机载预警雷达地杂波功率谱仿真与分析

李小萍

(中国电子科技集团公司第三十八研究所　合肥　230088)

0　引言

脉冲多普勒雷达基于其在检测目标的独特优势，在实际中应用的越来越多，尤其在机载下视模式下，对地面、海面低空飞行的轰炸机、攻击机、直升机、甚至巡航导弹等目标有着广泛的应用，其在现代战争中起着举足轻重的作用。然而，机载雷达采用下视工作时，面对的地面杂波往往是探测目标的重要阻碍，很多时候，目标的回波强度远远小于杂波强度，如何更好的对杂波进行抑制成为了国内外长期研究的重点。杂波随着环境的改变、地型的变化，起伏特性等不尽相同，为了研究不同杂波环境下抑制杂波的算法，去获取不同环境下的实测数据显然不切实际。显然，如何模拟更加有效、根据切合实际的杂波回波数据，显得尤为重要。

另外，脉冲多普勒雷达其独特的优势是在频域检测目标，考虑到实际雷达系统中，杂波不是理想的均匀态，主瓣杂波以及弯曲杂波的不规则特性，采用传统的一维CFAR检测方法在高度线杂波附近存在大量的虚警，本文提出一种特殊的二维窗CFAR检测方法，通过仿真可以看出，不管是模拟杂波还是实测数据，此方法都具有一定的优势。

本文首先介绍了机载雷达地杂波的典型后向散射特性，介绍了基于起伏RCS的杂波统计特性，然后对基于幅度分布为对数正态分布的杂波进行模拟，进而通过CFAR检测方法对模拟杂波和实测数据进行分析处理对比，得出所提方法的优越性。

1　雷达地杂波模拟原理

机载雷达杂波模拟的过程实际可以看做是地面上波束覆盖范围内无数小散射体的回波矢量和，本文采用距离-脉冲的杂波模拟方法，距离间隔为系统脉压后的距离分辨率，考虑每个距离环360°都存在杂波回波，将360°划分为若干个小单元，其划分间隔与多普勒分辨率有关。由于视线转动、空气扰动以及地面起伏等原因改变了散射体之间的相移关系，表现出一定的起伏特性，此随机起伏特性可以用其通过雷达接收机的包络检波器后的幅度概率密度函数描述，本文采用对数正态分布来描述[1]。

根据雷达方程，每个散射体的杂波功率谱计算公式如下[2]：

(1)

式中，Pt为雷达发射峰值功率，λ为雷达波长，σ为服从一定分布特性的起伏RCS，L为系统损耗，Ft(θi,φj),Fr(θi,φj)分别为发射和接收方向图映射到相应单元的方向图增益，Rm为单元斜距，fd为多普勒频率。

2　起伏RCS数据模拟

2.1　地面杂波后向反射系数模型

(2)

表1不同地形反射系数参数值

地类ABβ0σ0c沙漠0．0126π/20．14θ/θc农田0．0040π/20．201丘陵0．0126π/20．401高山0．04001．240．501

2.2　分布特性

在雷达回波中，我们关注的重点是有用的目标信号，而杂波回波相对来说是无用信号，需要雷达信号处理系统通过一定的手段剔除或者从中提取有用信号，然而不同的雷达参数、平台特性所得到的杂波不尽相同，准确掌握雷达杂波性质对雷达系统设计以及后续信号处理有着重要作用。例如，杂波的幅度起伏特性对CFAR检测器的设计有重大影响，杂波的频谱特性直接关系到脉冲多普勒滤波器的设计等等。在雷达杂波模拟中，需要准确建立符合实际情况的数学模型，通常，该模型可以用统计随机过程来描述[4]。

通过对大量实际数据的分析，杂波不能单纯的用高斯分布来表示，其杂波幅度具有一定的分布特性，现有的描述杂波幅度变化的概率分布模型主要有：瑞利分布、对数正态分布、威布尔分布、K分布。非瑞利分布和瑞利分布的区别在于：一是在高概率区域有一个较长的拖尾，二是有一个较大的标准偏差与平均值的比值。很显然，随着雷达分辨率的提高、波束入射角的变化，更多的雷达系统回波已无法满足瑞利分布。

