一种提高MTI/MTD雷达检测概率的方法

任腊梅 刘逸群 成沙辉

(陕西黄河集团有限公司 西安 710043)

0 引言

雷达探测的目标，通常是运动着的物体，但在目标的周围经常存在着建筑物、树木、云雨等各种背景。相较于要探测的目标，这些背景通常反射面积很大，回波很强，目标往往被湮没，检测很困难，在这些强杂波背景中完成目标的检测是雷达系统必需要面对的问题。由于这些背景往往是静止或者慢速的，因此利用它们在速度上的差别，可以完成杂波的抑制。由于不同运动速度引起回波信号的多普勒频移不相等，对信号多普勒频率的区别便是对目标运动速度的区别，动目标显示(MTI)和动目标检测(MTD)通过频率滤波实现对杂波的抑制，是现代雷达中普遍使用的技术[1]。

u′=U0ej[ωd(t-Tr)-φ0]

(1)

两者相减后得相消器的输出为：

Δu=u′-u

=U0ej[ωdt-φ0]·(1-e-jωdTr)

(2)

则滤波器的频率响应特性为：

(3)

如图2所示。

双延迟MTI对消器为两个单延迟对消器的级联，滤波器幅频响应为单延迟对消器的平方。

MTD处理是一种利用多普勒滤波器来抑制各种杂波，以提高雷达在杂波背景下检测运动目标能力的技术。对消器级联FFT的杂波滤波器是MTD的一种基本结构。

FFT处理构成一组在频率轴上相邻且部分重叠的窄带滤波器组，可完成对多普勒频率不同的目标信号的近似匹配滤波。在处理中为了降低滤波器副瓣，在FFT处理前进行加窗处理[3]，加汉明窗、8个通道MTD处理的频率响应如图3所示。

图中，8点FFT形成的8个滤波器均匀分布在(0～fr)的频率区间内，动目标信号由于其多普勒频率的不同可能出现在频率轴上的不同位置，因而可能从0～(N-1)的多普勒滤波器输出。只要目标信号与地杂波从不同的多普勒滤波器输出，目标信号所在滤波器输出的信杂比将得到明显提高。

1 MTI级联MTD滤波器的幅频响应特性

在实际应用中，通常采用MTI级联MTD的方式，MTI级联MTD的滤波器幅频响应如图4所示。

由图4可见，级联后的滤波器在中间通道幅度比较大，而在边缘通道幅度较小，即MTI级联MTD后滤波器不同通道的增益不同。由于滤波器增益的不同，系统噪声通过滤波后在不同通道中幅值不同，即滤波后背景噪声变得不平稳[4]。在雷达目标检测中通常采用快门限结合慢门限的恒虚警检测方法[5]，快门限来自于目标周围的距离单元，而慢门限通常取整个波位各个通道噪声的平均值。当背景噪声不平稳时，算得的慢门限值不能真实反映当前波位噪声幅值，不利于恒虚警检测[6]，尤其对于有多普勒速度模糊的雷达，目标多普勒频率处于滤波器过渡带(比如图4中的通道1、2、7、8)的概率较大，此时由于过渡带内信号有衰减，若采用整个波位的噪声幅值均值作为门限电平值，则目标信号可能会漏检，这在雷达检测中是不希望出现的。为了消除背景噪声的不平稳性，文献[4]提出了基于MTI滤波器幅频响应的背景噪声校正方法，根据某雷达实测数据分析发现，这种方法的校正结果呈现出与MTI滤波器系数倒数正相关的趋势，校正后通道间噪声差异仍比较大。这是因为噪声分布具有一定谱宽，导致MTI对消有剩余，在边缘通道处噪声幅值的校正结果比理论值偏大。本文提出了以对消后剩余噪声为基准的通道增益校正方法，使校正后各通道噪声幅值一致，且可减小由于滤波器特性对过渡带的衰减影响，既可改善慢门限检测的虚警概率，又提高了多普勒频率处于过渡带目标的检测概率。

