单脉冲法在海面目标跟踪中的应用

文/魏文宝 厉旭冉 贺国君

单脉冲法在海面目标跟踪中的应用

文/魏文宝 厉旭冉 贺国君

通常平稳区海面目标的检测受到海杂波的影响，海况越高海杂波回波强度越大，限制了信杂比，影响海面目标的检测，本文基于海杂波背景，采用单脉冲方法进行杂波抑制，提高目标检测区的信杂比，利用试验测量数据进行分析和验证，对比不同信杂比条件下单脉冲方法对海杂波抑制的信杂比得益，在低信杂比条件下有一定改善效果，对工程应用具有一定的指导价值。

单脉冲 海杂波 目标跟踪

1 引言

近年来，随着海洋资源和权益的争夺，海面船只和舰艇监视、跟踪与打击逐渐成为装备发展的重要方向之一，而海面目标的检测和跟踪会受到海况的影响，因此海杂波背景下的目标检测与跟踪成为重要的研究方向。

国外在海杂波分布特性研究较早，取得了大量的研究成果，以双参数K分布为典型代表的复合高斯分布族，能够较好的表征海杂波的分布特性，也有大量的学者采用零记忆非线性变换、球不变随机过程和混沌模型等方法进行海杂波仿真用于检测方法和性能分析；不同海杂波背景下目标检测作了大量的试验和算法研究，如文献[4]采用海边试验雷达录取数据的方法分析了杂波下的浮冰检测性能，但在掠海角和杂波分布特性上与中高空平台的检测存在一定差异，用于火控攻击指导价值不高；文献[5]基于混沌的目标检测算法，开拓新的检测方法，提高了一定的检测性能；目前国内吴迪等人提出了单脉冲成像算法在实波束地图中的应用与性能分析，有效改善图像的分辨率，本文将单脉冲算法应用于海面目标跟踪中，分析信杂比改善情况。

2 海杂波分布

海杂波是由大量相同的散射体或散射面的回波矢量累加合成的，在低入射角雷达观测时，杂波包络分布呈现长拖尾和大标准差，不再服从瑞利分布，而是服从复合高斯分布，包括莱斯分布、广义高斯分布、威布尔分布和K分布等，其中K分布能够在多种海况条件下与海杂波的包络吻合良好，K分布模型表示为快变的瑞利分布与慢变的Gamma分布的乘积，K分布的概率密度函数为：

同时存在目标、噪声和海杂波的情况下，对于SwerlingⅠ型或Ⅱ目标，在给定杂波局部均值水平y的条件下，单脉冲回波的联合包络具有莱斯分布的形式：

A2为瑞利分布起伏目标回波包络的均方值，z为目标回波加杂波和噪声的合成包络。

3 单脉冲原理

单脉冲技术是一种成熟的角度测量技术，也称为同时波束比较测角法，通过两个或多个独立的接收支路同时接收目标的回波信号，然后将这些信号的参数加以比较（比幅或比相），从中获得精确的目标角位置信息。替代传统的顺序波瓣法，提高了测角的效率同时也降低因目标起伏带来的测角误差，单脉冲测角是指单个脉冲或者一串脉冲的一次处理计算出目标回波或辐射源信号相对于电轴方向角度偏差，单脉冲雷达系统的和通道与差通道的复信号为：

4 单脉冲法用于海杂波抑制

对海监视和跟踪雷达，通常采用较低重频单脉冲体制雷达，假设机载雷达按照图1所示，平台速度Va，俯仰角为θe，雷达接收信号为S(t),噪声为n(t)，海杂波为C(t)，雷达接收到回波信号为：