考虑到预警机波束擦地角一般很小，对数正态分布更加符合实际，其概率密度函数为：

(3)

3　CFAR检测方法

在均匀瑞利杂波环境下，CA-CFAR对杂波的参数估计为最大似然估计，当参考单元数较大时，检测性能接近最优[5]。

然而实测回波由于环境多变、系统特性，基本不满足瑞利杂波的特性。采用传统的CA-CFAR会存在虚警点较多，不利于信号检测。本文根据实际情况，提出一种分区CFAR方法，对杂波频谱中的强杂波区、噪声区、高度线杂波区用不同的二维CFAR窗做处理[6]。

其中，在强杂波区域采用3×5的检测窗，噪声区采用7×7的检测窗，高度线杂波区采用上图所示的3×11检测窗。

4　计算机仿真与分析

4.1　杂波仿真

仿真流程如下图所示：

计算参数：

雷达各项仿真参数如载机速度、载机高度、重频、距离门、积累时间、扫描方式等与实际参数基本一致。同时雷达仿真工作于前视阵，按照探测覆盖范围，雷达仿真波束下倾1度。

根据系统仿真参数，我们可以得出fd=(2V/λ)cos(φ)cos(θ)=2560Hz，系统仿真多普勒带宽为100Hz，仿真重频如果采用10.5k，通过计算，主瓣杂波应落在2560/100+PRF/100/2=77附近。从仿真图可以看出，主瓣确实在第70通道～80通道之间。如载机高度为7500m，从仿真图可以看到，高度线杂波处于第120个距离门附近，符合实际情况。而且弯曲杂波是从高度线杂波逐渐延伸到主瓣杂波，理论分析与仿真结果完全吻合，从而验证了仿真数据和方法的有效性。

4.2　CFAR仿真

仿真采用模拟数据和实测数据分别处理来说明问题。通过传统CA-CFAR与分区域CFAR方法做对比，对其虚警点做统计，得出检测性能。

仿真过程为先把主瓣杂波搬移到零频，再把主瓣杂波去除，然后开始做处理。从仿真结果可以看出，采用传统的CFAR处理方法，在高度线附近存在大量的虚警，而采用二维分区CFAR检测处理，由于采用特征值拟合，虚警点明显减少。

5　结束语

机载雷达杂波仿真在雷达系统设计中起着举足轻重的作用，本文基于起伏RCS的杂波功率谱进行模拟，模拟的杂波数据基本满足要求，另外从模拟数据和实测数据着手，提出一种分区CFAR检测器，仿真和分析结果对比表明其方法的有效性。后续将进一步优化分区检测机制，在仿真和实测数据处理中设置更多的限制约束条件，如对环境和区域进行精细化划分、基于信号特征进行精细化处理等方法，使之更有利于目标的提取和虚警的抑制。

参考文献:

[1]饶妮妮. 基于数字高程模型数据的机载认知雷达地杂波建模方法研究[J]. 电子科技大学学报, 2016, 45(4): 511-519.

[2]任红霞. 雷达海杂波统计建模与仿真[D]. 青岛: 中国海洋大学, 2016.

[3]李慧. 机载雷达杂波模拟[D]. 南京: 南京理工大学, 2012.

[4]KUREKIN A, RADFORD D, LEVER K, et al. New methodfor generating site-specific clutter map for land-based radarby using multimodal remote-sensing images and digitalterrain data[J]. IET Radar Sonar and Navigation, 2011, 5(3): 374-388.

[5]马健. 基于删除平均和单元平均的CFAR检测器性能分析[J]. 电子科学, 2012, 5(2): 12-15.

[6]Loraine L.Campbell, Air-to-Air Radar Modes for the CP-140 Maritime Patrol Aircraft[D]. Systems and Computer Engineering Carleton University,1996.