李紅磊 陳進濤 劉超杰 孫夢茜

(江蘇海事職業技術學院，江蘇南京 211170)

高效抑制雜波凸顯物標回波的雷達導航技術的設計

李紅磊 陳進濤 劉超杰 孫夢茜

(江蘇海事職業技術學院，江蘇南京 211170)

在當今航海實踐中，因駕駛人員未能及時在雜波背景下發現物標以及雷達在辨認物標方面的技術缺陷而導致的碰撞事故時有發生。以航海雷達模擬器為實踐創新平臺，改進現行的雜波背景下辨認物標的操作技能與技術手段，設計出既能高效抑制雜波又能保全與突出物標回波的雷達導航技能技術改進方案。仿真試驗結果表明：本方案的實施能使駕駛人員在霧航和夜航時，不管海浪、雨雪等雜波有多大，都能利用雷達“看清”過往船舶,避免發生船舶碰撞。

雜波抑制；物標識別；雷達導航；技術改進；技能提升

1 問題的提出

在當今航海實踐中，駕駛人員大多采用“抑制雜波與保護物標回波”兩相兼顧的經驗性做法，即“為保全弱小物標回波而保留少許雜波”，這就出現了“雜波處理不干凈、物標回波不清晰”的問題。另一方面，基于“雜波背景下辨認危險物標”的航海雷達技術改進中，設計人員大多采用優化原有電路的措施，而對革新式的電路設計尚未作深入的研究。

本研究將促成雷達操作技能再上一個新臺階，即設計出“既能深度抑制雜波又能確保弱小物標回波”這一雙管齊下的操作技能改進方案。同時在技術層面，在依托模擬器進行可行性論證的基礎上對雷達的結構設計提出技術改進設想。

2 高效抑制雜波的雷達導航操作技能改進方案設計

2.1 高效抑制雷達假回波

由于雷達技術上的某些缺陷和電磁波傳播的物理特性，在雷達探測中，有時同一個物標卻在熒光屏上多處顯示回波，或顯示的回波并不代表物標的真實位置。

2.1.1 高效抑制間接回波

間接回波的識別：1)間接回波的距離、方位與真回波均不同，其方位為間接反射體所在方位；距離略偏大，等于反射體至物標的距離與反射體離天線的距離之和。2)常常出現在扇形陰影區；3)在屏上移動不正常，即船舶改向時，仍出現在扇形陰影區不變或在熒光屏上消失；4)在屏上的顯示形狀有明顯畸變，且比真回波暗些。

傳統抑制是單純改向回避，新型抑制技能是：臨時降低增益、啟用雨雪抑制電路FTC、啟用海浪抑制電路STC，但抑制前提是不能丟失弱小物標。

2.1.2 高效抑制多次反射回波與旁瓣回波

在代表本船的掃描中心附近，在物標真回波外側，連續出現幾個等間距、強度逐個變弱的假回波就是多次反射回波，其方位與真回波一致、距離是真實距離的倍數。由天線波束的副波束掃到近處物標所產生的假回波就是“旁瓣回波”。由于旁瓣波束對稱分布于天線主瓣兩側，故旁瓣回波也對稱分布在真回波兩側,強度逐漸減弱，其距離與真回波相同，但方位不對。如圖1，當主瓣為90°時顯示回波在A處，隨著天線順時針旋轉，當旁瓣為90°時，屏上顯示的回波并不在90°上，而是顯示在主瓣所指100°方向上。[1]

圖1 旁瓣回波的成因

上述兩種回波具有共同的特點：在近距離出現且強度弱時，傳統抑制是減小增益。新型抑制是：在減小增益的基礎上，加大“海浪抑制”(STC)旋鈕、降低“掃描線亮度”、調弱“調諧”。仿真研究表明，效果理想。

2.1.3 高效抑制二次掃描回波

當出現超折射現象時，屏上出現的距離超出量程的回波即二次掃描回波。其圖形與實際物標形狀不符，遠處直線陡岸在屏上顯示時變成V字形彎岸，顯示的方位是物標的真實方位，但距離是實際距離與量程之差。傳統抑制是改變量程，新型抑制是：增大量程、使用寬脈沖。

2.2 高效抑制干擾回波的操作技能改進

2.2.1 高效抑制海浪回波

傳統抑制是酌情調節“海浪抑制”控鈕，但這存在著近距離小物標容易丟失的副作用。新型抑制是“多管齊下、綜合整治”：1)將調諧調到最佳狀態，適當增大增益和掃描線亮度；2)選用窄脈沖；3)選用S 波段雷達；4)選用高轉速天線(若有雙轉速天線，如40rpm以上)調整至船舶下風處的海浪雜波消失,上風處仍保留適當少量回波,以保證微小物標的回波不被抑制為度；5)采用窄脈沖或脈沖壓縮技術以提高雷達分辨力，檢測海浪雜波中的小物標；6)采用脈沖多普勒信號發射體制。

