一种抑制雷达杂波的设计方法

赵　腊,张　恒,　陈正禄

(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京210003;

2.中国船舶重工集团第七二四研究所,南京 211153)



一种抑制雷达杂波的设计方法

赵腊1,张恒2,陈正禄2

(1.海军驻南京地区雷达系统军事代表室,南京210003;

2.中国船舶重工集团第七二四研究所,南京 211153)

摘要：由于大气波导的抬升作用,电磁波会出现异常传播现象,导致雷达杂波明显增强。为了解决这一问题,本文提出雷达发射信号形式采用优选随机码,并结合码型捷变、硬限幅处理和优化动目标处理等信号处理方法有效抑制雷达杂波,提高雷达检测性能,并实际验证了此方法的有效性。

关键词:雷达杂波,优选随机码,硬限幅处理,码型捷变

0引言

在特定海域气象条件下,电磁波会出现异常传播现象,引起较大面积强杂波干扰,严重影响雷达对目标的探测和跟踪性能。例如,每年春、秋两季,某些海域由于温差的影响,海面水汽蒸腾,极易在某些波段形成跨周期多路径折射、散射现象,常态下不易被探测的视距外海面目标和地物(海岸线、城市等)都会出现在雷达画面上。严重情况下,不仅有强地物、海杂波等杂波,还有较强的天线副瓣杂波、脉压距离副瓣杂波进入雷达终端显示画面。当雷达脉冲重复周期较短时,雷达二次、三次回波也将严重影响雷达的探测性能。采取已有的抗杂波措施(恒虚警、杂波图、动目标处理、参差、反异步等)虽然可以有效抑制杂波,但终端画面显示的杂波剩余依然较多,有效信号衰减大,严重影响杂波区内雷达对目标的检测性能。上述雷达杂波干扰强度大、覆盖距离远,是多型雷达试验中遇到的一个亟待解决的问题。近年来,随着脉冲压缩体制雷达趋向固态化、TR化,大时宽信号得到广泛应用,使得对这种杂波的抑制变得更加困难。本文采用优选随机码作为雷达的发射信号。这种相位编码信号不同码元组间的相关度低,因此雷达工作在脉间码型捷变方式时二次或多次回波对雷达探测性能影响小。利用硬限幅处理和优化的动目标处理等信号处理方法,可以消除杂波对雷达终端显示的影响,达到较好的抗杂波效果。

1优选随机码

选取码元的原则是:在满足雷达信号模糊函数特性前提下,码元的随机特性强;码元自相关性强,即脉冲压缩主副比高,有利于提高雷达的探测性能;多组码元间的相关性小,从而降低同型雷达间的同频干扰和多次回波对雷达自身的影响。

通过分析巴克码、组合巴克码、L序列码、M序列码和伪随机码等传统码型后,发现很难有一种码型同时满足随机性、自相关性和互相关性这3个条件,因此提出一种优选随机码。这种随机码是基于随机噪声,并依据上述3个特性筛选出来。具体实现过程如下:

(1) 根据随机信号的产生算法,生成一列长度为P的随机噪声信号,并对该连续噪声信号二元离散化;

(2) 验证此组二元码是否满足下面3项条件:

•平衡性

在此长度为P的序列里,“1”码元数与“0”码元数基本平衡,个数相差不能大于1;

•自相关性

•互相关性

经过步骤(1)、(2)筛选出来的码元组称为优选随机码,作为雷达发射信号的码元序列。

2硬限幅处理

在早期雷达应用中,为了实现恒虚警率(CFAR)接收机,雷达采用相位编码信号,并在相位编码处理器中使用硬限幅处理。因为硬限幅处理与干扰密度函数无关,所以在脉冲压缩处理前对相位编码信号进行硬限幅处理能够得到有效的CFAR接收机。上述方法是一个设计恒虚警率接收机的有效方法。相位编码信号硬限幅处理的实质是相位鉴别类恒虚警处理。这类方法利用信号的相位信息控制雷达虚警率,在抑制噪声干扰情形下具有明显效果。

硬限幅处理最早主要应用于相位编码信号,受限于硬件处理能力,一般采用通过划分4个或8个象限对I、Q信号进行再编码的方式,实现硬限幅处理。由于分层精度低,系统的MTI改善因子不理想,杂波及低速目标剩余大。现代大规模集成电路高速发展,尤其是基于FPGA的实时信号处理技术在雷达信号处理中得到广泛应用,雷达信号的高精度相位提取可以由FPGA完成。新的硬限幅处理实现方法为:在雷达信号正交处理后得到线性I、Q信号,求出线性I、Q对应的相位α,然后根据α反演求出对应的硬限幅I和硬限幅Q两路信号(如图1所示)。

