低空探测雷达海面杂波处理技术

杨晓东

摘要：本丈介绍了海杂波的信号特征分布、海岸线等陆海交界影响、海岸地表影响等特性。根据海杂波的特点，提出了杂波图处理、静点处理等杂波抑制方法，设计了扫描间相关、点迹评估等海杂波数据处理算法，实验验证了有效性。

【关键词】海杂波 杂波图 点迹评估

1 引言

海杂波干扰严重影响低空探测雷达的性能，低空探测雷达在对空警戒模式下，由于空中目标（飞机）的速度与杂波之问的速度差比较大，雷达通过多普勒处理就能从杂波中提取出目标，但是对于海而目标，由于它的运动速度与海杂波的速度接近，从杂波中提取目标信号比较困难。低空探测雷达一般在S波段内的杂波情况比较严重，随着雷达频率升高，杂波影响越严重，杂波与风速、海情、环境等相关，还随着海而气候变化、季节变化而不同，在低空探测雷达设计中，必须充分考虑到各种因素。

杂波干扰强会造成雷达自动录取和自动跟踪的困难，甚至会引起系统处理能力的饱和，降低雷达系统性能。本文就减少海杂波对低空雷达探测目标的影响，分析了海杂波特征，进行杂波图技术、低速或固定杂波剔除技术等技术研究，提出扫描问相关处理算法、点迹评估算法等数据处理方法，通过实验数据验证了这些方法的有效性。

2 杂波特征分析

2.1 海杂波分布

海杂波的特性取决于海而形状，雷达回波是从尺寸大小（粗糙度）可以与雷达波长相比拟的海上部分得到的。而海的粗糙度受风的影响，海杂波同时也取决于雷达天线波束相对于风向的指向。此外，海杂波还受水表而张力变化的影响，水相对于空气的温度通常也可能对海杂波造成影响。

多年来，已经提出许多理论模型来解释海杂波。过去对海杂波的解释是基于两种不同的方法。一种是假设杂波是由海平而或接近海平而的散射特性引起的，另一种方法是将散射场当作一个边值问题推导出来。这时海表而用某种统计过程描述最初的一种尝试是假设可以用高斯概率密度函数来描述表而扰动。但是，根据高斯曲而计算海散射得到的结果似乎是合理的，但仔细检查会发现并不与实验数据相吻合。由于杂波回波的高可变性，杂波回波通常用概率密度函数来描述。

如果雷达照射的杂波表而区域内，有大量随机散布的独立的散射体，并且没有一个比其他散射体大许多的独立散射体。则接收机输出端杂波电压包络的概率密度函数为：

瑞利分布杂波模型通常在雷达分辨单元很大，包含许多散射体，并且没有一个比其他散射体大许多的独立散射体的情况，适用于表征相对均匀的杂波。然而，当分辨单元尺寸和掠射角都很小时，它并不是杂波的一个很好的表征。此时，对数.正态分布是一个比较好的模型。当接收机为平方律检波器时，回波功率的对数正态概率密度函数为：

2.2 海岸线的影响

在海陆交界处白天光照条件下，由于陆地和海水比热的不同，二者的升温速度不一。陆地升温速度快，而海水升温速度慢，这样陆地的温度T₁大于海水温度T₂，结果陆地空气受热上升的程度大大超过海而空气受热上升的程度，而使海陆交界处形成一个真空泵，这个真空泵迫使海而的空气向陆地方向流动，而海而上空的空气又补充过来，从而形成对流（富含水蒸气的对流）。在天气晴朗且无多大风的情况下，这个对流会不断进行下去。

而在夜问，情况正好相反。由于海水降温速度慢，陆地降温速度快，陆地温度T₁小于海水温度T₂。近海空气在海水余温的加热下上升，而陆地上空的空气则补充过来，也形成了对流，只要海水温度与陆地温度有差别，這个对流也会一直进行下去，这个对流也富含水蒸气。

一个旋转的富含水汽的气团本质就是一团旋转的云，当雷达波遇到这样的气团，其雷达回波会大大增强，且这种不停对流的气团会产生不小的多普勒频移，雷达MTI方式是无法对消的。这可能就是海岸线天气晴朗，反而仙波比较密集且不分昼夜的原因之一。

