雷达杂波处理及其实现

张绘

摘 要： 杂波的处理能力将直接关系到雷达对目标的识别与跟踪效果，因而一直成为国内外学者共同关注的问题。当前，基于杂波统计特征的参数化处理方法常无法对处于强杂波环境内的弱小目标进行有效探测，也无法对具有不同分布特征的杂波进行高效处理。而非参数化的处理没有充分利用扰动的先验信息，因此尽管自适应能力很强，但针对性不强。研究更加高效的雷达杂波预处理技术，并在此基础上提出了一种新的方法。

关键词： 雷达杂波处理 目标探测 杂波特征 CFAR检测

中图分类号： TN957.51文献标识码： A文章编号： 1679-3567（2024）03-0032-03

Radar Clutter Processing and Its Realization

ZHANG Hui

Nanjing Changjiang Electronics Information Industry Group Co.， Ltd.， Nanjing， Jiangsu Province， 210038 China

Absrtact： The ability of clutter processing will be directly related to the target recognition and tracking effect of radars， so it has always been a common concern of scholars at home and abroad. At present， the parameterized processing method based on the statistical characteristics of clutter can not effectively detect small and weak targets in the strong clutter environment， nor can it efficiently process clutter with different distribution characteristics. The nonparameterized processing method does not make full use of the prior information of disturbance， so it has very strong adaptive ability but poor pertinence. Therefore， a more efficient method of radar clutter preprocessing is studied， and a new method is proposed.

Key Words： Radar clutter processing； Target detection； Clutter characteristics； CFAR detection

1 雷达杂波的概念与来源

1.1 雷达杂波的定义与特征

雷达杂波是指在雷达系统中接收到的非目标反射的信号，是来自各种其他源头的杂乱信号。这些杂波可能来自大气、地形、建筑物、海洋等各种环境因素，其特征包括频率多样性、强度不规律以及会对雷达系统性能造成干扰。有效处理雷达杂波是提高雷达系统性能和目标检测准确性的关键挑战之一。

1.2 雷达杂波的主要来源

雷达杂波的主要来源包括大气、地面、海洋、降水等环境因素，雷达系统本身也产生内部杂波。大气中的气象现象如雨、雪、雾等会引起气象杂波，地面和海洋的反射、散射也产生地物杂波，而雷达系统内部的元器件、电子器件等可能产生内部杂波。这些不同来源的杂波共同影响着雷达系统的性能，因此需要采取有效的处理方法来降低杂波对目标探测的影响。

2 雷达杂波处理方法

2.1 常见的雷达杂波处理技术

雷达杂波处理是一项关键的雷达信号处理任务，旨在有效降低杂波对目标检测的影响，提高雷达系统的性能。常见的雷达杂波处理技术如下。

2.1.1 滤波技术

使用滤波器对雷达接收到的信号进行滤波处理，去除不需要的频率成分，提高信号与杂波的信噪比。常见的滤波器包括低通滤波器、带通滤波器等。

2.1.2 脉冲压缩技术

脉冲压缩是一种通过调制雷达脉冲信号的时域或频域来提高分辨率的方法。通过脉冲压缩，可以有效降低杂波的影响，提高雷达系统对小目标的探测性能。

2.1.3 MTI技术

动目标显示（Moving Target Indication，MTI）技术通过利用目标运动产生的多普勒频移来区分目标和杂波。这种技术主要用于抑制静止目标或地物表面的回波，从而提高对运动目标的检测性能。

2.1.4 脉冲消除技术

脉冲消除技术通过选择性的去除雷达回波中的一些脉冲，减小杂波对雷达的影响。常见的脉冲消除技术包括动目标检测（Moving Target Detector，MTD）和恒虚警率（Constant False Alarm Rate，CFAR）。

