一種抑制雷達(dá)雜波的設(shè)計(jì)方法

趙　臘,張　恒,　陳正祿

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京210003;

2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二四研究所,南京 211153)

?

一種抑制雷達(dá)雜波的設(shè)計(jì)方法

趙臘1,張恒2,陳正祿2

(1.海軍駐南京地區(qū)雷達(dá)系統(tǒng)軍事代表室,南京210003;

2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)第七二四研究所,南京 211153)

摘要：由于大氣波導(dǎo)的抬升作用,電磁波會(huì)出現(xiàn)異常傳播現(xiàn)象,導(dǎo)致雷達(dá)雜波明顯增強(qiáng)。為了解決這一問(wèn)題,本文提出雷達(dá)發(fā)射信號(hào)形式采用優(yōu)選隨機(jī)碼,并結(jié)合碼型捷變、硬限幅處理和優(yōu)化動(dòng)目標(biāo)處理等信號(hào)處理方法有效抑制雷達(dá)雜波,提高雷達(dá)檢測(cè)性能,并實(shí)際驗(yàn)證了此方法的有效性。

關(guān)鍵詞:雷達(dá)雜波,優(yōu)選隨機(jī)碼,硬限幅處理,碼型捷變

0引言

在特定海域氣象條件下,電磁波會(huì)出現(xiàn)異常傳播現(xiàn)象,引起較大面積強(qiáng)雜波干擾,嚴(yán)重影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和跟蹤性能。例如,每年春、秋兩季,某些海域由于溫差的影響,海面水汽蒸騰,極易在某些波段形成跨周期多路徑折射、散射現(xiàn)象,常態(tài)下不易被探測(cè)的視距外海面目標(biāo)和地物(海岸線、城市等)都會(huì)出現(xiàn)在雷達(dá)畫(huà)面上。嚴(yán)重情況下,不僅有強(qiáng)地物、海雜波等雜波,還有較強(qiáng)的天線副瓣雜波、脈壓距離副瓣雜波進(jìn)入雷達(dá)終端顯示畫(huà)面。當(dāng)雷達(dá)脈沖重復(fù)周期較短時(shí),雷達(dá)二次、三次回波也將嚴(yán)重影響雷達(dá)的探測(cè)性能。采取已有的抗雜波措施(恒虛警、雜波圖、動(dòng)目標(biāo)處理、參差、反異步等)雖然可以有效抑制雜波,但終端畫(huà)面顯示的雜波剩余依然較多,有效信號(hào)衰減大,嚴(yán)重影響雜波區(qū)內(nèi)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)性能。上述雷達(dá)雜波干擾強(qiáng)度大、覆蓋距離遠(yuǎn),是多型雷達(dá)試驗(yàn)中遇到的一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。近年來(lái),隨著脈沖壓縮體制雷達(dá)趨向固態(tài)化、TR化,大時(shí)寬信號(hào)得到廣泛應(yīng)用,使得對(duì)這種雜波的抑制變得更加困難。本文采用優(yōu)選隨機(jī)碼作為雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)。這種相位編碼信號(hào)不同碼元組間的相關(guān)度低,因此雷達(dá)工作在脈間碼型捷變方式時(shí)二次或多次回波對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能影響小。利用硬限幅處理和優(yōu)化的動(dòng)目標(biāo)處理等信號(hào)處理方法,可以消除雜波對(duì)雷達(dá)終端顯示的影響,達(dá)到較好的抗雜波效果。

1優(yōu)選隨機(jī)碼

選取碼元的原則是:在滿足雷達(dá)信號(hào)模糊函數(shù)特性前提下,碼元的隨機(jī)特性強(qiáng);碼元自相關(guān)性強(qiáng),即脈沖壓縮主副比高,有利于提高雷達(dá)的探測(cè)性能;多組碼元間的相關(guān)性小,從而降低同型雷達(dá)間的同頻干擾和多次回波對(duì)雷達(dá)自身的影響。

通過(guò)分析巴克碼、組合巴克碼、L序列碼、M序列碼和偽隨機(jī)碼等傳統(tǒng)碼型后,發(fā)現(xiàn)很難有一種碼型同時(shí)滿足隨機(jī)性、自相關(guān)性和互相關(guān)性這3個(gè)條件,因此提出一種優(yōu)選隨機(jī)碼。這種隨機(jī)碼是基于隨機(jī)噪聲,并依據(jù)上述3個(gè)特性篩選出來(lái)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下:

(1) 根據(jù)隨機(jī)信號(hào)的產(chǎn)生算法,生成一列長(zhǎng)度為P的隨機(jī)噪聲信號(hào),并對(duì)該連續(xù)噪聲信號(hào)二元離散化;

(2) 驗(yàn)證此組二元碼是否滿足下面3項(xiàng)條件:

?平衡性

在此長(zhǎng)度為P的序列里,“1”碼元數(shù)與“0”碼元數(shù)基本平衡,個(gè)數(shù)相差不能大于1;

?自相關(guān)性

?互相關(guān)性

經(jīng)過(guò)步驟(1)、(2)篩選出來(lái)的碼元組稱為優(yōu)選隨機(jī)碼,作為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的碼元序列。

2硬限幅處理

在早期雷達(dá)應(yīng)用中,為了實(shí)現(xiàn)恒虛警率(CFAR)接收機(jī),雷達(dá)采用相位編碼信號(hào),并在相位編碼處理器中使用硬限幅處理。因?yàn)橛蚕薹幚砼c干擾密度函數(shù)無(wú)關(guān),所以在脈沖壓縮處理前對(duì)相位編碼信號(hào)進(jìn)行硬限幅處理能夠得到有效的CFAR接收機(jī)。上述方法是一個(gè)設(shè)計(jì)恒虛警率接收機(jī)的有效方法。相位編碼信號(hào)硬限幅處理的實(shí)質(zhì)是相位鑒別類恒虛警處理。這類方法利用信號(hào)的相位信息控制雷達(dá)虛警率,在抑制噪聲干擾情形下具有明顯效果。

硬限幅處理最早主要應(yīng)用于相位編碼信號(hào),受限于硬件處理能力,一般采用通過(guò)劃分4個(gè)或8個(gè)象限對(duì)I、Q信號(hào)進(jìn)行再編碼的方式,實(shí)現(xiàn)硬限幅處理。由于分層精度低,系統(tǒng)的MTI改善因子不理想,雜波及低速目標(biāo)剩余大?，F(xiàn)代大規(guī)模集成電路高速發(fā)展,尤其是基于FPGA的實(shí)時(shí)信號(hào)處理技術(shù)在雷達(dá)信號(hào)處理中得到廣泛應(yīng)用,雷達(dá)信號(hào)的高精度相位提取可以由FPGA完成。新的硬限幅處理實(shí)現(xiàn)方法為:在雷達(dá)信號(hào)正交處理后得到線性I、Q信號(hào),求出線性I、Q對(duì)應(yīng)的相位α,然后根據(jù)α反演求出對(duì)應(yīng)的硬限幅I和硬限幅Q兩路信號(hào)(如圖1所示)。

圖1　硬限幅模塊的實(shí)現(xiàn)方法

信號(hào)經(jīng)過(guò)硬限幅處理,脈沖壓縮后噪聲幅度固定,與雷達(dá)接收干擾、噪聲、雜波的強(qiáng)度無(wú)關(guān),達(dá)到理想的恒虛警效果。硬限幅處理的相位精度是保證恒虛警率(CFAR)接收機(jī)和雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)處理效果的關(guān)鍵因素。由于采用了高精度相位提取的實(shí)現(xiàn)方法,后續(xù)MTI處理性能不會(huì)受到影響。

3與硬限幅匹配的優(yōu)化動(dòng)目標(biāo)處理方法

在電磁波異常傳播情況下,回波信號(hào)信噪比高,易提取相位信息,利于采用硬限幅處理進(jìn)行雜波抑制。硬限幅處理忽略信號(hào)、雜波和噪聲的幅度信息,需要對(duì)硬限幅處理后使用的MTI濾波器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

硬限幅處理后信號(hào)(含雜波)和噪聲幅度相同,相當(dāng)于信噪比為0dB。脈沖壓縮處理后信噪比由脈壓得益決定,具有一定時(shí)寬帶寬積信號(hào)的脈壓主副比較大,硬限幅處理后目標(biāo)的脈壓副瓣一般低于噪聲電平。與硬限幅相匹配的MTI濾波器設(shè)計(jì)原則是將一定速度內(nèi)的雜波主瓣抑制到噪聲電平以下即可。MTI改善因子大致和脈壓得益相當(dāng),不需要很深的凹口,否則一些多普勒頻率落在過(guò)渡帶上的運(yùn)動(dòng)目標(biāo),經(jīng)過(guò)動(dòng)目標(biāo)處理后,目標(biāo)脈壓主瓣電平將無(wú)法超過(guò)噪聲電平,造成有效信號(hào)損失。同時(shí)在電磁波異常傳播條件下,由于復(fù)雜氣象條件、多徑傳輸?shù)仍?雜波的頻譜寬度變寬,MTI濾波器還應(yīng)選擇凹口較寬的濾波器。

圖2中多階高通濾波器主要應(yīng)用于非硬限幅信號(hào)處理時(shí)的MTI濾波器,抑制比達(dá)到70dB以上。窗1和窗2濾波器應(yīng)用于硬限幅信號(hào)處理時(shí)的MTI濾波器,抑制比為30~40dB,保證各種固定或低速雜波抑制到茅草電平以下。如果在硬限幅信號(hào)處理情況下使用多階高通濾波器,這種寬凹口、高抑制比的濾波器會(huì)抑制很多有效信號(hào),對(duì)過(guò)渡帶上的有效信號(hào)造成較大損失。

