海面慢速弱小目標雷達探測技術研究

朱文濤

（中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068）

0 前言

海面慢速弱小目標是指速度慢、雷達截面積小、聲光電特性不明顯的目標，這些目標主要包括海面小型船艇、小型漁船、海面漂浮物以及某些特定任務的軍事設備。上述目標由于較易躲過各種偵察手段的監視，故常被用來進行隱蔽偵察、偷渡、販毒、搶劫、恐怖襲擊以及軍事打擊等任務，而且任務效果是非常明顯的，同時造成的損失也是比較嚴重的。2008年，恐怖分子乘著一艘小艇對印度孟買進行了恐怖襲擊，造成了 195人死亡的嚴重后果；近年來，索馬里海盜利用小艇多次成功劫持了國際航道的商船，造成人員傷亡和嚴重的經濟損失。隨著中國“海上絲綢之路”的不斷推進，運行在國際航道的商船將更加頻繁，對應的海面慢速弱小目標的探測需求就顯得越來越迫切。因此，海面慢速弱小目標的遠距離預警可以為海岸防御或海面艦船爭取充分的準備和應對時間，而雷達作為一種遠距離、全天時、全天候的探測手段，是實現海面低慢小目標探測的一種比較理想的手段。

國內外針對海面慢速弱小目標雷達探測已經開展了大量的工作，并取得了一定的成果。典型的代表主要包括：德國SPEXER-2000雷達，英國的Blighter C422雷達和以色列EL/M-2112系列雷達等，如圖1所示。

德國SPEXER-2000雷達是X波段脈沖多普勒雷達，是全球首次使用有源電子掃描技術的安防雷達，可同時完成多項任務。該雷達對RCS為1m2的橡皮艇類目標的探測距離可達20km，而且可以檢測、跟蹤和自動識別RCS較小、速度很低的海面目標，特別是可以實現RCS為0.1m2的游泳者目標的連續探測和跟蹤，其原因在于具有高多普勒分辨率；英國Blighter C422雷達是Ku波段、電子掃描（PESA）、調頻連續波（FMCW）多普勒雷達，采用模塊化、非旋轉、完全固態化設計思想。該雷達對RCS為1m2的橡皮艇類目標的探測距離可達11km，而且該雷達使用了獨特的海雜波濾波器，可以探測海面慢速甚至靜止小目標；以色列EL/M-2112系列雷達是X波段高分辨FMCW雷達，該雷達采用同時多波束技術，在大范圍區域提供了持續監視和瞬時目標跟蹤能力，能快速檢測、監視和跟蹤在感興趣區域的所有地面運動目標和所有海面目標（運動和靜止），對RCS為1m2的橡皮艇類目標的探測距離為5km，該雷達的優點是對觀測區域的連續覆蓋。

由此可知，國外雷達可在3級海況下實現對RCS為1m2的橡皮艇類目標的探測與跟蹤，甚至可以實現更小目標的檢測和跟蹤。而國內在慢速弱小目標探測方面由于多方面原因，主要側重于算法的研究，鮮有典型的裝備。因此，本文結合目標探測需求和實際應用，在梳理海面慢速弱小目標的目標特性、探測挑戰、國內外技術思路的基礎上，給出了慢速弱小目標探測應解決的關鍵點，并提出了一種海面慢速弱小目標探測的系統架構。

1 海面慢速弱小目標雷達探測的挑戰

海面慢速弱小目標具有速度低、雷達截面積小、背景環境復雜等特點，這些特點給雷達探測帶來了以下挑戰:

1.1 強海雜波干擾

海面慢速弱小目標由于速度低、雷達截面積小，很容易淹沒在強海雜波中，具體表現在目標的雷達回波弱于海雜波回波，海雜波在短時間內具有較強的相關性，而且目標的多普勒頻率范圍與海雜波多普勒頻率范圍混疊，這就使得傳統的基于能量檢測和基于多普勒域檢測（如MTI/MTD）方法失效。此外，波束的掃描方式也會影響目標在雜波中的檢測結果，現有對海搜索雷達大多采用機械旋轉的方式實現360o方位的覆蓋，這種方式對于大型、速度高的目標檢測沒有太大的影響，但是當用于檢測慢速弱小目標時，波束的旋轉會導致海雜波頻譜的展寬，這就使得原本可在多普勒頻率區分的目標和海雜波混疊，導致后續的檢測性能下降甚至失效，如圖2所示。

