基于視頻信號的自適應(yīng)海雜波抑制算法

趙玉麗，商 凱，聶洪武

（1.南京萊斯電子設(shè)備有限公司，江蘇南京210007；2.中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局天津分局，天津300300）

0 引言

復(fù)雜海洋環(huán)境使海上目標(biāo)雷達(dá)檢測技術(shù)面臨著一系列的難點［1］：（1）海洋環(huán)境復(fù)雜，使得海雜波特性認(rèn)知難度大；海洋環(huán)境復(fù)雜，海況復(fù)雜，氣象不定，海雜波呈現(xiàn)非高斯、非線性、非平穩(wěn)特性，恒虛警檢測算法無法區(qū)分是海雜波還是目標(biāo)［2］。（2）回波信雜比低以及復(fù)雜非均勻背景，使得目標(biāo)檢測難度大。（3）檢測算法試用條件及性能驗證評估難度大。綜上，在進行檢測處理之前如果對海雜波進行有效的抑制，則會降低檢測算法的難度，減少虛警。

雷達(dá)進行全程搜索時，近距離海雜波或地雜波很強使接收機飽和，無法檢測到近距離目標(biāo)，為解決這個問題，現(xiàn)代雷達(dá)一般采用數(shù)字靈敏度時間控制（STC）電路，在近距離降低接收機通道增益和靈敏度，遠(yuǎn)距離保持原來的增益和靈敏度，以保證正常發(fā)現(xiàn)和檢測小目標(biāo)信號回波［2］。根據(jù)雷達(dá)方程，STC 曲線一般會預(yù)先設(shè)計幾組固定的STC曲線［3］，根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)，但海雜波并非只是距離的函數(shù)，海雜波受風(fēng)向、風(fēng)速、海況、地形等因素影響，并非在所有方向上的幅度規(guī)律一致。因此如果對雜波較大的方位上設(shè)置了某組STC曲線，勢必會引起其他方位上小目標(biāo)探測能力的下降。有學(xué)者提出動態(tài)STC 建立方法理念［4］，通過建立雜波圖建立不同方位、距離的STC值，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整STC 值的目的，該理念是雷達(dá)自動化、智能化發(fā)展的必然趨勢。針對這些情況本文提出自適應(yīng)海雜波抑制算法，對檢波后的視頻進行后續(xù)處理，通過動態(tài)建立雜波圖，實時計算STC值，對檢波后的視頻信號進行幅度調(diào)整，以達(dá)到所有距離上的回波強度一致。

1 海雜波抑制理論算法

由雷達(dá)方程可知，雷達(dá)接收的目標(biāo)回波功率與距離的4 次方成反比，即使是對數(shù)接收機，距離也是影響目標(biāo)回波功率的關(guān)鍵因素。如圖1（a）所示，進程海浪雜波干擾嚴(yán)重，而且海浪雜波在幀內(nèi)具有相關(guān)性，恒虛警檢測無法有效抑制海雜波，虛警非常多，因此采用STC曲線通過調(diào)節(jié)前端接收機增益，將近程海雜波壓制到噪聲水平，如圖1（b）所示。

雷達(dá)回波強度隨距離變化的主要因素有：（1）距離因素，由雷達(dá)方程可知，雷達(dá)接收的目標(biāo)回波功率與距離的4次方成反比。（2）接收機類型，接收機類型決定了接收機輸出與輸入的關(guān)系，比如對數(shù)接收機的輸入輸出之間為非線性關(guān)系。

1.1 距離因素

圖1 海浪抑制效果

1.2 接收機類型因素

若為對數(shù)接收機，則接收機的輸出電壓與輸 入 電 壓成對數(shù)關(guān)系，即Uo∝log(Ui)，因為則STC 曲線系數(shù)則需要設(shè)計為其中R為歸一化的距離，按照曲線的規(guī)律特性，可設(shè)計幾組STC指數(shù)曲線。

