一種無(wú)源雷達(dá)頻域擴(kuò)展相消批處理雜波對(duì)消算法

劉　宇　呂曉德　楊鵬程②

①（中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190）

②（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

一種無(wú)源雷達(dá)頻域擴(kuò)展相消批處理雜波對(duì)消算法

劉宇*①②呂曉德①楊鵬程①②

①（中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190）

②（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

無(wú)源雷達(dá)面臨著嚴(yán)重的直達(dá)波和多徑雜波的干擾問(wèn)題，擴(kuò)展相消批處理算法（ECA-B）是一種有效的雜波抑制算法，但是隨著信號(hào)帶寬的增加，結(jié)合計(jì)算效率的考慮，需要更多的分段數(shù)來(lái)對(duì)消更多距離單元的雜波，從而使得對(duì)消距離單元內(nèi)的低速目標(biāo)的削弱和調(diào)制問(wèn)題加劇。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題該文提出了一種將參考信號(hào)與回波信號(hào)在頻域進(jìn)行ECA-B處理的方法。該方法不僅可以降低計(jì)算量，還可以避免由于分段數(shù)過(guò)多引起的目標(biāo)的損失和調(diào)制。仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了該文所提方法的正確性和有效性。

無(wú)源雷達(dá)；雜波對(duì)消；頻域ECA-B

引用格式：劉宇，呂曉德，楊鵬程.一種無(wú)源雷達(dá)頻域擴(kuò)展相消批處理雜波對(duì)消算法［J］.雷達(dá)學(xué)報(bào)，2016，5（3）：293-301.DOI：10.12000/JR15098.

Reference format：Liu Yu，Lv Xiaode，and Yang Pengcheng.Batch version of extensive cancellation algorithm for clutter mitigation in frequency domain of passive radar［J］.Journal of Radars，2016，5（3）：293-301.DOI：10.12000/JR15098.

1　引言

無(wú)源雷達(dá)是一種本身不發(fā)射電磁波，利用廣播、電視等信號(hào)作為輻射源的被動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)，具有無(wú)輻射、反隱身、抗摧毀能力強(qiáng)、研制和維護(hù)成本低、設(shè)備體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)，是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［1-5］。無(wú)源雷達(dá)研究的核心問(wèn)題是在強(qiáng)干擾中檢測(cè)弱目標(biāo)，雜波抑制是無(wú)源雷達(dá)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，現(xiàn)有的方法都是在時(shí)域進(jìn)行的［6-10］。文獻(xiàn)［11］提出了擴(kuò)展相消批處理算法（ECA-B），該算法通過(guò)分塊最小二乘（LS）處理降低了雜波子空間的維數(shù)，并在多普勒維加寬了零陷寬度。

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，具有更穩(wěn)定頻率特性和更優(yōu)良抗干擾能力的數(shù)字調(diào)制信號(hào)正逐步取代傳統(tǒng)的模擬信號(hào)，其大帶寬能夠提高系統(tǒng)的分辨率，提高目標(biāo)的定位精度。然而信號(hào)帶寬的增大將導(dǎo)致回波信號(hào)信噪比進(jìn)一步降低，對(duì)消階數(shù)增加，數(shù)據(jù)率急劇增大。以DTTB信號(hào)為例，1 s時(shí)間的數(shù)據(jù)信號(hào)長(zhǎng)度8×106，每個(gè)數(shù)據(jù)占8 B（double型），假設(shè)我們對(duì)消1000距離單元雜波，分段數(shù)為m，根據(jù)文獻(xiàn)［11］中的公式，每一段至少需要60/m GB的內(nèi)存來(lái)構(gòu)造一個(gè)1000行、8×106/m 列的矩陣，復(fù)乘次數(shù)為8×1012/m+107，這時(shí)就需要分更多的段來(lái)減小存儲(chǔ)空間和提高處理效率。

ECA-B算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段處理，多普勒分辨率降低，會(huì)在對(duì)消距離單元的多普勒方向產(chǎn)生一個(gè)零陷凹槽，而且分段數(shù)越大，凹槽越寬，凹槽深度越深。凹槽會(huì)消弱對(duì)消單元的低速目標(biāo)的信噪比，隨著分段數(shù)的增加，低速目標(biāo)受到的影響越大，甚至?xí)绊懙礁咚倌繕?biāo)的檢測(cè)，這成為限制分段數(shù)的一個(gè)重要因素。同樣以DTTB信號(hào)為例，假設(shè)分段數(shù)為400時(shí)，會(huì)對(duì)300多普勒單元（徑向速度約為 240 km/h）內(nèi)的目標(biāo)產(chǎn)生影響。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，還沒(méi)有公開文獻(xiàn)提出解決方法。

