一種C波段雷達云雨氣象干擾源檢測方法

曲圣杰， 高 越， 常 城

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

C波段雷達由于波長更短，相對于S波段雷達在等同信噪比情況下測角精度可以提高1倍，而且保持了較好的穿透性，特別適合于對作用距離和精度同時要求較高的情況，譬如炮位偵校雷達。但由于C波段雷達特殊的波長特性，容易受云雨氣象雜波影響，因此多用于氣象雷達[1]。

現代雷達由于復雜的電子對抗環境，抗干擾功能是必不可少的；對干擾源的正確檢測，不僅可以自適應地調度雷達系統的抗干擾功能，而且可以通過將輔助波束對準干擾源方向增加輔助波束的干噪比，從而提升系統的旁瓣對消抗干擾性能[2-3]。由于C波段雷達對云雨氣象雜波的敏感性，實際工程應用中發現經常會把云雨雜波檢測為壓制干擾，從而錯誤地調度了雷達系統的抗干擾功能，浪費了雷達系統資源。

目前文獻中關于干擾源檢測與定向方面大量集中在通信領域以及欺騙式干擾方面[4-8]，結合工程實際探討云雨雜波環境下干擾源檢測定向的文獻非常少見。本文著重于研究并提高C波段雷達在云雨氣象環境下的適用性，通過一部俯仰向同時多波束、方位相掃體制的C波段雷達獲取的大量工程試驗數據，分析云雨氣象雜波與有源壓制干擾在俯仰、方位維度的差異，提出了波位內/波位間兩級干擾源檢測方法。該方法在保證真實有源壓制干擾被成功檢測的情況下，極大地抑制了云雨氣象雜波導致的虛假檢測。

1 云雨雜波引起干擾虛警問題描述

有源壓制干擾的直接表現就是回波信號噪底異常抬高。所以對有源壓制干擾源的檢測中，最常見的方法就是在回波信號中選擇較為清潔的區域統計噪底，并將噪底與沒有干擾情況下的噪底值進行比較，如果差值高于設定閾值，則認為回波中存在有源壓制干擾，然后通過與匿隱天線接收的回波幅度比對，判斷干擾是否來自主瓣方向并進行精確測向。在具備自適應抗干擾功能的雷達系統中，會根據干擾源的檢測和測向結果調度輔助天線指向干擾源，提高輔助天線的干噪比用于旁瓣對消處理。

由于C波段的氣象敏感性，云雨雜波同樣會帶來噪底的大幅抬高。試驗所采用雷達正常情況下回波噪底約66.3 dB，某次云雨回波及主瓣干擾視頻回波分別如圖1、圖2所示，云雨氣象回波噪底達到90.06 dB，壓制干擾 95.82 dB，相對正常情況均有很大幅度提高并且高于匿隱門限，所以僅根據噪底抬高情況和與匿隱回波比較判斷是否存在干擾會帶來大量虛警。

圖1 云雨氣象回波

2 波位內/波位間兩級干擾源檢測方法

對于雷達系統來說，云雨氣象雜波和有源壓制干擾屬于不同特性的目標。工程試驗中發現，二者雖然都會引起噪底的抬高，但在波位內不同俯仰方向以及波位間不同方位方向的幅度特性卻存在明顯差異。針對這些差異提出一種波位內/波位間兩級干擾源檢測方法，在保證真實有源一壓制干擾正確檢測的同時對云雨虛警進行濾除，具體如下。

2.1 波位內不同俯仰方向差異分析及檢測方法

首先計算各俯仰波束的噪底并提取樣本點。實際工程中，當脈沖重復周期較短時，回波視頻數據中存在很強的地物雜波，往往難以在不同波位指向中找到共同的噪聲區域，這里給出一種自適應的局部區域最小最大法以計算噪底并提取樣本點，方法簡單易實現，可以有效規避地物雜波干擾，方法如下：

