海面慢速弱小目标雷达探测技术研究

朱文涛

（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068）

0 前言

海面慢速弱小目标是指速度慢、雷达截面积小、声光电特性不明显的目标，这些目标主要包括海面小型船艇、小型渔船、海面漂浮物以及某些特定任务的军事设备。上述目标由于较易躲过各种侦察手段的监视，故常被用来进行隐蔽侦察、偷渡、贩毒、抢劫、恐怖袭击以及军事打击等任务，而且任务效果是非常明显的，同时造成的损失也是比较严重的。2008年，恐怖分子乘着一艘小艇对印度孟买进行了恐怖袭击，造成了 195人死亡的严重后果；近年来，索马里海盗利用小艇多次成功劫持了国际航道的商船，造成人员伤亡和严重的经济损失。随着中国“海上丝绸之路”的不断推进，运行在国际航道的商船将更加频繁，对应的海面慢速弱小目标的探测需求就显得越来越迫切。因此，海面慢速弱小目标的远距离预警可以为海岸防御或海面舰船争取充分的准备和应对时间，而雷达作为一种远距离、全天时、全天候的探测手段，是实现海面低慢小目标探测的一种比较理想的手段。

国内外针对海面慢速弱小目标雷达探测已经开展了大量的工作，并取得了一定的成果。典型的代表主要包括：德国SPEXER-2000雷达，英国的Blighter C422雷达和以色列EL/M-2112系列雷达等，如图1所示。

德国SPEXER-2000雷达是X波段脉冲多普勒雷达，是全球首次使用有源电子扫描技术的安防雷达，可同时完成多项任务。该雷达对RCS为1m2的橡皮艇类目标的探测距离可达20km，而且可以检测、跟踪和自动识别RCS较小、速度很低的海面目标，特别是可以实现RCS为0.1m2的游泳者目标的连续探测和跟踪，其原因在于具有高多普勒分辨率；英国Blighter C422雷达是Ku波段、电子扫描（PESA）、调频连续波（FMCW）多普勒雷达，采用模块化、非旋转、完全固态化设计思想。该雷达对RCS为1m2的橡皮艇类目标的探测距离可达11km，而且该雷达使用了独特的海杂波滤波器，可以探测海面慢速甚至静止小目标；以色列EL/M-2112系列雷达是X波段高分辨FMCW雷达，该雷达采用同时多波束技术，在大范围区域提供了持续监视和瞬时目标跟踪能力，能快速检测、监视和跟踪在感兴趣区域的所有地面运动目标和所有海面目标（运动和静止），对RCS为1m2的橡皮艇类目标的探测距离为5km，该雷达的优点是对观测区域的连续覆盖。

由此可知，国外雷达可在3级海况下实现对RCS为1m2的橡皮艇类目标的探测与跟踪，甚至可以实现更小目标的检测和跟踪。而国内在慢速弱小目标探测方面由于多方面原因，主要侧重于算法的研究，鲜有典型的装备。因此，本文结合目标探测需求和实际应用，在梳理海面慢速弱小目标的目标特性、探测挑战、国内外技术思路的基础上，给出了慢速弱小目标探测应解决的关键点，并提出了一种海面慢速弱小目标探测的系统架构。

1 海面慢速弱小目标雷达探测的挑战

海面慢速弱小目标具有速度低、雷达截面积小、背景环境复杂等特点，这些特点给雷达探测带来了以下挑战:

1.1 强海杂波干扰

海面慢速弱小目标由于速度低、雷达截面积小，很容易淹没在强海杂波中，具体表现在目标的雷达回波弱于海杂波回波，海杂波在短时间内具有较强的相关性，而且目标的多普勒频率范围与海杂波多普勒频率范围混叠，这就使得传统的基于能量检测和基于多普勒域检测（如MTI/MTD）方法失效。此外，波束的扫描方式也会影响目标在杂波中的检测结果，现有对海搜索雷达大多采用机械旋转的方式实现360o方位的覆盖，这种方式对于大型、速度高的目标检测没有太大的影响，但是当用于检测慢速弱小目标时，波束的旋转会导致海杂波频谱的展宽，这就使得原本可在多普勒频率区分的目标和海杂波混叠，导致后续的检测性能下降甚至失效，如图2所示。

