一種噪聲雷達地雜波消除算法

靳曉艷，李　偉

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.空軍駐石家莊地區軍代室，河北 石家莊 050081)

?

一種噪聲雷達地雜波消除算法

靳曉艷1，李偉2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.空軍駐石家莊地區軍代室，河北 石家莊 050081)

噪聲雷達因其優異的抗干擾性能和低截獲概率，在軍事和民用領域均具有著巨大的應用潛力。針對噪聲雷達地雜波消除困難的問題，提出了一種基于雜波基向量正交化的算法，該算法通過將接收信號輸入格形濾波器，并自適應地調整濾波器的參數，以適應地面雜波未知的或隨時間變換的統計特性，從而實現最優濾波。仿真結果表明，所提算法不僅對地雜波具有很好的消除效果，與此同時也能夠有效抑制直達波。

噪聲雷達；地雜波；格形濾波器；正交化

0　引言

噪聲雷達指的是一類使用隨機或偽隨機波形信號來探測目標的雷達。在文獻[1-3]中，這種雷達也被稱為隨機信號雷達(RSR)。噪聲雷達的應用非常廣泛，可以被用來進行目標監測、跟蹤、引導、碰撞告警和地下勘測等。與傳統的脈沖雷達、脈沖多普勒雷達以及調頻連續波雷達相比，噪聲雷達具有一些優點：噪聲波形信號不會出現距離多普勒模糊，具有較低的峰值功率，與同頻段的其他設備具有較好的電磁兼容性。歸功于低峰值功率，噪聲雷達也具有較好的電子反對抗能力，這種雷達被監聽的概率很低，即使探測信號被檢測到，也依然很難被判斷為威脅信號。

然而噪聲雷達的信號處理較傳統雷達更為復雜，尤其對于雜波信號的消除，更是噪聲雷達面臨的挑戰。來自雷達附近的強地雜波會增加信號處理中的噪底，甚至使得雷達接收機達到飽和。在典型的脈沖雷達中，有2種方法被用于消除地雜波：① 靈敏度時間控制(Sensitivity Time Control，STC)[4]，是通過使雷達接收機的靈敏度隨時間(對應距離)變化，從而使被放大的雷達回波強度與距離無關；② 減弱地雜波影響方法是文獻[5-7]介紹的經典動目標檢測和動目標顯示(MTD/MTI)技術，即接收信號通過帶通或高通濾波器來消除零多普勒頻率回波。文獻[8]中說明了上述2種方法并不適用于噪聲雷達，這是因為STC方法不能有效地消除地雜波的旁瓣，而簡單的MTD處理也無法消除遮蔽效應。因此，對于噪聲雷達來說，為了消除地雜波信號及其旁瓣，需要使用更復雜的自適應消除過程[9]。

本文提出一種基于雜波基向量正交化的地雜波消除算法，通過將接收信號輸入格形濾波器，借助濾波器參數的自適應調整，實現地雜波的有效消除。文中首先分析了地雜波的信號模型，然后在線性空間內對雜波消除過程進行了分析，提出了基于格形濾波的雜波基正交化的方法，最后對所提算法的地雜波消除效果進行了仿真驗證。

1　問題模型

含有地雜波的接收信號(沒有運動目標)可以表示為：

(1)

式中，ξt(t)為接收機熱噪聲；A(r)表示地雜波復振幅的距離分布；Rcm表示地雜波的最大距離(受地球的幾何結構和發射信號功率的限制)。假設接收信號頻譜是帶限的，可以進行時間采樣，采樣周期為Ts<1/B，B為發射信號帶寬。采樣產生的離散時間信號可以表示為：

(2)

當地雜波反射率基本恒定不變的情況下，采樣定理同樣適用于空間域。假設式(2)表示的地雜波分布在等距離的點上[10]：

(3)

在這種假設下，地雜波信號的模型可以改寫為如下形式：

(4)

(5)