2.1.5 抗干扰技术

针对不同来源的干扰，采用抗干扰技术对雷达信号进行处理。例如：抗电子对抗技术可用于对抗敌方电子干扰，提高雷达系统的抗干扰能力。

2.1.6 多波束技术

利用多个接收波束接收雷达信号，通过合理组合波束输出，可以抑制一些特定方向上的杂波，提高雷达系统的方向分辨能力。

这些雷达杂波处理技术的综合应用可以显著提高雷达系统在复杂环境中的性能，使其更适用于不同的应用场景，包括军事、民用、气象等领域。

2.2 滤波器设计与优化

雷达杂波滤波器的设计与优化是关键的雷达信号处理任务，旨在有效降低杂波对目标检测的影响，提高雷达系统的性能。

一种常见的滤波器类型是自适应滤波器，它能够根据实时接收到的雷达信号自动调整滤波器的参数，以适应不同的环境条件。自适应滤波器通常采用最小均方（LMS）算法或最小均方差（LMMSE）算法进行参数更新，以实现对动态环境变化的适应性。在滤波器的优化方面，重点是平衡杂波抑制和目标信号保留的需求。为了提高抗干扰性能，可以采用多通道滤波器结构，通过合理的通道加权和信号组合来实现对不同方向上杂波的抑制。此外，采用时域和频域相结合的方法，如脉冲压缩技术，可以在提高分辨率的同时有效地抑制杂波。

2.3 脉冲压缩与相关处理

在雷达系统中，脉冲压缩的关键在于利用雷达发射脉冲的知识对接收到的信号进行相关运算。通过将接收到的信号与已知的脉冲序列进行相关运算，可以使目标的回波在时间上变得更加集中，有效地减小脉冲宽度。这种压缩效应使雷达系统能够更精确地测量目标的距离，并在一定程度上提高抗杂波性能。脉冲压缩技术常常与相关处理相结合，利用相关性质对信号进行加权和累积，进一步增强目标信号，同时抑制杂波。相关处理通过对信号的时域或频域进行相关运算，提高目标信号的信噪比，从而增强对目标的探测能力。

3 基于杂波跟踪的CFAR检测研究

CFAR处理就是一种通过数字信号处理来确定探测门限的算法。CFAR系统的主要任务就是给出一个能抵抗噪声、背景杂波以及各种干扰因素的探测门限，从而保证对目标进行一定的虚警检测。在雷达探测区域，建立专用信道，利用杂波电平数据，追踪杂波特性，为 CFAR处理提供有效的信息本底[1-3]。

3.1 均匀高斯环境下的雷达CFAR检测

在均匀高斯环境下，海上雷达的CFAR检测是一项关键的技术，用于在复杂的背景杂波中准确地探测目标[4-5]。通过统计均匀高斯分布的特性，CFAR算法能够在维持恒定虚警率的同时，提高对低信噪比目标的探测性能。该算法首先对周围环境进行建模，计算局部背景统计量，并基于这些统计量确定检测阈值。这种方式使海上雷达能够有效地应对不同海况和天气条件下的复杂背景，从而在海域监测中发挥关键作用，确保对潜在威胁的及时探测。

3.2 非高斯杂波环境下的雷达CFAR检测

在非高斯杂波环境下，海上雷达的CFAR检测面临着更为复杂的挑战，因为非高斯性质的杂波可能包含各种非线性和非均匀分布的特征。在这种情况下，CFAR算法需要更灵活的处理方式，以适应不同统计特性的杂波。该算法可能采用自适应的背景模型，考虑到非高斯分布的情况，以更准确地估计局部背景统计量。通过结合多尺度分析和复杂场景建模，海上雷达CFAR检测在非高斯杂波环境下能够提高目标探测的可靠性和鲁棒性。

3.3 非均匀环境下的雷达 CFAR 检测

在非均匀环境下，海上雷达的CFAR检测面临着特殊的挑战，因为背景杂波可能呈现不同的分布特征和空间变化。CFAR算法在这种情境下需要更灵活的适应性，以确保对目标的高效探测。非均匀环境下可能存在地形、海况、气象等多样性因素，导致背景杂波的非均匀性。因此，CFAR算法可能采用动态的背景建模技术，以适应不同区域的变化。通过结合多尺度分析和先进的背景估计方法，海上雷达CFAR检测在非均匀环境下能够提高对目标的灵敏度和准确性，从而确保对复杂场景中目标的可靠监测。