1.2 强目标干扰

强目标干扰是海面慢速弱小目标探测不可忽视的一个重要问题，特别是在复杂的海面环境，如码头、基地、一些重要设施，这些场所强、弱目标出现在雷达视线的概率非常大。强目标对海面慢速弱小目标的干扰主要体现在方位干扰和距离干扰。方位干扰主要指强目标回波通过天线的副瓣进入接收机，而强、弱目标的强度比有可能远大于天线的主副瓣比，此时，雷达接收机即使检测到目标存在，其结果也是强目标；距离干扰主要指强、弱目标同时进入雷达主波束内，而当前雷达一般使用脉冲压缩信号，这就导致回波信号经过匹配滤波后产生距离旁瓣，如果强弱目标强度比远小于匹配滤波后的主旁瓣比时，雷达无法判断雷达旁瓣处的峰值是否有弱小目标。

1.3 系统设计问题

在实际应用中，海面慢速弱小目标雷达探测不仅需要考虑上述技术难题，还需要考虑电磁兼容、雷达部署、成本等问题。电磁兼容主要包括两个方面，一是尽量避免受其他雷达探测装备的影响，如果选择的雷达频段与其他雷达装备混叠，那么雷达就有可能接收到其他雷达的目标回波，会对慢速弱小目标的探测产生影响；二是尽量避免影响其他装备，特别是应对威胁性更大目标的雷达装备。此外，应用场合的不同对雷达装备的部署要求不同，这就对雷达的设计提出了不同的要求。例如在某些特定场合下，分配给慢速弱小探测雷达的资源是有限的，这就对雷达的设计提出了更高的要求，比如体积小、重量轻、价格低等需求。

2 国内外技术研究思路

海面慢速弱小探测技术主要面临强海杂波干扰、强目标干扰与电磁兼容的问题。电磁兼容可以从系统顶层角度统筹解决，故海面慢速弱小目标探测技术主要面临强杂波干扰和强目标干扰的问题[1-3]。针对这两个问题，国内外主要从以下几个方面开展研究：

2.1 提高距离和方位分辨率

影响慢速弱小目标探测的一个重要因素是信杂比太低。如果尽可能提高信杂比，则有利于目标的探测。由于海杂波回波也是雷达发射信号经发射后的回波，那么提高发射功率对信杂比的提升几乎没有帮助，因此，尽可能减小分辨单元的面积是提高信杂比的有效途径。减小分辨单元面积的途径是提高雷达的距离分辨率和方位分辨率。美国AN/APS-116反潜雷达就是利用高分辨单元实现了露出时间有限的潜望镜目标的探测，其瞬时带宽为500 MHz。需要说明的是，分辨单元也不是越小越好，其划分标准最好要根据探测目标的大小来确定。一旦分辨单元远小于探测目标的大小，雷达探测性能就会适得其反。

2.2 增加目标观测时间

慢速弱小目标由于速度低，很容易混淆在海杂波的较宽多普勒带宽内。目前搜索雷达多数采用波束扫描（机械或电扫），每次驻留时间较短，对应的多普勒分辨就越低。增加观测时间不仅可以增加能量积累的时间，而且可以提高多普勒分辨率。多普勒分辨率的提高有利于将目标与海杂波区分出来，其前提是目标的多普勒频率没有混叠在海杂波多普勒内，德国SPEXER-2000雷达就是利用高多普勒分辨率实现游泳者的检测与跟踪。当目标的多普勒频率混叠在海杂波较宽的多普勒带宽内时，提高多普勒分辨率的方法无效，需要通过其他技术将目标提取出来，例如利用分形特征将目标与杂波进行分离。利用特征差异的角度是实现慢速弱小目标比较有效的途径，该方法的前提是需要较长的观测时间。

