時(shí)由于在距離維也進(jìn)行了積累，所以噪聲方差變小，檢測(cè)信噪比增加。

2.3 非相參積累技術(shù)

為了進(jìn)一步提高檢測(cè)信噪比，同時(shí)提高目標(biāo)回波在方位上的邊緣連續(xù)和飽滿(mǎn)顯示效果，在雷達(dá)多個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)，即方位維進(jìn)行非相參積累。

圖6 距離滑窗積累仿真圖

一般來(lái)說(shuō)經(jīng)過(guò)N次非相參積累后信噪比提高了倍，同時(shí)由于海雜波的時(shí)間相關(guān)性，即相鄰脈沖重復(fù)周期間的海雜波并不是完全獨(dú)立的，其相關(guān)性與時(shí)間呈反比，所以多周期的處理減弱了其相關(guān)性，故也能部分提高檢測(cè)信雜比。其次，N個(gè)周期回波按距離維單元多周期非相參積累后，在方位維目標(biāo)的邊緣變得更平滑，反映到顯示畫(huà)面上即為目標(biāo)方位更飽滿(mǎn)和連續(xù)。再次，基于相鄰脈沖重復(fù)周期間的參差性，多周期非相參積累對(duì)同頻干擾也能起到好的抑制效果。

非相參積累寬度，即積累的脈沖周期數(shù)的選擇要與波束掃描過(guò)目標(biāo)期間內(nèi)收到的回波總數(shù)k相匹配：

式中：θα為雷達(dá)波瓣水平寬度角；θscan為天線掃描速率；fPRFi為雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率；i為多周期參差脈沖的序號(hào)；min為求小函數(shù)。

考慮到回波方位顯示的連續(xù)性［5］，并沒(méi)有采用k個(gè)周期出一個(gè)積累結(jié)果，而是每個(gè)周期出一個(gè)結(jié)果，采用類(lèi)似先進(jìn)先出的多周期滑窗處理，滑窗寬度內(nèi)始終保持同一距離維單元內(nèi)當(dāng)前k個(gè)周期信號(hào)：

圖7所示為較好海況情況下近海區(qū)域探測(cè)的回波波形，圖7（a）表示進(jìn)行非相參積累處理前的回波圖，方框內(nèi)為漁船小目標(biāo)信號(hào)。通過(guò)公式（7）所描述的方法，并取k＝8，通過(guò)仿真可得進(jìn)行非相參積累處理后的回波圖。如圖7（b）所示，對(duì)比可以看出0.8 nm附近處的小目標(biāo)經(jīng)過(guò)多周期非相參積累后，信噪比顯著提高。同時(shí)，積累也使得噪聲方差進(jìn)一步變小，檢測(cè)性能更加提高。

圖7 多周期回波非相參數(shù)積累仿真圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)船用雷達(dá)的海面目標(biāo)視頻回波的預(yù)處理方法進(jìn)行了研究，提出了脈沖噪聲抑制技術(shù)、距離維滑窗積累技術(shù)和方位維非相參積累技術(shù)等綜合預(yù)處理方法。通過(guò)船用雷達(dá)航行探測(cè)中的實(shí)際視頻回波數(shù)據(jù)，對(duì)上述方法進(jìn)行了仿真和分析，驗(yàn)證了其有效性。本文提出的視頻回波綜合預(yù)處理方法，已成功應(yīng)用于民用領(lǐng)域的船用雷達(dá)中，實(shí)際使用效果很好，具有很大的實(shí)用價(jià)值，滿(mǎn)足了技術(shù)發(fā)展對(duì)船用雷達(dá)的最新要求［6］。

［1］李海鳳.船舶通信與導(dǎo)航［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

［2］張潤(rùn)澤.船舶導(dǎo)航雷達(dá)［M］.北京：人民交通出版社，1990.

［3］Briggs John N.Target Detection by Marine Radar［M］.席澤敏譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［4］伊伏斯·杰里L(fēng)，里迪·愛(ài)德華K.現(xiàn)代雷達(dá)原理［M］.卓榮邦譯.北京：電子工業(yè)出版社，1991.

［5］Fesenko L D，Nechiporenko A N.Small－sized ship navigating radar for the purposes of short－range navigation［J］.Journal of Jiangsu Teachers University of Technology，2011，17（6）：12－19.

［6］彭祥龍.船用導(dǎo)航雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展及最新應(yīng)用 ［J］.電訊技術(shù)，2013，53（9）：1247－1252.