2　地雜波消除算法

采用線性空間的概念來考慮雜波消除過程。在多維信號空間中，接收信號可以看作是一個獨立的點。該線性空間的維數是N(處理后的數據塊中接收或參考信號的樣本數)，通常該維數在105～107之間。消除雜波的過程是基于將信號空間分解為2個子空間，即雜波和目標子空間。在這種情況下，消除雜波最直接的方法是將接收信號投影到目標子空間上。但是，這種方法很難實現，因為目標子空間的維數很大。替代的方法是計算接收信號和雜波信號的減法從而得到無雜波的測量信號，只包含接收機熱噪聲和目標回波。雜波子空間的維度通常在102～104之間，一般遠小于目標子空間的維數。因此，計算接收信號在雜波子空間上的投影就要簡單的多，如圖1所示。這種投影可以等效為雜波信號的估計，但計算量卻能夠明顯減小。

圖1　接收信號在雜波子空間上的投影

上述過程可以用式(6)來描述：

(6)

在觀測時間無限長時，具有不同時移的噪聲信號之間彼此互相正交。在這種情況下，可以簡單地使用信號在每個雜波基向量上的正交投影，如圖2所示。

然而在實際情況中，觀測時間往往是有限的，致使構成雜波子空間的向量并非正交基。所以需要使用更復雜的雜波抑制算法來達到目的。其中一種方法是解式(5)所述的線性方程組；另一種方法是通過對雜波基向量進行線性變換來形成正交基向量。一種將雜波基向量正交化的方法是使用Gram-Schmidt正交化[11]，然而這種方法效率相當低，因為它需要I(I-1)/2次向量投影和減法，只有在I很小時該方法才適用。

圖2　信號在雜波的正交基向量上的投影

這里提出一種基于格形濾波器的雜波基向量正交化方法，如圖3所示。這種方法較前面的方法需要的計算量小得多。格型濾波器結構由于其對有限字長效應具有很強的魯棒性而被應用于很多實時性要求較高的場合，如汽車、機器人、雷達和交流電機等，相關內容可參考文獻[12-15]。

圖3　基于格形濾波器的雜波子空間正交化

圖3所示的格形濾波器包括I-1個相同的雙乘法器格形單元，依據前面的狀態(Xb(i-1)和Xb(t-1))，來產生后向(Xb(i))和前向(Xf(i))預測誤差向量。在第一階段的2個輸入中，使用了發射(參考)信號向量XT。

格形濾波器從連續狀態中得到的后向預測誤差是互相正交的，因此橋型結構可以用于雜波基向量的正交化。每個狀態的偏相關系數可以用下述公式計算：

(7)

前向預測誤差信號Xf(i)可以用式(8)[10]來計算：

(8)

后向預測誤差信號Xb(i)可以用式(9)來計算：

(9)

后向預測誤差信號構成了雜波正交基向量：

XC(i)(n)=Xb(i)(n),i=0…I-1。

(10)

這些正交基向量進一步被用于消除接收信號中的雜波。可以用式(10)描述：

(11)

(12)

3　仿真分析

地雜波消除的仿真結果如圖4、圖5和圖6所示。接收信號包含直達波(高出接收機噪聲30dB)、幾個地雜波信號(高出接收機噪聲0～20dB)、一個15km處強烈的運動目標回波(S/N=-16dB)和一個27km處微弱的運動目標回波(S/N=-16dB)。

圖4　接收信號的距離-多普勒相關結果

接收信號的距離-多普勒相關處理結果如圖4所示。只有直達波和強地雜波是可見的，強雜波掩蓋了運動目標的回波，致使目標不可見。傳統的MTD/MTI處理結果如圖5所示，過濾了零頻分量。同地雜波一樣，直達波也被過濾掉了，但是經過處理后的噪底保持不變。使用經典的MTD/MTI方法可以抑制地雜波，但不能抑制地雜波的旁瓣，因此微弱目標依然被地雜波的旁瓣所掩蓋。采用本文提出的地雜波消除處理方法對接收信號進行處理的結果如圖6所示。由圖6可知，該方法可以有效消除直達波、地雜波及其旁瓣。該情況下，處理中的噪底有所降低，這時2個運動目標回波都能清楚的看到，由此驗證了本文所提算法的有效性。

圖5　MTD/MTI處理后的距離-多普勒相關結果

圖6　本文算法處理后的距離-多普勒相關結果

4　結束語

本文通過對線性空間內接收信號所對應的目標子空間和雜波子空間的維數進行分析，得出了計算接收信號在雜波子空間上的投影更加簡便的結論，并針對實際情況中雜波基向量并非正交的問題，提出了基于格形濾波的雜波基向量正交化方法。在對接收信號進行濾波時，通過自適應改變濾波器系數，對地雜波能夠起到很好的抑制作用。此外，本文所提算法也能有效消除直達波。

[1]KULPA K S，CZEKALA Z，SMOLARCZYK M.Long-time-integration Noise Surveillance Radar[C]∥First International Workshop on the Noise Radar Technology(NRTW-2002)，2002:238-243.