2.2.2 高效抑制雨雪回波

傳統抑制技能：使用顯示器面板上的雨雪干擾抑制FTC控鈕，該電路雖能凸顯物標前沿，但后沿減弱或消退，容易丟失弱小回波。

2.2.3 高效抑制同頻回波

同頻干擾回波使屏幕凌亂，弱小物標不易發現。傳統做法是啟用同頻干擾抑制電路RIC抑制，效果尚可。但在兩船相距很近時，干擾回波卻很難完全消除，同時也會削弱所有物標回波的強度，因此只有在同頻干擾嚴重時，方用此電路。

新型的抑制技法：1)在傳統技法基礎上，加上亮度、增益和調諧控鈕的配合調節，使雷達處于最佳狀態，細心觀察屏幕，防范丟失弱小物標；2)如果同頻干擾抑制電路與其他抗干擾電路同時使用，回波的損失會更大。因此要盡量避免與雨雪、海浪抑制電路同時使用；3)開啟異頻雷達，可以根本上消除同頻干擾；4)運用量程，量程越大干擾越嚴重，應盡量選擇近量程。

綜上所述，啟用電路均有抑制不穩定雜波的作用，但在船首向上顯示方式下，當改向或船首偏蕩時，弱小物標的回波也變得不穩定，從而被電路當作雜波抑制掉。因此在這種情況下不能啟用電路。

3 突出顯示有用物標回波的雷達導航操作技能方案設計

海面上兩個鄰近似物標，如果在雷達屏幕上剛好能夠被分開顯示，這時這兩物標能夠被分開的實際距離Δrmin或方位角Δαmi，就分別叫做雷達的距離分辨力和方位分辨力。分辨力與雷達操作技能密切有關。

3.1 提高雷達距離分辨力的技能改進

新媒體讓一直以來相對封閉的高校校園徹底打開了大門，變得更加開放和活躍，而教師和管理者很難對新媒體進行有效的管控，這在一定程度上導致教育工作者的主體地位被動搖。

雷達的距離分辯力主要取決于發射脈沖寬度、接收機通頻帶及屏幕光點尺寸大小等因素，具體可由下式決定：

(1)

式1中：C-電波傳播的速度，τ-發射脈沖寬度，Δf-接收機通頻帶，d-光點直徑，D-屏幕直徑，RD-所用量程距離。

τ造成物標回波向后徑向延伸Cτ/2的長度，若兩標間距小于Cτ/2，則兩標回波將會重迭；Δf越窄則失真越大，光點會造成回波向外擴展d/2。所以兩物標實際間距Δr必須大于上述三者之和Δrmin,方能使兩物標回波在屏上分開可辨(如圖2)。[2]

圖2 雷達圖像的徑向擴大效應與距離分辮力

由式1可見，提高雷達的距離分辨能力的綜合技能：即為使Δrmin小，則應做到：使用窄脈沖(τ小)工作；使用寬通頻帶(Δf大)；聚焦要良好(d小)。此外，盡量選用大屏幕雷達(D大)，用近量程觀測(RD小)。

3.2 提高雷達方位分辨力的技能改進

影響方位分辨力的主要因素是天線水平波束寬度θ°H、光點角尺寸d°(由光點直徑對屏中心的張角)及回波在屏幕掃描線上所處的位置。回波產生“角向肥大”，θ°H/2+d°/2。d°與回波在掃描線上的位置有關：光點離掃描中心愈近則d°越大，反之越小。

綜上可見，為提高雷達方位分辯力(使小)Δαmin應做到：減小天線水平波束寬度θ°H；良好聚焦，減小光點直徑d尺寸；正確選擇量程，盡可能使欲分辯的回波顯示在約2Ls/3區域(太靠近屏邊緣不好，因那里聚焦不良)；還應適當降低亮度、增益，以減小回波亮點尺寸。仿真試驗表明：

(2)

4 雷達技術改進設想

4.1 增設掃描相關電路

普通雷達僅僅是設置了各種類型雜波的抑制電路，啟用一個電路只能抑制一種雜波，會削弱有用物標的回波強度，難以在雜波中分辨出微弱的物標回波,因而不利于避讓。

物標的回波(如船舶、島嶼)在幾次掃描期間是穩定的,但海浪雨雪等雜波則是隨機的, 時有時無、時強時弱。依據這一回波相關原理，對相鄰的兩條或多條掃描線進行相關檢測。因為對于物標而言，在相鄰的掃描線的相同位置上，都具有該物標的的回波，則認為是有用物標予以保留，而雜波則不具有這種相關性，則雷達認為是雜波予以去除。[3]

圖3 掃描相關電路設計構想

本電路(如圖3)運用“從掃描到掃描”相關聯的方式,對有效的圖像進行存貯均衡,保留穩定、規則的回波,而抑制不穩定隨機的雜波,易于從雜波中區分識別物標回波。

4.2 改進電路接收方式

如圖4，在雷達接收系統內除了回波通道外，增設GPS參考通道，參考通道只接收直達信號(不含雜波)，回波通道接收經過任何物標反射回來的回波信號(含雜波)。接收機對接收到的參考信號進行通道均衡，即使之轉換為雷達能接受的信號；然后與回波信號作對比，實施第一級雜波抑制；將累積下來的雜波進行第二級雜波抑制；最后作恒虛警處理，即設置門檻電平抑制殘余不穩定弱小雜波。經過這樣的層層處理，主通道的雜波得到了深度的抑制、物標回波得到了高度的增強。[4]

