雷达海杂波性能分析及消除方法

雷达海杂波性能分析及消除方法
摘要：文章根据舰载雷达海杂波影响情况及相关资料，对海杂波时域特性、频域特性、空域特性进行了分析。

在分析的基础上给出了处理办法，并给出仿真结果。

海杂波在时域上相关时间有限；海杂波在频域上类似高斯型。

可以通过估计其参数进行自适应处理，在频域、空域及时域进行滤除，达到目标检测的目的。

仿真结果表明，该种处理可达到滤除杂波的要求。

关键词：海杂波；时域特性；频域特性；自适应；目标检测
中图分类号：tp3 文献标识码：a 文章编号：1009-3044（2013）05-1177-02
1 概述
舰载雷达执行任务时，经常面临海杂波的影响，造成目标检测能力下降。

海杂波处理困难是因为海杂波具有变化无规律，性质难把握的特点。

首先，海杂波与海域，气象及季节等均有关系。

在杂波不出现时，画面较为干净，而杂波出现时，则会严重干扰目标检测，甚至看不到目标。

因此，对海杂波进行深入研究并采取针对的有效措施是提高舰载与岸基雷达作战效能的一项紧迫任务。

解决舰载雷达的抗海杂波能力应从杂波特性分析入手进行处理。

2 海杂波特性分析
根据相关资料及实测数据，海杂波具有如下特性。

海杂波与雷达工作频率、风力、风速、擦地角、温度等均有关系。

其中，最主要的影响是风。

风的影响在海杂波的时域及频域表现出来[1]。

2.1 海杂波的时域特性
在a显上观察海杂波时，其表现为与分辨单元的尺寸有关，对于大的分辨单元，海杂波在距离上是分布式的；随着分辨单元的减小，海杂波表现得越来越孤立，类似于时变目标的一系列回波，在小入射角时，则表现为海浪尖峰。

根据《雷达手册》的表述，海杂波在小入射角时，表现为海面尖峰。

如：水平极化时x波段海面尖峰如图1所示。

图1中，左图为海态3，右图为海态1对应的回波，从图中可以看出，时域分辨力越高，杂波越呈尖峰状态，杂波的影响越小。

舰载多功能雷达工作于水平极化方式，性质与之基本相同。

海表面在时间和空间上可看成是一个平稳的随机过程，在特定的持续时间与空间内，杂波散射截面积是各态历经的，即为一个均值。

在低入射角时，a显中观察到的值与实测值有一定的差别。

主要有三段曲线组成。

低段曲线符合瑞利分布，中段及高段曲线则符合韦布尔分布。

一般认为低段时对应的为接收机噪声、中段对应于分布式杂波、而高段则对应于海杂波尖峰。

发现的海尖峰数与风速的3.5次幂成正比，风是海杂波最主要的因素，风速则与海情相关。

如要更好的观察海上目标，则应尽可能地加大工作带宽。

2.2 海杂波的频域特性
影响海杂波最主要的因素为风。

根据《雷达分析与建模》海杂波的频域特性与风关系分析如下所示。

按雷达在四级海情工作的要求进行分析。

四级海情工作时，海面平均风速为8.2米/秒，浪高0.4米。

海杂波风速谱宽为： vs=vw/6=1.37米/秒，以常用的s波段雷达为例，波束擦地角按0度计算。

假定天线扫描时风向不变，则可计算出天线旋转时，对应的杂波频率特性如下[2]。

1）海杂波中心速度估算。

海杂波固有中心速度为：vs=vw/6 cos （aw）。

其中，vw为风束，αw为风速与波束中心夹角。

平台运动速度展宽为：vop=vpcos（ap），因此海杂波中心速度：vo=|vs+vopcos （y1）|。

其中αp为平台与波束方向夹角。

vp为舰船运动平行，取15米/秒时，当风速与船速平行时，杂波速度变化规律如图2。

对于常规的s波段雷达，其对应的海杂波中心频率为-300赫兹～300赫兹，这个频率与低脉冲重复频率相当。

2）海杂波速度展宽估算。

海杂波固有宽度为：svi=vw/8。

天线扫描展宽为：
[σva=ln22πθaωsλ] （1）
式中：θa为半波束宽度，ωs为扫描速度，λ为波长。

跨波束展宽：
[σvθ=0.3θa（vpsinαp-vssinαw）] （2）
杂波总宽度为：
[σv=σ2vi+σ2va+σ2vθ] （3）
取雷达频率3000兆赫兹，天线转速为15转，得到如下宽度。

雷达杂波的谱中心是时变的，谱宽是时变的（对应谱宽为30赫兹以内），在处理时，可根据上一个cpi（或几个cpi）计算出杂波
谱中心，并对杂波中心进行频谱搬移，由于谱宽变化很小，可取最大谱宽作为滤波谱宽，进行频域滤波，以消除杂波影响。