图1：雷达探测海面示意图

图2：海面目标跟踪处理流程图

图3：录取海杂波数据

图4：海杂波直方图统计

图5：海杂波K分布拟合

发射信号可表示为：

A'为发射信号幅度，a(t)为对A'的幅度调制，w0为载波频率，θ(t)时关于w0(t)的相位调制，β'为在t=0时刻的初始相位，τ为波形持续时间。

雷达反射信号为：

A为接收信号的幅度，td为目标回波延迟，β为t=td时刻的初始相位。

单脉冲杂波抑制的海面目标跟踪信号检测流程为图2所示。

在海面目标跟踪过程中，录取了全部距离门的距离-方位角误差信息，根据判断每个距离门的差通道角误差信息，如果角误差落在波束宽度外，对应在距离门回波不参与杂波背景噪声统计，可降低杂波和噪声的局部功率电平值，改善目标信杂比。该方法对慢变的调制分量无法实现抑制，对快变的散斑分量和噪声分量可以起到一定的抑制效果。

5 仿真结果及分析

5.1 实测海杂波数据分析

通过某试验雷达录取的对海数据，采用直方图法统计不同信号幅度的海杂波分布情况，与K分布拟合包络吻合良好，其中拟合形状参数γ为0.55，尺度参数b为0.59；图3为实际录取的海杂波数据，录取距离为250km，归一化最大海杂波尖峰的幅度为17.5；图4为海杂波幅度的直方图统计结果。图5为海杂波的K分布拟合结果，拟合结果验证了K分布可有效拟合海杂波。

5.2 单脉冲法杂波抑制仿真结果

在信杂比分别为12dB和20dB的情况下进行仿真分析，假设采用4脉冲非相参积累，按照非相参积累处理后再采用单脉冲抑制处理，与每个脉冲分别作单脉冲抑制处理后再做非相参处理，两种方法进行对比分析，单脉冲处理角误差门限取半波束宽度，超出半波束的杂波或噪声去除，不参与背景电平统计，通过仿真分析，两种不同的处理方法，对信杂比改善情况。

仿真1：多个脉冲非相参积累处理后的平均信杂比为11.76dB的信号，图6为采用非相参处理后的再作单脉冲杂波抑制处理，如图6所示，SCR为12.54dB，改善0.78dB。每个脉冲分别采用单脉冲法抑制杂波和噪声，再进行非相干处理，得到SCR为12.74dB，能够提高0.98dB，对比不作单脉冲杂波抑制能够改善1dB，如图7。

仿真2：当信杂比为20.03dB的目标信号，采用相同的处理方法，图8为先采用多脉冲非相干积累后再作单脉冲杂波和噪声抑制处理，SCR为20.21dB，改善0.18dB。每个脉冲分别采用单脉冲法抑制杂波和噪声抑制，再进行非相干处理，SCR为20.33dB,改善0.31dB，如图9所示。

图6：非相参后抑制处理

图7：非相参前抑制处理

图8：非相参后抑制处理

图9：非相参前抑制处理

因此在采用单脉冲抑制杂波和噪声处理时，在多个脉冲进行非相参积累处理前分别对每个脉冲做单脉冲杂波抑制，然后再作非相参积累处理，信杂比得益要高；在小信杂比和大信杂比不同条件下，小信杂比的处理得益要大于大信杂比。

6 结论语

本文根据机载平台的海杂波的分布特点，将单脉冲方法应用于海面目标跟踪雷达，分析不同信杂比条件下，单脉冲法用于杂波和噪声的抑制，在小信噪比条件下可改善信杂比，有利于提高目标跟踪的稳定性，具有一定的工程指导意义。

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作者单位 南京电子技术研究所 江苏省南京市 210039

魏文宝（1983-），男，安徽省来安县人。硕士学位。现为南京电子技术研究所工程师。研究方向为火控雷达总体技术。

厉旭冉（1983-），男，江苏省灌南县人。学士学位。现为南京电子技术研究所工程师。研究方向为雷达总体与系统集成技术。

贺国君（1979-），男，江苏省扬州市人。学士学位。现为南京电子技术研究所高级工程师。研究方向为机载雷达电讯总体设计。