文獻(xiàn)［12］提出，采用LS算法處理每塊監(jiān)測(cè)信號(hào)，由于該算法會(huì)抑制相消距離元內(nèi)信號(hào)的零頻分量，當(dāng)分段數(shù)過(guò)大或者不合適時(shí)，會(huì)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)生調(diào)制作用，產(chǎn)生虛警，影響目標(biāo)檢測(cè)。同樣分段數(shù)越大，越高速的目標(biāo)受到調(diào)制。文章中提出了相應(yīng)的補(bǔ)償算法，但是需要真實(shí)目標(biāo)的先驗(yàn)知識(shí)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種頻域ECA-B算法，將參考信號(hào)與回波信號(hào)利用傅里葉變換到頻域進(jìn)行對(duì)消。本文方法特點(diǎn)是通過(guò)時(shí)頻轉(zhuǎn)換將凹槽展寬到距離方向，利用凹槽進(jìn)行雜波對(duì)消。本文方法不僅避免了由于多普勒方向的凹槽對(duì)目標(biāo)的消弱，而且間隔地選擇距離單元參數(shù)也大大降低了處理的運(yùn)算量。該方法只會(huì)在零多普勒方向產(chǎn)生調(diào)制作用，不會(huì)影響動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。文章先簡(jiǎn)單介紹了ECA-B算法，然后介紹了頻域ECA-B算法的基本原理，并用仿真來(lái)確定參數(shù)選擇，最后用仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。

2　頻域ECA-B算法

2.1ECA-B算法介紹

ECA算法就是利用最小二乘（LS）估計(jì)出多徑雜波信號(hào)，然后從回波信號(hào)中減去雜波信號(hào)，從而去除雜波旁瓣的影響，凸顯出目標(biāo)。ECA-B算法是為了提高計(jì)算效率提出的一種分塊的ECA算法。ECA-B算法的原理如圖1所示，其中N為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，NB為每段的長(zhǎng)度，i=0，1，...，b-1為分段數(shù)，R為對(duì)消的距離單元，第i段參考、回波信號(hào)表達(dá)式：

圖1　ECA-B算法框圖Fig.1 Sketch of ECA-B approach

第i段的處理結(jié)果：

2.2頻域ECA-B算法原理

對(duì)于零多普勒的多徑雜波f1=0，則上述公式變?yōu)椋?/p>

圖2　頻域ECA-B實(shí)現(xiàn)框圖Fig.2 Sketch of ECA-B approach

頻域ECA-B方法雖然多了FFT與IFFT這兩個(gè)步驟，但是該方法會(huì)帶來(lái)以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）我們將原來(lái)的多普勒方向的凹槽展寬利用到距離方向，這樣在距離方向就不需要逐個(gè)距離單元的對(duì)消，而是可以每隔一定的距離單元對(duì)消一個(gè)單元，這樣就可以極大地減小子空間維數(shù)，減小計(jì)算量。

（2）該方法不僅避免了由于多普勒方向的凹槽展寬對(duì)對(duì)消單元內(nèi)的低速目標(biāo)的消弱，而且還會(huì)對(duì)零多普勒的更遠(yuǎn)的距離單元的雜波產(chǎn)生一定的抑制作用。

（3）ECA-B算法由于分段不合適，會(huì)在多普勒方向?qū)δ繕?biāo)和雜波產(chǎn)生調(diào)制，從而出現(xiàn)虛警，而本文方法只會(huì)在零多普勒的距離方向產(chǎn)生調(diào)制，對(duì)于動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)不會(huì)帶來(lái)影響。

2.3參數(shù)選擇

ECA-B算法分段由于多普勒分辨率下降會(huì)導(dǎo)致多普勒方向的零陷凹槽，隨著分段數(shù)的增多凹槽寬度越寬。本文方法的優(yōu)勢(shì)是利用凹槽進(jìn)行對(duì)消，分段數(shù)可以根據(jù)硬件的性能（如線程數(shù)、內(nèi)存等）盡可能地選擇大一些，而主要的參數(shù)是單元間隔的選擇。下面利用仿真分析了分段數(shù)與凹槽之間的關(guān)系，相鄰凹槽的相互影響，以便選擇一個(gè)理想的參數(shù)。