图1　硬限幅模块的实现方法

信号经过硬限幅处理,脉冲压缩后噪声幅度固定,与雷达接收干扰、噪声、杂波的强度无关,达到理想的恒虚警效果。硬限幅处理的相位精度是保证恒虚警率(CFAR)接收机和雷达动目标处理效果的关键因素。由于采用了高精度相位提取的实现方法,后续MTI处理性能不会受到影响。

3与硬限幅匹配的优化动目标处理方法

在电磁波异常传播情况下,回波信号信噪比高,易提取相位信息,利于采用硬限幅处理进行杂波抑制。硬限幅处理忽略信号、杂波和噪声的幅度信息,需要对硬限幅处理后使用的MTI滤波器进行优化设计。

硬限幅处理后信号(含杂波)和噪声幅度相同,相当于信噪比为0dB。脉冲压缩处理后信噪比由脉压得益决定,具有一定时宽带宽积信号的脉压主副比较大,硬限幅处理后目标的脉压副瓣一般低于噪声电平。与硬限幅相匹配的MTI滤波器设计原则是将一定速度内的杂波主瓣抑制到噪声电平以下即可。MTI改善因子大致和脉压得益相当,不需要很深的凹口,否则一些多普勒频率落在过渡带上的运动目标,经过动目标处理后,目标脉压主瓣电平将无法超过噪声电平,造成有效信号损失。同时在电磁波异常传播条件下,由于复杂气象条件、多径传输等原因,杂波的频谱宽度变宽,MTI滤波器还应选择凹口较宽的滤波器。

图2中多阶高通滤波器主要应用于非硬限幅信号处理时的MTI滤波器,抑制比达到70dB以上。窗1和窗2滤波器应用于硬限幅信号处理时的MTI滤波器,抑制比为30~40dB,保证各种固定或低速杂波抑制到茅草电平以下。如果在硬限幅信号处理情况下使用多阶高通滤波器,这种宽凹口、高抑制比的滤波器会抑制很多有效信号,对过渡带上的有效信号造成较大损失。

图2　MTI滤波器

4抗杂波效果

电磁波异常传播条件下,在较大距离范围乃至全量程内,雷达回波在中频端有较高的信噪比。高信噪比回波在匹配滤波后杂波的主瓣幅度大,甚至达到饱和状态,此时脉压副瓣被抬高,从而提高了雷达的虚警概率。雷达终端画面上不仅有很强的地物、海杂波等杂波,还有较强的天线副瓣杂波、脉压距离副瓣杂波等。当雷达脉冲重复周期较短时,雷达二次、三次回波等多次回波也将进入雷达终端显示画面。当海域包含上述所有种类杂波时,雷达终端显示如图3所示(量程140km)。采用硬限幅处理后,回波信号的脉压副瓣一般会低于噪声电平,形成良好的恒虚警效果,将降低杂波虚警概率。雷达工作在脉间码型捷变方式下,相邻雷达工作周期下发射信号采用不同的优选随机码组,利用发射信号间的低相关性,降低二次及多次回波对雷达本身的影响。处理后的雷达视频效果如图4所示。为达到理想的动目标处理效果,在采用优选随机码、码型捷变、硬限幅等处理方法的前提下,MTI滤波器必须与硬限幅相匹配,保证有效信号损失较少的情况下有效抑制各种固定或低速杂波。处理后的效果如图5所示。

图3　含异常杂波雷达视频

图4　码型捷变和硬限幅后雷达视频

图5　优化动目标处理后雷达视频

5结束语

本文介绍优选随机码的产生条件,说明了硬限幅

处理算法,对比分析了普通动目标处理滤波器和优化动目标处理滤波器。经实测验证表明,发射信号采用优选随机码,雷达工作在脉间码型捷变方式下,硬限幅处理后雷达终端显示画面上各种杂波得到有效抑制,取得很好的抗杂波效果。

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A radar clutter suppression method

ZHAO La1, ZHANG Heng2, CHEN Zheng-lu2

(1.Military Representative Office of Radar System of the PLA Navy in Nanjing, Nanjing 210003;2. No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

Abstract:Due to the elevated atmospheric duct, the electromagnetic waves transmit abnormally, which can strengthen radar clutters obviously. In view of this, the transmitting signals adopt the optimal random codes, combined with such signal processing methods as the code agility, hard limiter processing, and optimized MTI processing, to effectively suppress radar clutters and improve radar detection performance, verifying the effectiveness of the method.

Keywords:radar clutter; optimal random code; hard limiter processing; code agility.

中图分类号:TN973.21

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)01-0024-03

作者简介:赵腊(1986-),男,工程师,硕士,研究方向:雷达总体;张恒(1982-),男,高级工程师,硕士,研究方向:雷达信号处理;陈正禄(1970-),男,研究员,硕士,研究方向:雷达信号处理。

收稿日期:2015-11-12;修回日期:2015-12-30