2 通道增益校正原理

由于慢门限恒虚警检测要求各个通道中的噪声近似一致，则若将各通道信号(含噪声)乘以不同的补偿系数，使补偿后所有通道的噪声幅值相等，则可减小由MTI处理带来的背景噪声不平稳对慢门限检测造成的影响。

设雷达有N个MTD处理通道，每个通道有M个距离单元，则令MTD处理后的数字信号为：

其中，xnm表示MTD处理后信号的第n个通道

的第m个点。对每个通道中的前L个点计算均值得：

其中[N/2]表示向下取整，y[N/2]+1表示中间通道的噪声电平值，yn表示第n个通道的噪声电平值。利用算得的N个归一化系数对各通道中的所有点进行补偿得补偿后信号为：

一方面校正后所有通道的噪声幅值均值近似相等，且该处理不改变通道内原始的信号噪声比值关系，对快门限恒虚警检测无不良影响，可保证不同通道使用相同的检测慢门限时能获得同等的虚警概率。

另一方面该处理可获得稳定的检测概率。假设第1通道信号幅度为A(dB)，噪声幅度为B(dB)，根据MTI滤波器的幅频特性曲线可知，对地杂波的改善因子为IA(dB)，以中间通道噪声幅度归一化，则第1通道的噪声幅度的衰减为IB(dB)，则MTI后补偿前杂噪比为A-IA-(B-IB)。该通道的补偿系数为kdB=IB(dB),补偿后实际输出地杂波幅度为A-IA+IB，噪声幅度为B，即杂噪比仍然为A-IA+IB-B。对地杂波而言改善因子损失为IB(dB)，当IA-IB满足雷达地杂波对消比要求时，该方法对地杂波对消比的损失可忽略不计；而对多普勒频率在过渡带(如第2、7多普勒通道)的运动目标却可补偿滤波器过渡带带来的信号损失，保证该通道检测概率。

3 实测数据处理结果

某雷达采用500μs的探测周期，一个波位内共探测10次，线性调频信号脉宽40μs，带宽5MHz，采样率为20MHz，采样波门宽度为50μs，每个探测周期采样点数为1000。

取某次检飞试验实测数据中某一波位的信号进行分析，图5为脉压结果，此时所有脉冲的噪声幅值一致。做3脉冲两次对消，图6为MTI处理结果，波位内不同脉冲的噪声电平仍保持一致。MTI后的8个脉冲做8点FFT，图7为MTD处理结果，可见此时不同通道的噪声幅值差异较大。图中实线为8个通道的噪声幅值，虚线为所有通道噪声的均值，从图中可见两边通道的噪声小于噪声均值，中间通道的噪声幅值大于均值；若以整个波位的噪声均值作为该波位慢门限检测基准，则当目标处于两边通道时检测概率会降低，而当目标处于中间通道时虚警概率又会增加；这都不利于系统的恒虚警率保证。

取中间的第5通道噪声电平为基准，计算1～8通道噪声对第5通道噪声的归一化系数，用此8个系数对8个通道的信号分别进行补偿。图8为对MTD后数据进行通道增益校正处理的结果，其中实线为信号幅值，虚线为噪声均值，图中所有通道的噪声电平都与噪声均值保持一致。

该雷达采用MTI级联MTD的处理方式，通过通道增益校正保证慢门限检测的恒虚警，同时提高了处于过渡带通道目标的检测概率，经检飞验证该措施不影响雷达地杂波对消效果，运动目标慢门限检测虚警率稳定，检测概率保持恒定，是一种可行且有效的补偿措施。

4 结束语

采用MTI级联MTD处理后，各通道的背景噪声不平稳，破坏了慢门限检测的恒虚警率。以中间通道噪声幅值为基准，计算各通道校正系数，用该系数对各通道信号(含噪声)进行补偿处理，可使所有通道噪声背景一致，保证了慢门限检测时的恒虚警率，且可提高过渡带通道运动目标的检测性能。