圖3　不同分段數(shù)凹槽情況Fig.3 Flute situations with different number of segments

為了只是觀察凹槽情況，我們完全隨機(jī)地生成了兩個(gè)噪聲信號(hào)分別作為參考信號(hào)和回波信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行ECA-B算法處理，仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3（a）中可以看出分段數(shù)越大，凹槽展寬越寬，距離中心處越近，凹槽越深；選取不同的段數(shù)得到的凹槽寬度畫成一條曲線，如圖3（b）中的藍(lán)線所示，曲線比較接近y=3b/2，也就是說(shuō)當(dāng)分段數(shù)為b時(shí)，會(huì)對(duì)左右3b/4的單元產(chǎn)生影響。

為了確定間隔數(shù)的選取，做了以下仿真：參考通道數(shù)據(jù)為長(zhǎng)度為105的高斯白噪聲，回波通道數(shù)據(jù)在參考的基礎(chǔ)上加入了0-200距離單元的多徑雜波和一個(gè)弱目標(biāo)，以目標(biāo)的信噪比做為評(píng)判對(duì)消結(jié)果的依據(jù)，利用本文方法進(jìn)行對(duì)消，分段數(shù)200，仿真結(jié)果如圖4所示。圖4（a）和圖4（b）分別為對(duì)消前情景設(shè)置和目標(biāo)理想結(jié)果；圖4（c）為不同間隔下的目標(biāo)的信噪比曲線，通過(guò)曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間隔取50時(shí)，基本就可以達(dá)到理想的對(duì)消結(jié)果；圖4（d）為間隔為50的3D結(jié)果，和圖4（b）基本一致。

圖4　不同間隔的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results with different intervals

表1　復(fù)乘次數(shù)對(duì)比Tab.1 Complex products comparison

綜上所述，在進(jìn)行頻域ECA-B處理時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和對(duì)消階數(shù)確定分段數(shù)，兆級(jí)數(shù)據(jù)一般以2048或4096最佳，從對(duì)消單元的兩端以分段數(shù)的1/4等間隔地選取參數(shù)，就可以達(dá)到理想的對(duì)消結(jié)果，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)雜波較強(qiáng)或者較復(fù)雜時(shí)，可適當(dāng)減小間隔。

3　仿真及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

3.1仿真數(shù)據(jù)處理

對(duì)本文方法進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真中參考通道數(shù)據(jù)為長(zhǎng)度為 105的高斯白噪聲，回波通道數(shù)據(jù)在參考的基礎(chǔ)上加入了0-100距離單元的多徑雜波，加入了兩個(gè)近距離單元的強(qiáng)目標(biāo)，兩個(gè)遠(yuǎn)距離單元的弱目標(biāo)，目標(biāo)參數(shù)設(shè)置如表2所示。仿真情景如圖5（a）所示，仿真時(shí)加入40 dB噪聲，對(duì)消前模糊函數(shù)如圖5（b），圖5（c）所示，由于直達(dá)波和雜波的加入，底噪被抬高20 dB，目標(biāo)被淹沒(méi)。理想目標(biāo)與噪聲情況如圖5（d）所示，用于結(jié)果的對(duì)比。

圖5　對(duì)消前參數(shù)設(shè)置Fig.5 Sketch of reference scenario before cancellation

表2　目標(biāo)參數(shù)設(shè)置Tab.2 Target parameters

然后分別用20段和100段的ECA-B和頻域ECA-B方法進(jìn)行處理，結(jié)果如圖6所示：分段20時(shí)，ECA-B方法對(duì)消單元中的低多普勒目標(biāo)被削弱（如圖6（a）中（50，10）單元的目標(biāo)），而且這個(gè)目標(biāo)由于調(diào)制產(chǎn)生了虛警（如圖6（b）所示）；100段時(shí)ECA-B方法（50，10）單元的強(qiáng)目標(biāo)已經(jīng)被削弱到底噪以下（如圖6（e）所示），由于分段數(shù)過(guò)多導(dǎo)致（50，150）處的目標(biāo)產(chǎn)生了虛警（如圖6（f）所示）；而本文方法都達(dá)到了理想的效果（如圖6（c），圖6（d），圖6（g），圖6（h）所示）。