1.2 強目標干擾

強目標干擾是海面慢速弱小目標探測不可忽視的一個重要問題，特別是在復雜的海面環境，如碼頭、基地、一些重要設施，這些場所強、弱目標出現在雷達視線的概率非常大。強目標對海面慢速弱小目標的干擾主要體現在方位干擾和距離干擾。方位干擾主要指強目標回波通過天線的副瓣進入接收機，而強、弱目標的強度比有可能遠大于天線的主副瓣比，此時，雷達接收機即使檢測到目標存在，其結果也是強目標；距離干擾主要指強、弱目標同時進入雷達主波束內，而當前雷達一般使用脈沖壓縮信號，這就導致回波信號經過匹配濾波后產生距離旁瓣，如果強弱目標強度比遠小于匹配濾波后的主旁瓣比時，雷達無法判斷雷達旁瓣處的峰值是否有弱小目標。

1.3 系統設計問題

在實際應用中，海面慢速弱小目標雷達探測不僅需要考慮上述技術難題，還需要考慮電磁兼容、雷達部署、成本等問題。電磁兼容主要包括兩個方面，一是盡量避免受其他雷達探測裝備的影響，如果選擇的雷達頻段與其他雷達裝備混疊，那么雷達就有可能接收到其他雷達的目標回波，會對慢速弱小目標的探測產生影響；二是盡量避免影響其他裝備，特別是應對威脅性更大目標的雷達裝備。此外，應用場合的不同對雷達裝備的部署要求不同，這就對雷達的設計提出了不同的要求。例如在某些特定場合下，分配給慢速弱小探測雷達的資源是有限的，這就對雷達的設計提出了更高的要求，比如體積小、重量輕、價格低等需求。

2 國內外技術研究思路

海面慢速弱小探測技術主要面臨強海雜波干擾、強目標干擾與電磁兼容的問題。電磁兼容可以從系統頂層角度統籌解決，故海面慢速弱小目標探測技術主要面臨強雜波干擾和強目標干擾的問題[1-3]。針對這兩個問題，國內外主要從以下幾個方面開展研究：

2.1 提高距離和方位分辨率

影響慢速弱小目標探測的一個重要因素是信雜比太低。如果盡可能提高信雜比，則有利于目標的探測。由于海雜波回波也是雷達發射信號經發射后的回波，那么提高發射功率對信雜比的提升幾乎沒有幫助，因此，盡可能減小分辨單元的面積是提高信雜比的有效途徑。減小分辨單元面積的途徑是提高雷達的距離分辨率和方位分辨率。美國AN/APS-116反潛雷達就是利用高分辨單元實現了露出時間有限的潛望鏡目標的探測，其瞬時帶寬為500 MHz。需要說明的是，分辨單元也不是越小越好，其劃分標準最好要根據探測目標的大小來確定。一旦分辨單元遠小于探測目標的大小，雷達探測性能就會適得其反。

2.2 增加目標觀測時間

慢速弱小目標由于速度低，很容易混淆在海雜波的較寬多普勒帶寬內。目前搜索雷達多數采用波束掃描（機械或電掃），每次駐留時間較短，對應的多普勒分辨就越低。增加觀測時間不僅可以增加能量積累的時間，而且可以提高多普勒分辨率。多普勒分辨率的提高有利于將目標與海雜波區分出來，其前提是目標的多普勒頻率沒有混疊在海雜波多普勒內，德國SPEXER-2000雷達就是利用高多普勒分辨率實現游泳者的檢測與跟蹤。當目標的多普勒頻率混疊在海雜波較寬的多普勒帶寬內時，提高多普勒分辨率的方法無效，需要通過其他技術將目標提取出來，例如利用分形特征將目標與雜波進行分離。利用特征差異的角度是實現慢速弱小目標比較有效的途徑，該方法的前提是需要較長的觀測時間。