1) 將完整的統計區域均勻分成若干個子區域，計算每個子區域的幅度均值avg1；

2) 取幅度均值最小的區域，記錄最小幅度值avgmin并記錄該區域內的統計點位置；

3) 對所有統計子區域的幅度均值，求均值幅度avgall；

4) 比較avgmin與avgall，若二者相差較小，則采用avgall對avgmin進行平均修正以增加準確性，否則直接輸出avgmin作為噪底；

5) 對最小幅度均值區域的統計點進行排序，選擇最大的N個點作為樣本點。

通過上述方法統計噪底幅度，可以較為有效地規避固定雜波對噪底計算的影響。獲得所有俯仰波束噪底幅度后，統計噪底幅度最大的俯仰波束號及其對應的噪底幅度值，然后去掉當前最大俯仰波束及其相鄰波束，計算得到其他俯仰波束的噪底均值。然后通過俯仰波束間的幅度關系，對云雨雜波和真實干擾進行分辨。

由于壓制干擾來自于干擾機，為點干擾，所以不同俯仰波束的幅度關系服從于俯仰接收波束方向圖，如圖3所示；而云雨雜波為體目標，不同俯仰波束的幅度關系會受到不同云雨狀況時云層或雨滴在俯仰空間的分布影響，導致表現出來的俯仰波束幅度不滿足接收方向圖情況。所以可以結合方向圖通過以下幾個原則進行分辨：

圖3 俯仰接收波束方向圖

1) 最大幅值波束與間隔1個波束幅度差大于a1；

2) 最大幅值波束與間隔2個波束幅度差大于a2；

3) 最大幅值波束與去掉自身及相鄰波束的其余波束幅度均值的幅度差大于a3，其中a1≤a3≤a2；

最后與匿隱波束噪底幅度值進行比較，大于適當的匿隱門限以區分主瓣與副瓣干擾。

2.2 波位間不同方位方向差異分析及檢測方法

通過波位內不同俯仰波束間的幅度關系，可以濾除大部分云雨雜波干擾，但由于云雨雜波的復雜多樣性，以及實際工程中為了盡可能提高真實干擾源的檢測概率對門限a1、a2預留適當的保護，仍然可能會存在云雨雜波滿足波位間幅度關系情況出現虛警檢測。

由于云雨雜波的體目標特性，在方位向較為均勻散布；而干擾機發出的壓制干擾信號同樣符合方位向不同波位間的方向圖特性。所以可以通過建立方位向波束間的噪底圖，對云雨雜波進行進一步的濾除，具體方法如下：

1) 對一個波位的所有脈沖，按照2.1節中給出的方法提取樣本點后，對干擾源指向角度進行測量，統計測量結果，若俯仰角和方位角均小于σ，則認為該脈沖檢測結果有效。無論是否檢測到干擾，均統計該波位所有有效脈沖的噪底均值；

2) 通過噪底均值構建噪底圖，設定最大和最小容許范圍，對噪底圖進行比例更新；

3) 統計波位內有效檢測脈沖情況，當有效檢測脈沖數多于總脈沖數的r%時，將波位噪底均值與當前噪底圖進行比較，若波位噪底均值與噪底圖幅度差值大于門限a4，則最終判斷為真實壓制干擾，輸出測角結果。

2.3 方法流程圖

綜上所述，波位內/波位間兩級干擾源檢測方法流程圖如圖4所示。

圖4 波位內/波位間兩級干擾源檢測方法流程圖

3 試驗及結果分析

采用某型號C波段雷達在對云雨氣象下采集數據，分析所提方法對云雨雜波虛警抑制效果；同時在沒有云雨的氣象環境下滿足遠場條件放置干擾機，采集干擾數據，分析所提出的方法在滿足云雨雜波虛警檢測的情況下，對真實干擾信號的正確檢測能力。雷達在方位向采用相掃方式覆蓋-45°～45°范圍；俯仰向采用同時8個俯仰波束，覆蓋約6.4°范圍。

3.1 云雨雜波虛警抑制情況分析

采集的云雨雜波數據在不同的俯仰波束的噪底幅度如圖5所示，圖中每條線為1次檢測樣本，橫軸對應不同的俯仰波束號，可知，云雨雜波在空間上具有較為明顯的“云層雨層”特征，在1～4波束具有較大的幅度值，在2、3波束達到最大值，隨后逐漸降低；但即使在具有最大幅度值的1～4波束，幅度值也變化較為平緩。