对于堆积多波束雷达，海杂波主要来自于低波束。

对于其它波束，其影响为副瓣，可以考虑超低副瓣和自适应空域滤波的办法加以消除。

3 海杂波处理方法及仿真分析
在舰载杂波处理中，采取如下措施：对于高波束雷达回波信号，尽可能地降低仰角副瓣、如果杂仍然较强，在高波束采用自适应波束形成技术滤除空间杂波；低波束在杂波严重时，可将波束适当上抬，并采取空域滤波的办法处理，降低杂波影响。

在空域滤波处理以外，还可以考虑利用杂波的频域特性，在非零通道采用自适应频域滤波手段，将通过副进入的杂波消除。

对于零通道处理，空域滤波、频域滤波均告失效。

可采用杂波图技术、超长时间检测技术等进行处理，以达到慢动目标的检测。

1）频域滤除杂波算法。

据杂波特性分析，杂波随天线及风速不同，而不断改变。

因此，考虑采用自适应算法。

在自适应算法处理中，认为杂波在帧与帧之间是高度相关的，因此，可以利用上帧杂波信号，对该帧信号进行频域对消，消除对应频率与频宽的杂波。

具体实现为，在信号处理中，引入一个自适应杂波估计电路，对杂波进行频谱分析，估算出其中心和谱宽，同时对下一帧谱进行估计；对当帧杂波进行频移，使杂波谱处于零通道，再扣除零通道数据[3]。

其权值计算与常规自适应算法相同。

如图4所示，假定脉冲
重复频率为1000赫兹，杂波谱宽为1.5米/秒时对应的仿真结果。

扣除杂波通道效果如图4所示。

2）空域去杂波算法。

空域滤波仅适用于三坐标雷达。

接收时，在仰角维采用多波束技术优化设计。

由于杂波处于低仰角，因此，在接收时，对波束进行特殊设计。

在负仰角第一副瓣附近设置零点，在空间上将海杂波滤除。

由于杂波一般来自于低仰角，其幅度极强，造成其它波束内从副瓣进入的杂波仍然很强。

空域处理方法有两种，其一，采取超低副瓣技术，使得从副瓣进入杂波显著减弱。

其二、采用自适应处理技术，由于杂波仰角固定于低仰角。

因此，可以采用先对该仰角置零的办法。

在处理过程中，取一段数据，对其回波进行空间谱估计，取出低仰角中幅度较强的方位，并在后期处理过程对其进行对消，实现空间置零处理。

图5为某次仿真杂波强度情况，假定杂波出现在0度——该值通过预先测量得到（-10度有一个高副瓣），目标仰角为5度（相当于来自第二波束），如下图5所示杂信比达到38分贝。

如果采用常规波束形成方法，必然会造成海杂波污染正常通道信号的效应。

通过对杂波的空域扫描，可得到回波的方向图，可见，此时根本看不到来自5度仰角的目标。

根据测得的杂波方向，对在峰值指向方向进行自应置零处理，可以在-10、0度指向形成两个零点，将杂波消除，并形成目标的波束。

处理结果如图6所示。

该算法，虽会导致副瓣水平变差但对杂波消除效果更好。

3）时域去杂波。

通过频域处理，可以将运动目标从杂波中分离出来，通过空域处理，可以将高仰角目标检测出来。

对于低仰角、低速、静止目标而言，以上办法均失效，但可以从时域积累上去处理。

拟采取两种算法。

对空中目标处理（一般对应高度较高），采取卡尔马斯、杂波图等算法进行处理。

对海处理中（高度为0），采取时域积累的办法进行目标检测。

根据杂波时域特性，在信号带宽较宽时，杂波的尖峰越少。

因此，设计对海处理时，取宽带信号，虚警率应可大大降低。

同时，海杂波的相关时间远低于目标和地杂波，则可以采用长时间积累的处理方式。

由于慢速目标和地杂波，在空间上几乎不动，多帧回波相关性强。

海杂波受风的影响大，相关时间较短。

因此，可采取长时间非相积累的办法处理。

对每一帧过门限视频，在空间对准后，求幅值之和，并取二次门限或采用cfar方式，将杂波剔除，达到目标检测的目的。

4 结束语
本文分析了海杂波的时域特性、频域特性及空域特性，提出了自适应频域、空域滤波及长时间积累的办法，达到消除杂波目的。

仿真表明该方法可以有效滤除海杂波，基本解决严重海杂波条件下的目标检测问题，下一步将进行海杂波数据的采集与整理，对所述方法进行验证。

参考文献
[1] merrill i. skolnik. 雷达手册（第三版）[m]. 南京电子研究所译. 北京：电子工业出版社，2010.7.
[2] d.k. barton. radar system analysis and modeling. artech house inc. 2005. norwood， ma.
[3] 姚天任. 现代数字信号处理[m]. 武汉：华中科技大学出版社，电子工业出版社，1999. 11.。