需要说明的是，对于以波束扫描方式的探测雷达来说，增加目标的观测时间就意味着波束的扫描速度变慢，导致一些目标的漏检。泛探体制雷达和MIMO体制雷达为解决这个矛盾提供了一条切实可行的思路。以色列EL/M-2112（V5）雷达就是利用宽发窄收技术实现大范围同时覆盖。

2.3 提高收发和信号处理自由度

海面慢速弱小目标不仅要面临强海杂波的干扰，还要面临强目标的干扰。强目标干扰主要包括方位旁瓣干扰和距离旁瓣干扰[4]。对于方位旁瓣干扰来说，超低旁瓣天线是一条解决途径，然而，对于强弱相差比较悬殊的情况，超低旁瓣天线设计本身的难度已超过抑制强干扰的难度。阵列雷达可以通过调整每个阵元的权系数灵活地设置零陷，从而实现方位旁瓣的抑制。因此，提高雷达的空间滤波自由度有利于实现方位旁瓣的抑制。

距离旁瓣抑制主要从两个方面展开；第一方面，高功率的超窄脉冲设计的发射。由2.1节可知，大带宽信号有利于慢速弱小目标的探测。大带宽信号可以是脉冲信号，也可以是调制信号。当信号为脉冲信号时，信号的脉宽时带宽的倒数，那么，信号的脉宽非常小，对应的峰值功率非常高。此时，距离旁瓣抑制问题就是高功率窄脉冲设计和发射的问题；第二方面，波形设计。大带宽信号也可以通过对较宽脉冲进行调制实现，例如线性调频信号。而调制信号的缺点是匹配滤波后存在距离旁瓣。因此，可以通过发射波形的设计尽可能降低距离旁瓣。发射波形设计可以理解为发射波形设计、自适应匹配滤波以及联合发射波形设计和自适应匹配滤波。

2.4 采用先进的处理算法

2.1 节-2.3节为慢速弱小目标的检测提供较为理想的条件，而决定目标最终是否能被检测的是能量积累方法和目标跟踪方法。目标常用的能量积累方法主要包括检测前跟踪方法和长时间相参积累方法。检测前跟踪方法可以利用海杂波去相关时间为毫秒级的特点进行目标的检测，美国的AN/APS-116雷达就是采用检测前跟踪方法实现能量积累，进而实现目标的检测。然而检测前跟踪方法是一种非相参积累方法，这种方法具有信噪比门限效应，即当信噪比小到一定程度时，该方法没有积累增益。长时间相参积累方法则需要解决目标的非规则运动导致的相位变化问题。此外，强海杂波、强目标、以及目标本身状态的变化会引起虚警率的起伏，这就需要先进的稳定跟踪方法，例如随机有限集[5]。

3 慢速弱小目标探测需解决的关键点

复杂环境下的海面低慢小目标雷达探测面临诸多问题，单从雷达系统的某一个环节试图解决所有问题是非常困难的，甚至是无法实现的。结合第2节和第3节分析，本文给出了慢速弱小目标探测应解决以下几个关键点，具体描述如下：

3.1 雷达波束实现宽发窄收

雷达波束宽发窄收可以实现大范围海域的同时覆盖，该方式可以增加了目标的观测时间，有利于慢速弱小目标的探测。

3.2 雷达波束实现高度自适应

雷达波束自适应能力可以根据海面环境自适应调整雷达波束形成，进而对干扰方向进行有效抑制。海面慢速弱小目标容易受到强目标的方位干扰，尽可能提高波束的自适应能力不仅可以在干扰方向形成较深零陷，而且可以减小雷达天线超低副瓣的设计要求。