式（1）中：a 為指數(shù)的底數(shù)，b 為垂直平移，X 為曲線的范圍，x0為曲線起始位置。

根據(jù)實際情況可手動調(diào)節(jié)曲線底數(shù)、作用距離以及近距離的抑制程度，但該類方法依然要根據(jù)海況經(jīng)常手動調(diào)節(jié)STC曲線，增加了值班人員的工作難度。

2 自適應(yīng)海雜波抑制算法

從以上分析可以看出，海浪抑制曲線的系數(shù)與海雜波幅度呈倒數(shù)線性關(guān)系，因此若能夠?qū)崟r統(tǒng)計海雜波幅度，則能夠得到自適應(yīng)的STC 曲線系數(shù)，達(dá)到自適應(yīng)抑制海雜波的目的。該技術(shù)采用基于排序法的海雜波幅度估計算法，該思想是參考OS-CFAR 中基于有序統(tǒng)計量的算法［2］，OS-CFAR 是在被檢測單元附近的N 個樣本選取排序為k 的值作為雜波幅度電平的估計。同理，本文中采取的算法是在小區(qū)域內(nèi)隨機選取N個樣本進行排序，取排序為k的值作為當(dāng)前區(qū)域的雜波功率估計值。因此，當(dāng)統(tǒng)計樣本中雜標(biāo)數(shù)目小于（N-k）時，可有效防止目標(biāo)回波被統(tǒng)計，而當(dāng)目標(biāo)樣本數(shù)目大于（N-k）時，結(jié)果就會受到目標(biāo)的影響［1］。經(jīng)試驗，k＜N/2時功率統(tǒng)計偏低，高通濾波后虛警較高，因此k 的取值一般滿足N/2 ＜k ＜N 的條件。探測范圍內(nèi)目標(biāo)較少時k值可取值偏大些，目標(biāo)較密集時k值取值要偏小些。

2.1 海雜波幅度統(tǒng)計算法

首先，將探測范圍按方位距離劃分為若干區(qū)域單元；其次，對區(qū)域單元內(nèi)的雜波/噪聲幅度采用排序法進行統(tǒng)計，按圖2所示選取被測單元的幅度統(tǒng)計的樣本，對抽取的樣本進行排序，如圖3所示。

圖2 被統(tǒng)計單元的樣本選取

圖3 樣本排序

假設(shè)統(tǒng)計樣本中幅度值較大的為目標(biāo)所在單元，雜波幅度為這M×N個樣本中排序為k位置的幅度。

2.2 自適應(yīng)STC曲線方案

將統(tǒng)計得到的回波幅度值，經(jīng)幀間迭代，距離、方位平滑后作為STC 曲線的參考值。根據(jù)遠(yuǎn)區(qū)的回波統(tǒng)計值，設(shè)置歸一化基準(zhǔn)值，將回波歸一化到基準(zhǔn)幅度上。

假設(shè)當(dāng)前回波為xij，i 為當(dāng)前方位單元，j為當(dāng)前距離單元，該處統(tǒng)計的雜波幅度經(jīng)迭代平滑后為Ampij，基準(zhǔn)幅度為Arefer，則STC 曲線的計算公式為（2），回波抑制公式為（3）。

注：統(tǒng)計雜波幅度是按劃分單元進行統(tǒng)計的，認(rèn)為一個單元內(nèi)所有采樣周圍的雜波幅度是均勻分布的。

3 實采數(shù)據(jù)驗證

圖4 中的上圖為某雷達(dá)實采數(shù)據(jù)與幅度統(tǒng)計值，中圖為計算得到的自適應(yīng)STC曲線值，實時對海雜波進行抑制，處理后的效果如圖4 圖所示。從圖4可以看出STC曲線很平滑，海浪抑制后的回波基本處于同一噪聲水平上。

4 結(jié)語

本文介紹的基于接收機檢波后視頻信號的自適應(yīng)海雜波抑制算法，通過雷達(dá)回波幅度自適應(yīng)計算STC 曲線，根據(jù)實際海雜波數(shù)據(jù)特征，對STC 曲線進行平滑、壓縮等變換，自適應(yīng)對近程海雜波強度進行壓制，經(jīng)大量實際采集的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)驗證，能夠有效剔除海雜波虛警。

圖4 海浪抑制效果