圖5 云雨回波不同俯仰波束噪底幅度

按照2.1節波位內方法，幅度差a3滿足a1≤a3≤a2，試驗所選用的雷達理論上a1約為11.5 dB、a2約為35 dB；為同時滿足對真實干擾的正確檢測，試驗中根據工程經驗設置：a1=8 dB，a2=a3=18 dB。最大幅值與去相鄰波束均值幅度差情況如圖6所示，可知根據該方法可以去除大多數虛假點，圖6中仍有個別樣本滿足大于閾值a3要求從而給出虛警，實際虛警概率為3.92%。間隔1個波束幅度差與間隔2個波束幅度差情況分別如圖7和圖8所示。可知由于云雨氣象的多樣性，方法對云雨雜波虛警有一定程序的辨別效果，但僅僅采用該方法仍然存在虛警情況，通過間隔1個和2個波束幅度差檢測虛警率分別為22.55%和8.82%。綜合使用上述波位內方法，檢測虛警率降為0.98%。

圖6 云雨回波最大幅度與去相鄰波束均值幅度差

圖7 云雨回波最大幅度與間隔1個波束幅度差

圖8 云雨回波最大幅度與間隔2個波束幅度差

進一步采用2.2節波位間方法構建噪底圖，樣本最大波束幅值與噪底圖情況如圖9所示。由于云雨在方位向遍布的特性，在方位向波位間幅值變化較小，最大幅度值與噪底圖差異較小，設置適當的門限a4便可以對云雨虛警進一步濾除。試驗中，單獨使用波位間方法虛警概率為3.92%，綜合使用波位內和波位間方法，所有虛警被全部濾除，試驗虛警概率情況總結如表1所示。

圖9 云雨回波最大幅度與噪底圖關系

表1 云雨氣象虛警概率

3.2 真實干擾正確檢測情況分析

滿足遠場條件放置干擾機并采集數據，為了與云雨雜波在波位內和波位間的情況進行對比分析，提取每次雷達相掃時主瓣指向干擾機的波位數據并分析。數據在不同的俯仰波束的噪底幅度如圖10所示，由于干擾機放置在地面，而波束最低仰角中心指向干擾機，所以波束1噪底幅度最大，而其余波束按照俯仰向方向圖迅速降低，與云雨雜波的緩變形成了鮮明對比。按照2.1節波位內方法，最大幅值與去相鄰波束均值幅度差情況如圖11所示，間隔1個波束幅度差與間隔2個波束幅度差情況如圖12和圖13所示。與圖6、圖7、圖8相比，幅度完全超過了云雨雜波虛警檢測設定的a3、a1、a2門限，采用波位內方法即可以將真實干擾完全正確檢測，說明采用本文方法在抑制云雨雜波虛警的同時，并不影響真實干擾的檢測。

圖10 干擾回波不同俯仰波束噪底幅度

圖11 干擾回波最大幅度與去相鄰波束均值幅度差

圖12 干擾回波最大幅度與間隔1個波束幅度差

波位間分析則如圖14所示，不同于云雨雜波的遍布特性，波束在方位向掃描時，指向干擾機時幅度會迅速增加，遠離干擾機時幅值會迅速降低。波束指向干擾機時幅值與噪底圖比較有明顯差異，按照云雨虛警檢測設置的門限a4，也可以正確檢測出真實干擾。

圖13 干擾回波最大幅度與間隔2個波束幅度差

圖14 干擾回波最大幅度與噪底圖關系

4 結束語

本文提出從波位內到波位間兩級干擾源檢測方法，通過大量真實試驗數據對方法的有效性進行了較為充分的驗證，方法在工程中易于實現，用于某型號產品并取得了較好的效果，一定程度上提高了C波段雷達在惡劣云雨氣象環境下的適用性。由于C波段雷達對云雨氣象的敏感性，在復雜氣象條件下濾波后云雨雜波會占據更多頻道，對于邊緣頻道目標的檢測、測速帶來很大困難，后續將進一步對C波段雷達在云雨氣象下的目標檢測及虛假目標抑制方面開展研究。