需要說明的是，對于以波束掃描方式的探測雷達來說，增加目標的觀測時間就意味著波束的掃描速度變慢，導致一些目標的漏檢。泛探體制雷達和MIMO體制雷達為解決這個矛盾提供了一條切實可行的思路。以色列EL/M-2112（V5）雷達就是利用寬發窄收技術實現大范圍同時覆蓋。

2.3 提高收發和信號處理自由度

海面慢速弱小目標不僅要面臨強海雜波的干擾，還要面臨強目標的干擾。強目標干擾主要包括方位旁瓣干擾和距離旁瓣干擾[4]。對于方位旁瓣干擾來說，超低旁瓣天線是一條解決途徑，然而，對于強弱相差比較懸殊的情況，超低旁瓣天線設計本身的難度已超過抑制強干擾的難度。陣列雷達可以通過調整每個陣元的權系數靈活地設置零陷，從而實現方位旁瓣的抑制。因此，提高雷達的空間濾波自由度有利于實現方位旁瓣的抑制。

距離旁瓣抑制主要從兩個方面展開；第一方面，高功率的超窄脈沖設計的發射。由2.1節可知，大帶寬信號有利于慢速弱小目標的探測。大帶寬信號可以是脈沖信號，也可以是調制信號。當信號為脈沖信號時，信號的脈寬時帶寬的倒數，那么，信號的脈寬非常小，對應的峰值功率非常高。此時，距離旁瓣抑制問題就是高功率窄脈沖設計和發射的問題；第二方面，波形設計。大帶寬信號也可以通過對較寬脈沖進行調制實現，例如線性調頻信號。而調制信號的缺點是匹配濾波后存在距離旁瓣。因此，可以通過發射波形的設計盡可能降低距離旁瓣。發射波形設計可以理解為發射波形設計、自適應匹配濾波以及聯合發射波形設計和自適應匹配濾波。

2.4 采用先進的處理算法

2.1 節-2.3節為慢速弱小目標的檢測提供較為理想的條件，而決定目標最終是否能被檢測的是能量積累方法和目標跟蹤方法。目標常用的能量積累方法主要包括檢測前跟蹤方法和長時間相參積累方法。檢測前跟蹤方法可以利用海雜波去相關時間為毫秒級的特點進行目標的檢測，美國的AN/APS-116雷達就是采用檢測前跟蹤方法實現能量積累，進而實現目標的檢測。然而檢測前跟蹤方法是一種非相參積累方法，這種方法具有信噪比門限效應，即當信噪比小到一定程度時，該方法沒有積累增益。長時間相參積累方法則需要解決目標的非規則運動導致的相位變化問題。此外，強海雜波、強目標、以及目標本身狀態的變化會引起虛警率的起伏，這就需要先進的穩定跟蹤方法，例如隨機有限集[5]。

3 慢速弱小目標探測需解決的關鍵點

復雜環境下的海面低慢小目標雷達探測面臨諸多問題，單從雷達系統的某一個環節試圖解決所有問題是非常困難的，甚至是無法實現的。結合第2節和第3節分析，本文給出了慢速弱小目標探測應解決以下幾個關鍵點，具體描述如下：

3.1 雷達波束實現寬發窄收

雷達波束寬發窄收可以實現大范圍海域的同時覆蓋，該方式可以增加了目標的觀測時間，有利于慢速弱小目標的探測。

3.2 雷達波束實現高度自適應

雷達波束自適應能力可以根據海面環境自適應調整雷達波束形成，進而對干擾方向進行有效抑制。海面慢速弱小目標容易受到強目標的方位干擾，盡可能提高波束的自適應能力不僅可以在干擾方向形成較深零陷，而且可以減小雷達天線超低副瓣的設計要求。