4 雷达杂波抑制处理算法在FPGA中的实现研究

4.1 FPGA的基本原理和实验平台的简介

4.1.1 FPGA的基本原理

现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Ar？ ray，FPGA）是一种可编程逻辑器件，其基本原理是利用可编程的逻辑资源（如Look-Up Tables，Flip-Flops）和可编程的互连网络，使用户能够通过配置位流（Bit？ stream）来实现特定的数字电路功能。与专用集成电路（Application-Specific Integrated Circuit，ASIC）不同，FPGA具有灵活性和可重新配置性，使其适用于多种应用领域。FPGA通常包含可编程逻辑单元、存储元件以及全局和局部互连网络[6]。

4.1.2 FPGA实验平台的简介

FPGA实验通常基于专用的FPGA开发板或开发套件，提供了一个硬件平台和相应的开发工具。这些实验平台通常包括以下要素。

（1）FPGA芯片：开发板上搭载了一款特定型号的FPGA芯片，如Xilinx的Artix、Kintex，或Altera（现在归属Intel）的Cyclone、Stratix等系列。

（2）外设接口：开发板通常配备了各种外设接口，如GPIO、USB、Ethernet等，以便与外部设备进行通信。

（3）时钟和时序资源：FPGA实验需要精确的时钟和时序管理，因此开发板通常提供了时钟源和相应的时序分析工具。

（4）开发工具：FPGA厂商提供了专门的开发工具套件，如Xilinx Vivado、Intel Quartus Prime等，用于设计、综合、实现和调试FPGA的电路。

（5）编程接口：通常有多种编程方式，如使用硬件描述语言（HDL）如Verilog或VHDL，或者使用高级编程语言（如C、C++）和OpenCL。

（6）调试接口：提供调试接口以便开发者进行硬件调试，可能包括逻辑分析仪或串行/并行通信接口。

FPGA的实验平台为学者和工程师提供了一个灵活、可配置的硬件平台，用于实验和开发各种数字电路和信号处理应用。

4.2 雷达杂波处理器的总体设计

雷达杂波处理器的总体设计旨在有效抑制雷达接收信号中的杂波干扰，提高目标检测性能。该处理器通常包括前端模块、中频处理模块和后端数字信号处理模块。前端模块负责接收和放大雷达回波信号，并通过滤波器降低噪声干扰。中频处理模块执行混频和滤波等操作，将信号转换为中频信号，同时采用自适应滤波算法以动态调整滤波器参数，适应不同杂波环境。后端数字信号处理模块利用数字信号处理技术，如小波变换或自适应滤波算法，对中频信号进行进一步处理，以提取目标信号并抑制杂波。整体设计注重性能优化、实时性和可配置性，以适应不同雷达系统的需求，并有效提高雷达系统在复杂杂波环境下的目标检测准确性。

5 结语

在雷达系统设计和应用中，合理选择和优化杂波处理技术对于提高雷达性能至关重要。通过对雷达杂波的深入理解和灵活应用，可以更好地适应不同环境下的雷达任务需求，实现对目标的高效探测和跟踪。

参考文献

[1]付苗苗，刘娜.激光雷达信号检测系统的最佳匹配滤波方法[J].激光杂志，2023，44（10）：194-199.

[2]李朋，王祥丽，史毅仁.水域雷达的软件化杂波处理[J].科学与信息化，2023（4）：38-40，44.

[3]邓杏松，徐文君，赵荣琦.低信噪比下相位编码信号识别技术[J].舰船电子对抗，2023，46（4）：84-88.

[4]王海英，张群英，成文海，等.LPI雷达信号调制识别及参数估计研究进展[J/OL].系统工程与电子技术： 1-23[2024-02-19]. http：//kns. cnki. net/kcms/detail/ 11.2422.TN.20230807.1523.004.html.

[5]熊美英，陈静.一种相控阵雷达数据处理中的杂波抑制方法[J].舰船电子对抗，2013，36（5）：39-42.

[6]魏保龙，吕淙.深度学习理论的高光谱激光雷达弱信号检测[J].激光杂志，2023，44（4）：212-217.