[2]MALANOWSKIM，KULPA K.Detection of Moving Targets with Continuous-Wave Noise Radar:Theory and Measurements[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2012，50(9):3 502-3 509.

[3]MALANOWSKIM，ROSZKOWSKI P.Bistatic Noise Radar Using Locally Generated Reference Signal[C]∥2011 Proceedings In TernaTional Radar Symposium(IRS)，2011:544-549.

[4]KRYLOV GM.An Amplifier with Discretely Controllable Gain[J].Telecommunications and Radio Engineering，1993，48(6):133-134.

[5]洪麗娜,汪連棟,王立平.MTD雷達抗干擾性能分析[J].火力與指揮控制,2004,29(21):71-73.

[6]秦軼煒,孫元敏,楊文華,等.低空監視雷達復雜環境下的最優CFAR設計[J].無線電通信技術,2015,4(2):59-63.

[7]杜曉恒,秦順友,任冀南,等.低副瓣氣象雷達天線增益測量及誤差分析[J].無線電通信技術，2014,40(5):51-53.

[8]KULPA K S，CZEKAA Z.Ground Clutter Suppression in Noise Radar[C]∥Proc.Int.Conf.RADAR 2004，Tou-louse，France，2004:236-245.

[9]MALANOWSKIM.Comparison of AdaptiveMethods for Clutter Removal in PCL Radar[C]∥Proc.of International Radar Symposium 2006，Krakow，Poland，2006:237-240.

[10]HAYESM H.Statistical Digital Signal Processing and Modeling[M].New York:John Wiley & Sons，1996.

[11]LI G，LIM Y C，HUAN G C G.Very Robust Low Complexity Lattice Filters[J].IEEE Transactions on Signal Proce-ssing，2010，58(12):6 093-6 104.

[12]許江湖,張明敏.基于Gram-Schmidt正交化算法的水下目標回波檢測[J].海軍工程大學學報,2006,18(1):89-93.

[13]MALANOWSKIM.Comparison of AdaptiveMethods for Clutter Removal in PCL Radar[C]∥Proc.of International Radar Symposium 2006，Krakow，Poland，2006:237-240.

[14]HUANG C G，LI G，XU Z X，et al.Design of Optimal Digital Lattice Filter Structures Based on Genetic Algorithm[J].Signal Processing(Elsevier)，2012,92(4):989-998.

[15]張世平,趙永平,張紹卿,等.一種改進的自適應格型陷波算法及其收斂性分析[J].電子學報,2004,32(2):338-341.

靳曉艷女，(1984—)，博士，工程師。主要研究方向：電子對抗。

李偉男，(1983—)，工程師。主要研究方向：信號與信息處理。

A Ground Clutter Cancellation Algorithm for Noise Radar

JIN Xiao-yan1，LI Wei2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China;2.MilitaryRepresentativeOfficeofPLAAirForceStationedinShijiazhuangRegion，ShijiazhuangHebei050081，China)

Due to its excellent anti-interference performance and low intercept rate，noise radar has great apply potential in both military and civilian fields.In solve the problem of ground clutter wave cancellation in noise radar，an algorithm based on clutter base orthogonalization is proposed.In this algorithm，receive signal is put into a lattice filter，in order to fit the unknown or time-varying statistics characteristic of the ground clutter.And the parameters of filter are adjusted adaptively.Simulation results indicate that the proposed algorithm not only provides good cancellation effect to the ground clutter，but also can effectively suppress the direct signal.

noise radar；ground clutter；lattice filter；orthogonalization

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.09

2016-04-20

國家科技支撐項目(2014BAK02B04)。

TN911.7

A

1003-3106(2016)08-0034-04

引用格式：靳曉艷，李偉.一種噪聲雷達地雜波消除算法[J].無線電工程,2016,46(8):34-37.