圖2　MTI濾波器

4抗雜波效果

電磁波異常傳播條件下,在較大距離范圍乃至全量程內(nèi),雷達(dá)回波在中頻端有較高的信噪比。高信噪比回波在匹配濾波后雜波的主瓣幅度大,甚至達(dá)到飽和狀態(tài),此時(shí)脈壓副瓣被抬高,從而提高了雷達(dá)的虛警概率。雷達(dá)終端畫(huà)面上不僅有很強(qiáng)的地物、海雜波等雜波,還有較強(qiáng)的天線副瓣雜波、脈壓距離副瓣雜波等。當(dāng)雷達(dá)脈沖重復(fù)周期較短時(shí),雷達(dá)二次、三次回波等多次回波也將進(jìn)入雷達(dá)終端顯示畫(huà)面。當(dāng)海域包含上述所有種類雜波時(shí),雷達(dá)終端顯示如圖3所示(量程140km)。采用硬限幅處理后,回波信號(hào)的脈壓副瓣一般會(huì)低于噪聲電平,形成良好的恒虛警效果,將降低雜波虛警概率。雷達(dá)工作在脈間碼型捷變方式下,相鄰雷達(dá)工作周期下發(fā)射信號(hào)采用不同的優(yōu)選隨機(jī)碼組,利用發(fā)射信號(hào)間的低相關(guān)性,降低二次及多次回波對(duì)雷達(dá)本身的影響。處理后的雷達(dá)視頻效果如圖4所示。為達(dá)到理想的動(dòng)目標(biāo)處理效果,在采用優(yōu)選隨機(jī)碼、碼型捷變、硬限幅等處理方法的前提下,MTI濾波器必須與硬限幅相匹配,保證有效信號(hào)損失較少的情況下有效抑制各種固定或低速雜波。處理后的效果如圖5所示。

圖3　含異常雜波雷達(dá)視頻

圖4　碼型捷變和硬限幅后雷達(dá)視頻

圖5　優(yōu)化動(dòng)目標(biāo)處理后雷達(dá)視頻

5結(jié)束語(yǔ)

本文介紹優(yōu)選隨機(jī)碼的產(chǎn)生條件,說(shuō)明了硬限幅

處理算法,對(duì)比分析了普通動(dòng)目標(biāo)處理濾波器和優(yōu)化動(dòng)目標(biāo)處理濾波器。經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證表明,發(fā)射信號(hào)采用優(yōu)選隨機(jī)碼,雷達(dá)工作在脈間碼型捷變方式下,硬限幅處理后雷達(dá)終端顯示畫(huà)面上各種雜波得到有效抑制,取得很好的抗雜波效果。

參考文獻(xiàn):

[1]丁鷺飛,張平.雷達(dá)系統(tǒng)[M].西安:西北電訊工程學(xué)院出版社,1984：58-59.

[2]何曉峰,張恒.相位編碼體制雷達(dá)碼型選擇綜合分析[J].雷達(dá)與對(duì)抗,2009(4).

[3]肖國(guó)鎮(zhèn),梁傳甲.王育民.偽隨機(jī)序列及其應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985：18-19.

[4]姬長(zhǎng)華,張秀麗.二相編碼雷達(dá)信號(hào)及常見(jiàn)問(wèn)題處理[J].現(xiàn)代電了技術(shù),2008,268(5):8-10.

[5]顧紅,劉國(guó)歲.隨機(jī)二相碼連續(xù)波雷達(dá)體制綜述[J].現(xiàn)代雷達(dá),1992(4):14-17.

[6]王曉紅.偽隨機(jī)二相碼碼元選取及信號(hào)處理算法研究[J].雷達(dá)與對(duì)抗,2006(4):15-18.

[7]李海波,張雷.關(guān)于組合巴克序列的相關(guān)性能研究[J].指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),1999,10(2):16-20.

A radar clutter suppression method

ZHAO La1, ZHANG Heng2, CHEN Zheng-lu2

(1.Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003;2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:Due to the elevated atmospheric duct, the electromagnetic waves transmit abnormally, which can strengthen radar clutters obviously. In view of this, the transmitting signals adopt the optimal random codes, combined with such signal processing methods as the code agility, hard limiter processing, and optimized MTI processing, to effectively suppress radar clutters and improve radar detection performance, verifying the effectiveness of the method.

Keywords:radar clutter; optimal random code; hard limiter processing; code agility.

中圖分類號(hào):TN973.21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1009-0401(2016)01-0024-03

作者簡(jiǎn)介:趙臘(1986-),男,工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)總體;張恒(1982-),男,高級(jí)工程師,碩士,研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理;陳正祿(1970-),男,研究員,碩士,研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理。

收稿日期:2015-11-12;修回日期:2015-12-30