2.3 地表环境影响

海岸线有一个特殊的地表环境，海浪会不停的涌上海岸然后又迅速的退去，如此不停的反复。当雷达的低波位电磁波照在这片区域时，其雷达回波时而是沙滩的反射，时而是海浪的反射。在接收端，由于沙滩和海浪对雷达波形的调制不同，导致不同的脉冲在幅度、相位上起伏较大，甚至会引起多普勒频移，这也可能是海岸线上空杂波较多的原因之一。

3 杂波图技术

由于海杂波的形成原因很多，在经过雷达信号处理检测后，大量的虚假目标会出现。为了降低运动杂波的虚警概率，采用扩展杂波图方法进行抑制，进行二次检测。该方法采用的杂波图单元划分如图1所示（示意图），包括杂波图单元和扩展单元。杂波图单元划分方法为等扇区杂波图方法，即杂波图单元是由若干个距离分辨单元和若干个方位分辨单元形成的扇区构成。这种杂波图单元划分方法的优点是实现简单，易于工程实现；缺点是在远距离杂波图单元的切线方向距离过长，容易造成切向目标损失，并且跨杂波图单元的运动杂波容易被检出，虚警率较高。

可以利用杂波图的划分方法，将雷达的作用范围划分成小的区域，并对回波点迹落入不同区域的情况进行统计。再设置一个门限，当统计积累值超过该门限时，认为这里的回波点是静止不动的，在回波检测时，不输出，也将其从缓存区中去掉。这种方法有利于那些慢动的杂波点。

4 海杂波过滤

4.1 扫描间相关

海杂波的时问相关性与多普勒频谱成反比。杂波的去相关时问通常为归一化的自相关函数的时问。海杂波长时问的弱相关性主要是由尖头海浪引起的，不能靠脉间处理有效清除。利用目标的相关时间比较长，通过扫描间相关处理能有效去除由尖头海浪引起的海杂波干扰。低空探测雷达由于作用距离远，回波数据量大，所以在设计实现扫描间相关处理时需要有较大的存储空间，合理的数据存储结构。

4.2 点迹质量评估

点迹质量评估是点迹质量综合管理的点迹预处理技术，它采用一种点迹质量评估的方法，主要对雷达探测形成的点迹，从空间特征、运动特征、信号幅度特征等多方面特征进行评估计算，最后形成点迹的综合质量评估图。

根据不同的海面环境情况，结合雷达实际工作参数情况，采用加权处理的方法得出点迹质量分值，根据分值的大小设置抑制杂波门限，一般情况下，杂波的分值低，目标的分值高。杂波抑制门限系数的选取原则，可以结合雷达探测量程考虑，采用分级处理。相对低空探测雷达对海工作而言，雷达架高通常比较高，为了更好探测海面目标，波束指向向下照射倾角较大，所以探测距离越近，杂波影响越大。

5 数据验证

利用实际的海杂波数据，按照上述的杂波图处理技术和海杂波过滤方法，通过程序设计，对多帧数据分析处理后的结果如图2、图3所示。从图中对比可以看出，处理后的结果海杂波大大减少。

6 结语

本文针低空探测雷达强海杂波的一些特点，提出了扩展杂波图等一些过滤方法和海杂波数据处理技术等，利用这些方法，可以减少海杂波对雷达目标跟踪的影响，提高雷达的性能。但是，海杂波的形成原因很多，完全解决对雷达的影响，需要继续更多的研究分析。

参考文献

[1]LamontV.Blakeradarrange-performanceanalysis[M].LeXingtonBooks，1980.

[2]王军，林强，米慈中译MerrillIS.雷达手册[M]，北京：电子工业出版社，2003.

[3]雷旺敏，张彪，岸基雷达的抗海杂波措施[J].现代雷达，2006，28 （05）： 5-7、1 9.

[4]李宗武.直升机机载雷达抗海杂波技术研究[J].现代雷达，2002，20（01）：10-14.endprint