3.3 雷达实现波形灵活发射

雷达波形的灵活发射包括两个方面。第一方面是雷达具备灵活发射波形的能力。海面慢速弱小目标容易受到环境变化的影响，这就需要雷达对回波进行分析和处理后，将获得的目标和环境信息再反馈给发射机，利用该信息或其他先验知识进行波形设计，从而发射与当前目标和环境相匹配的最优雷达波形，提高雷达系统的检测、跟踪和识别性能。因此，能够实现雷达波形的灵活发射有利于在复杂环境下海面慢速弱小目标的探测；第二方面是低距离旁瓣设计。传统波形和匹配滤波器的输出会产生较高的距离旁瓣，导致强目标旁瓣遮蔽弱目标或多路径干扰，严重影响弱小目标检测。目前，低距离旁瓣设计主要从波形设计、自适应滤波器设计以及波形与滤波器联合设计三个角度展开研究。波形设计方法可以对指定距离单元进行优化设计从而达到低距离旁瓣[3]。另外，文献[6]将通信中的CP-OFDM信号引入雷达波形设计中，在理想情况下，CP-OFDM雷达信号不存在距离旁瓣，如图 3（a）所示，然而该波形存在非恒模问题，并且信噪比和信杂比的影响仍需进一步验证；文献[7]和文献[8]基于最小均方误差准则和输出最大信噪比准则进行自适应匹配滤波器设计，极大削弱了距离旁瓣，如图 3（b）所示；波形与滤波器联合设计，结合对环境的认知，对发射波形、接收滤波器联合优化，实现更好的距离旁瓣抑制效果[9]。上述三种方法为慢速弱小目标在强干扰环境下的探测提供思路。

3.4 雷达回波需精细化处理

海面慢速弱小目标回波强度弱、运行速度低，提高距离分辨率、速度分辨率和角度分辨率有利于目标的探测。距离分辨率的提高意味着信号带宽的提高，这就会带来海杂波非平稳的问题，导致常规多普勒滤波器性能下降；如果目标的多普勒与海杂波多普勒重叠，那么基于多普勒滤波的目标提取思路就行不通。这些问题都需要信号处理系统对雷达回波进行更加精细的处理。文献[10]针对海杂波的非平稳性提出了自适应匹配滤波器类的检测器，该类检测器可以较好地解决目标与海杂波在多普勒可分的检测问题；针对目标与海杂波在多普勒不可分的情况，文献[11]从特征差异的角度完成了目标的检测，该文献中，基于特征差异的小目标检测方法需要较长的观测时间。其实，这种思路与经验丰富的雷达观察员行为比较相似，经验丰富的雷达观察员可以通过雷达视频信号凭直觉判断出某些距离单元的异常，其依据就是长时间的观测经验，因而该思路可以定义为一种简单的人工智能。因此可见，慢速弱小目标的有效探测需要对雷达回波进行精细化处理。

3.5 雷达设计需以客户需求为中心

大多数雷达设计的最终目的是给用户提供满足要求的装备，因此，雷达设计需以客户需求为中心，在雷达设计和研制过程中，需充分了解客户需求，例如雷达重量、体积、功耗、成本等，针对客户需求开展雷达系统设计。

4 雷达探测系统架构设计

结合上述分析，本文给出了一种海面慢速弱小目标探测的系统架构，其架构可描述为：雷达系统主要分为天线分系统和信息处理分系统。天线分系统采用单发多收体制，发射环节具有实时、灵活发射波形的能力，接收环节采用数字阵列天线。该设计方式可实现波束宽发窄收，从而实现对大范围海域的同时凝视观测，并且具备自适应波束形成的能力；在信息处理环节，利用采集的回波信号和较高门限确定是否有强目标，如果有强目标存在，则利用自适应波束形成技术抑制强目标；抑制后的信号交由信号处理环节和数据处理环节完成目标的检测与跟踪。设计的雷达架构能较好地应对不同状态的海面低慢小目标探测，并且具有重量轻、体积小、成本低的特点。

整个雷达系统涉及的关键技术主要包括：自适应匹配滤波技术主要解决高分辨下的海杂波具有空时非平稳性问题；特征差异提取技术主要解决静止目标探测问题；波形设计技术主要解决距离旁瓣抑制问题；自适应空间滤波主要解决空间旁瓣抑制问题；多目标稳定跟踪技术主要解决虚警起伏时的目标稳定跟踪问题。

5 结束语

海面慢速弱小目标雷达探测是一个比较棘手的难题，需要从雷达整个系统出发，统筹雷达多个环节进行联合设计。本文结合目标特性、海杂波特性和实际应用，提出了一种海面慢速弱小目标探测的解决方案。