圖4 雙通道接收機的設計

4.3 采用旁瓣對消技術

如圖5，增設輔助接收天線及輔助接收機，由主天線進入的旁瓣干擾信號和被輔助天線接收到的旁瓣干擾信號，進入主、輔助接收通道傳輸增益平衡，經減法器即能完全實現旁瓣對消，同時不會對雷達天線主波束的探測性能造成很大的影響。但此法的缺點是“當雷達主天線主波束接收到弱小物標的回波信號小于輔助通道接收到的干擾信號時”弱小物標信號將被對消掉。[5]

圖5 旁瓣對消電路設計

4.4 采用窄波束高增益天線

窄波束天線是一種方向性高、旁瓣小、受干擾影響小的天線。采用窄波束天線不僅可以獲得高的天線增益，還能減少干擾物標反射的影響，相對來說是輻射方向上更加狹窄、能量更加集中到天線所對方向的物標上去，因而提高了雷達接收信號的信噪比。[6]

4.5 運用自動雷達(ARPA)技術探測物標

ARPA采用α-β濾波器實現對物標的自動跟蹤，濾波原理可用下列式子表示：

在跟蹤過程中，隨著采樣序數的增加，預測與實測的位置差越來越小，位置及速度大的修正量也逐次減少，最終使預測與實測的位置差基本一致而進入穩定跟蹤狀態，從而達到自動跟蹤物標的目的。

如回波不突出，則不易被跟蹤上，跟蹤過程中容易丟失，雜波就屬于這種情況；如物標回波突出，則易被跟蹤上，跟蹤過程中不容易丟失，物標回波就屬于這種情況。因此，本研究成果能實現穩定跟蹤，說明抑制雜波、凸顯標波的效果好。

4.6 嘗試采用雷達的無源技術探測物標

雷達的無源技術是指雷達本身不發射電磁波信號，而只是利用外輻射源(電臺、電視臺和導航衛星等) 發射的信號作為探測信號，接收經過物標反射的信號進行物標探測和跟蹤的雷達系統。由于經過物標反射后的回波很弱，雜波小。具有較好的距離和速度分辨率，是性能優良的雷達系統。

5 結 論

GPS的定位精度不低于雷達的定位精度，GPS的分辨力精度高于雷達的分辨力，因此，基于GPS的AIS物標的精度不低于雷達跟蹤物標的精度，尤其對于較遠距離的物標，AIS報告物標數據精度通常高于雷達跟蹤物標數據的精度。驗證表明：采用改進后的技能技術后，雷達物標回波的測量數據精度與AIS相近，因此研究成果具有實用性。

本研究以航海雷達模擬器為主要實踐創新平臺，改進了現行的雜波背景下辨認有用物標的技術手段、操作技能：加大抑制雜波的力度，減小因抑制造成物標回波弱化與丟失的副作用，突出顯示有用物標回波；從而實現既能高效抑制雜波又能保全與突出物標回波，船舶駕駛員在霧中航行時，不管海浪、雨雪等干擾有多大，都能利用雷達“看清”過往船舶、避免碰撞危險發生。

1 許曉琴.全新的碰撞危險度在自動雷達標繪儀中的應用及實現[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2014(03):34-36.

2 白雅卿.船舶導航雷達視頻信號分析[D].大連海事大學2013.

3 陳麗,任鴻翔,金一丞,房希旺.會遇態勢相關的雷達標繪評估模型研究[J]. 中國航海,2012(02):36-38.

4 杜芳磊.訓練模擬器雷達模擬技術的研究[D].哈爾濱工程大學，2011.

5 馬愛軍.船舶導航雷達課程改革的研究[D].大連海事大學,2011.

6 彭祥龍.船用導航雷達的技術發展及最新應用[J].電訊技術，2013(09):11-12.

(責任編輯：譚銀元)

Improvement of Radar Navigation Technology for High Efficiency Suppression of Clutter

LI Hong-lei,CHEN Jin-tao,LIU Chao-jie,SUN Meng-qian

(Jiangsu Maritime Institute, Nanjing 211170, China)

In navigation practice, collision accident occurs occasionally due to the driver's failure to find the object in the background of clutter as well as the technical defects of radar in identification of objects. With the navigational radar simulator as the innovation practice platform, this essay discusses the ways to improve the operational skills and techniques of objects identification under the current background of clutter, and designs a radar navigation technical improvement scheme for clutter suppression and preserving the target echoes. Simulation results show that the scheme of implementation can make drivers use radar to "see" the passing ships and avoid the occurrence of collision accident in foggy and night navigation, regardless of the waves, rain, snow and other miscellaneous.

clutter suppression; object identification; radar navigation; technology improvement; skill improvement

江蘇省高校大學生實踐創新訓練計劃項目“高效抑制干擾回波凸顯有用物標的雷達導航技術技能改進方案設計”(立項號201512679014Y)

2016-07-12

李紅磊,男,碩士,研究方向：航海科技與教育。

U666

A

1671-8100(2016)04-0016-04