3.3 雷達實現波形靈活發射

雷達波形的靈活發射包括兩個方面。第一方面是雷達具備靈活發射波形的能力。海面慢速弱小目標容易受到環境變化的影響，這就需要雷達對回波進行分析和處理后，將獲得的目標和環境信息再反饋給發射機，利用該信息或其他先驗知識進行波形設計，從而發射與當前目標和環境相匹配的最優雷達波形，提高雷達系統的檢測、跟蹤和識別性能。因此，能夠實現雷達波形的靈活發射有利于在復雜環境下海面慢速弱小目標的探測；第二方面是低距離旁瓣設計。傳統波形和匹配濾波器的輸出會產生較高的距離旁瓣，導致強目標旁瓣遮蔽弱目標或多路徑干擾，嚴重影響弱小目標檢測。目前，低距離旁瓣設計主要從波形設計、自適應濾波器設計以及波形與濾波器聯合設計三個角度展開研究。波形設計方法可以對指定距離單元進行優化設計從而達到低距離旁瓣[3]。另外，文獻[6]將通信中的CP-OFDM信號引入雷達波形設計中，在理想情況下，CP-OFDM雷達信號不存在距離旁瓣，如圖 3（a）所示，然而該波形存在非恒模問題，并且信噪比和信雜比的影響仍需進一步驗證；文獻[7]和文獻[8]基于最小均方誤差準則和輸出最大信噪比準則進行自適應匹配濾波器設計，極大削弱了距離旁瓣，如圖 3（b）所示；波形與濾波器聯合設計，結合對環境的認知，對發射波形、接收濾波器聯合優化，實現更好的距離旁瓣抑制效果[9]。上述三種方法為慢速弱小目標在強干擾環境下的探測提供思路。

3.4 雷達回波需精細化處理

海面慢速弱小目標回波強度弱、運行速度低，提高距離分辨率、速度分辨率和角度分辨率有利于目標的探測。距離分辨率的提高意味著信號帶寬的提高，這就會帶來海雜波非平穩的問題，導致常規多普勒濾波器性能下降；如果目標的多普勒與海雜波多普勒重疊，那么基于多普勒濾波的目標提取思路就行不通。這些問題都需要信號處理系統對雷達回波進行更加精細的處理。文獻[10]針對海雜波的非平穩性提出了自適應匹配濾波器類的檢測器，該類檢測器可以較好地解決目標與海雜波在多普勒可分的檢測問題；針對目標與海雜波在多普勒不可分的情況，文獻[11]從特征差異的角度完成了目標的檢測，該文獻中，基于特征差異的小目標檢測方法需要較長的觀測時間。其實，這種思路與經驗豐富的雷達觀察員行為比較相似，經驗豐富的雷達觀察員可以通過雷達視頻信號憑直覺判斷出某些距離單元的異常，其依據就是長時間的觀測經驗，因而該思路可以定義為一種簡單的人工智能。因此可見，慢速弱小目標的有效探測需要對雷達回波進行精細化處理。

3.5 雷達設計需以客戶需求為中心

大多數雷達設計的最終目的是給用戶提供滿足要求的裝備，因此，雷達設計需以客戶需求為中心，在雷達設計和研制過程中，需充分了解客戶需求，例如雷達重量、體積、功耗、成本等，針對客戶需求開展雷達系統設計。

4 雷達探測系統架構設計

結合上述分析，本文給出了一種海面慢速弱小目標探測的系統架構，其架構可描述為：雷達系統主要分為天線分系統和信息處理分系統。天線分系統采用單發多收體制，發射環節具有實時、靈活發射波形的能力，接收環節采用數字陣列天線。該設計方式可實現波束寬發窄收，從而實現對大范圍海域的同時凝視觀測，并且具備自適應波束形成的能力；在信息處理環節，利用采集的回波信號和較高門限確定是否有強目標，如果有強目標存在，則利用自適應波束形成技術抑制強目標；抑制后的信號交由信號處理環節和數據處理環節完成目標的檢測與跟蹤。設計的雷達架構能較好地應對不同狀態的海面低慢小目標探測，并且具有重量輕、體積小、成本低的特點。

整個雷達系統涉及的關鍵技術主要包括：自適應匹配濾波技術主要解決高分辨下的海雜波具有空時非平穩性問題；特征差異提取技術主要解決靜止目標探測問題；波形設計技術主要解決距離旁瓣抑制問題；自適應空間濾波主要解決空間旁瓣抑制問題；多目標穩定跟蹤技術主要解決虛警起伏時的目標穩定跟蹤問題。

5 結束語

海面慢速弱小目標雷達探測是一個比較棘手的難題，需要從雷達整個系統出發，統籌雷達多個環節進行聯合設計。本文結合目標特性、海雜波特性和實際應用，提出了一種海面慢速弱小目標探測的解決方案。