3.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理

測(cè)試系統(tǒng)采用密云臺(tái)信號(hào)，信號(hào)形式為cmmb信號(hào)，中心頻率530 MHz，采樣率10 MHz，帶寬7.512 MHz，對(duì)消單元2000，分段數(shù)2000，處理結(jié)果如圖7所示。其中圖7（a）為對(duì)消前模糊函數(shù)，遠(yuǎn)距離單元底噪209 dB，目標(biāo)都被淹沒(méi)在其中；圖7（b）為頻域ECA-B算法處理后的模糊平面圖，底噪降低了約30 dB，目標(biāo)可以凸顯出來(lái)，其中1000-1500距離單元的矩形框是特殊場(chǎng)景引起的，并不是處理所帶來(lái)的結(jié)果；圖7（c）是零多普勒切面圖，紫色（ECA-B）雖然挖得最深，但是對(duì)于遠(yuǎn)距離單元的底噪降低并沒(méi)有更顯著的效果，綠色（頻域ECA-B）不僅對(duì)消了0-2000的雜波，也由于其凹槽影響對(duì)消了2000-3000單元的雜波；圖7（d）為兩種對(duì)消方法復(fù)乘次數(shù)的比較圖，利用本文方法可以將計(jì)算量降低2-3個(gè)數(shù)量級(jí)；圖7（e），圖7（f）分別為兩種方法0-2000距離單元的模糊平面，可以發(fā)現(xiàn)由于凹槽的影響，ECA-B方法在2000單元內(nèi)的目標(biāo)和雜波都被對(duì)消掉了，而頻域ECA-B方法的目標(biāo)都凸顯出來(lái)；圖7（g），圖7（h）分別為兩種方法2000-4000距離單元的多普勒幅度圖，通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)頻域ECA-B方法不僅找到了目標(biāo)，還由于其凹槽對(duì)2136單元雜波的影響，避免了（2136，±212）處的虛警；圖7（i），圖7（j）為兩種方法最遠(yuǎn)目標(biāo)（約105 km）的3維圖。通過(guò)以上對(duì)比結(jié)果，頻域ECA-B是一種可行、高效的雜波對(duì)消方法。

圖6　仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results

圖7　實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果Fig.7 Real-time results

4　結(jié)論

本文針對(duì)信號(hào)帶寬變大所帶來(lái)的分段數(shù)增大，低速單元目標(biāo)損失增大，調(diào)制加劇的問(wèn)題，提出了一種頻域ECA-B算法，闡述了頻域ECA-B算法的原理，并用仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性，不僅降低了計(jì)算量，而且還解決了低速目標(biāo)的損失和調(diào)制問(wèn)題，是一種實(shí)時(shí)高效的雜波對(duì)消方法，還可以為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)無(wú)源雷達(dá)雜波對(duì)消提供指導(dǎo)。

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劉 宇（1990-），男，籍貫河北，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，碩士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)源雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)。

E-mail：liuyu13@mails.ucas.ac.cn

呂曉德（1969-），男，研究員，研究方向?yàn)殛嚵刑炀€、先進(jìn)雷達(dá)新體制、新技術(shù)。

E-mail：Louee@mail.ie.ac.cn

楊鵬程（1990-），男，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所，博士，主要研究方向?yàn)闊o(wú)源雷達(dá)信號(hào)處理。

Batch Version of Extensive Cancellation Algorithm for Clutter Mitigation in Frequency Domain of Passive Radar

Liu Yu①②Lv Xiaode①Yang Pengcheng①②

①（Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

②（University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

Passive radar experiences a significant problem called multipath clutter.The Batch version of the Extensive Cancellation Algorithm（ECA-B）is an efficient method for clutter mitigation.With the increase in signal bandwidth，a greater number of segments is required to cancel the clutter across the entire frequency range.This affects the processing rate，detrimentally weakening and modulating the signal from low-speed targets.Thus，this paper proposes a method that uses ECA-B to process both reference and echo signals in the frequency domain.This method not only reduces the amount of calculation required but also avoids weakening and modulating the target signal，which is spread across many segments.The simulated and experimental data results confirm the correctness and validity of the proposed method.

Passive radar； Clutter cancellation； ECA-B in frequency domain

The National Ministies Foundation

TN958.97

A

2095-283X（2016）03-0293-09

10.12000/JR15098

2015-08-21；改回日期：2015-11-04；網(wǎng)絡(luò)出版：2015-12-22

劉宇 liuyu13@mails.ucas.ac.cn

國(guó)家部委基金