稳健的机载预警雷达多通道海杂波抑制方法研究

程肇睿

摘要：机载预警雷达探测海上运动目标时，由于雷达平台高速运动状态，造成海杂波多普勒谱严重展宽，影响了目标的探测性能。根据航空预警雷达实测海杂波资料的统计特征，对其抑制方法进行了系统分析。本文通过对不同海杂波环境下各种方法的选择与使用情况的系统分析，为机载预警雷达在海杂波背景下的信号处理提供了依据。

关键词：航空预警雷达;海杂波抑制;波束探测;

一、引言

航空预警机平台较高，能在大范围内进行探测，其具备较强的预警侦察能力，有较高的研究价值。航空预警机采用低视点方式工作，因此，接收的目标回波往往淹没在较强杂波中，鲁棒性杂波抑制是预警机目标探测的关键。航空预警机平台的高速运行状态，使杂波多普勒谱严重扩展，常规脉冲相消技术很难对其进行消杂，本文在此背景下展开研究。

二、海杂波性分析

海洋杂波的统计模型来自海杂波的电磁散射机制，由于海洋环境的复杂性，至今还没有一个很好地解析形式。但是，在雷达设计中，海杂波的性质是非常重要的，这就要求使用与分析测量数据，包括海杂波分类，反向散射系数模型，幅值分布模型，时域相关，频谱特性等。

（一）散射机理

从海杂波的物理机制来看，在低掠角条件下，通常将海杂波归结为Bragg散射、Whitecap散射和Burst散射三种不同特性的成分。Bragg是一种以海浪为后散射波源为主的大、近似对称、中心频率为近零时的多普勒谱。可透过脉间频捷变去相关。波纹散射是波浪在波浪破裂过程中，在波浪及涌浪的作用下，波浪在粗糙海面上产生后向散射，表现为噪声，呈现出宽广多普勒谱，多普勒中心偏移，持续时间通常为1s，又称"长时海尖峰"，并不能利用时脉间频率变换来实现。

（二）统计幅度模式

常规的探测方法大都是基于背景环境的高斯分布假说。对海杂波来说，由于海况的改变，统计分布模式具有非高斯性质，传统检测方法很难保证，所以有必要研究海杂波的幅值分布特征，并据此提出一种新的探测方法。对于海杂波幅值分布模式的分类包括K分布、Log-normal、Weibull、Rayleigh等几个分布。对实际资料的分析表明，在S波段，雷达测速海域的波动幅度分布最接近于Weibull分布模式。在不同距离单元中，根据海杂波动强度差异，统计分布模式都满足了Weibull分布，且其形态参数随着所测量距离的改变而变化。远区回波中同海峡群岛杂波的所占比重相对较小，但存在着大量噪声，Weibull分布更接近于雷利igh分布，回波中的高斯特征显著。近区海杂波变化较大的长距离区域，Weibull倾向于K分布，回波具有强非高斯特征。

（三）相关的时空特征

海杂波也具有时间关联性。时序关系一般是指杂波之间在同一个雷达识别单元上所显示出的时域关联，其空间关联性即杂波之间在不同距离和位置识别单元上的相互关联。杂波所在区域的位置关系，是随着杂波时域映射的起伏变化而产生的。通过距离与方向上的自相关运算，就可以得到在天线方位角上的空间相对特性和空间特征。通过对实际资料的分析，可以看出各距离单元海杂波时序特征基本一致，并且海杂波的时间相关函数有一个迅速的下降周期，随后随时间而变。航空S波段雷达的去相关时间约为13.7毫秒。实测结果表明，杂波空间的相关函数伴随距离单位的改变，其平均去相关量可达数十个距离单元，即具有高度均匀分布性的里海杂波（距离维数）。

二、波束内海杂波抑制

目前的信息测量方式，一般有时域法和频域法二类。时域法因为其杂波性较强，所以更有利于在噪声环境中进行测量，而当杂波内产生信息时，时间域法效果不佳。频率域法具有杂波内可见特性，是杂波信息获取的一个主要手段。杂波控制决策应该从二个主要方面着手，一是在波束中的过滤方法，二是波束内部检测。一般使用的过滤方式有非相参数和相位参数，把所累积信息传给内部检测器。探测方式的设计直接关系到杂波的统计特征。

（一）频率捷变技术

因为海杂波的时域相干性，在波束宽内对目标和杂波进行处理，将产生信杂比弱化。频捷变技术基本原理，是通过使用与杂波去相关时间相对应的变频方式进行海洋杂波的去相关，以降低海洋杂波的能量累积。对于频捷变频器技术的脉间捷变频器和脉组捷变频器，它们的信号形式是非相参量和全相参量。由于其原理简单，且易于工程实现，在目前的雷达系统中，多采用非相参技术来实现频率捷变。由于脉间频变，回波相位的相参性受到影响，因此，对动靶检测（通常采用FFT实现）不能实现相参累积。在相参制雷达系统中实现了脉冲组间频率捷变，利用该技术先解决了相位补偿或采用新的信号处理方法。

（二）相参过程检测

相参处理方法是一种频域法，它主要是运用杂波和目标在多普勒域的差异去除杂波，并获得高可视度，MTI和MTD都是最常见的实现方式。MTI实际上是一种高通滤波器，对其所在的信道进行过滤，进而使用全时域法输出动态目标的检测。MTD也是一种全频域法，它使用多滤光器對目标在全频谱区域内的特征进行测量。用航空雷达探测海面目标时，发射波形通常是低重频率的，而飞机平台的运动会引起多普勒频移，使杂波谱扩展，从而使目标发生在杂波谱主瓣面上。

（三）自适应匹配滤波方法

适应性匹配滤波（AMF）和自适应归一化匹配滤波器（ANMF）方法都是根据了海上杂波中的SIRP模式，在广义似然比检测法的基础上，提供了一个相参处理的目标测量方式。该方案采用自适应滤波技术实现强杂波白化。其等效机理为与抑制多普勒域的强杂波分量和增加更大径向速度目标的回波信号等效。两个最主要的自适应匹配信号滤波探测器（AMF）和自适应归一化处理匹配滤光器（ANMF）。

四、结束语

通过对预警机海杂波特征的分析，论述了机载雷达对海杂波的抑制方法。给出海杂波在这一系统下的统计特征和物理散射组成，阐明了海杂波特征与雷达设计的关系。在此基础上，分析整理了信号处理的方法，以供参考。

参考文献

[1]黄鹏辉，邹子豪，刘兴钊，廖桂生，王志城，陈筠力，刘艳阳.稳健的机载预警雷达多通道海杂波抑制方法研究[J].电子与信息学报，2021，43（09）：2680-2687.

[2]库飞龙.机载预警雷达多帧检测前跟踪技术研究[D].电子科技大学，2020.

[3]陈小龙，张海，孙嘉辰，黄勇.机载预警雷达网络化协同探测模式及性能分析[J].太赫兹科学与电子信息学报，2020，18（02）：215-221.