一種時(shí)頻維聯(lián)合處理的海面小目標(biāo)檢測(cè)方法

王冬華 沈 洋 周 駿 茆 禹

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院 南京 211153)

0 引言

海雜波是影響對(duì)海探測(cè)雷達(dá)檢測(cè)性能的關(guān)鍵因素。相較于軍艦、輪船等大型目標(biāo)，其反射面積較大，目標(biāo)回波幅度較強(qiáng)，即使在比較惡劣的海況下，也能具備一定的信雜比，但是對(duì)于一些反射面積較小的漁船、小艇等小目標(biāo)，其目標(biāo)回波信雜比往往處于或低于臨界可檢測(cè)狀態(tài)，雖然通過長時(shí)間幀間積累可以有效提升目標(biāo)回波的信雜比，但對(duì)于漁船、小艇等具備一定運(yùn)動(dòng)速度的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的長時(shí)間幀間積累；慢速目標(biāo)的多普勒信息很容易被海雜波的多普勒旁瓣掩蓋，為了在海雜波下檢測(cè)慢速小目標(biāo)，海雜波的抑制至關(guān)重要，傳統(tǒng)的動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)對(duì)零速濾波器附近的目標(biāo)衰減過大，使得對(duì)慢速目標(biāo)的檢測(cè)性能嚴(yán)重下降。針對(duì)上述問題，本文提出的時(shí)頻維聯(lián)合處理方法在頻域維檢測(cè)時(shí)會(huì)實(shí)時(shí)感知海雜波的中心頻率與譜寬，并且根據(jù)迭代更新的海雜波中心頻率對(duì)原始I/Q數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜搬移，隨后進(jìn)行相參處理，頻率維檢測(cè)后會(huì)造成虛警率升高，因此需進(jìn)行時(shí)域維檢測(cè)，根據(jù)目標(biāo)回波的距離-方位特性抑制剩余海雜波，提高小目標(biāo)在強(qiáng)海雜波下的可見度，最后通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。

1 時(shí)頻維聯(lián)合檢測(cè)方法

本文采用頻率維和時(shí)域維聯(lián)合處理的方法提高雷達(dá)對(duì)海上小目標(biāo)的檢測(cè)性能，處理流程如圖1所示，頻率維檢測(cè)模塊接收匹配濾波后的I/Q數(shù)據(jù)，將其求模后送至?xí)r域維檢測(cè)模塊，最后將檢測(cè)后數(shù)據(jù)送至顯控和數(shù)據(jù)處理。

圖1 處理流程圖

1.1 頻域維檢測(cè)

對(duì)海探測(cè)雷達(dá)，近程海雜波較強(qiáng)，且成片出現(xiàn)，若僅僅依靠傳統(tǒng)的非相參或者相參處理提取目標(biāo)的幅度信息去檢測(cè)，很難從較強(qiáng)的海雜波中提取出弱小目標(biāo)。不同于傳統(tǒng)的MTD處理方法，頻域維檢測(cè)在接收匹配濾波后的I/Q數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)感知并迭代更新建立雜波中心頻率圖和雜波譜寬圖，實(shí)時(shí)選擇具有不同凹口的濾波器組，有效保證了不同海況下弱小目標(biāo)的雜波可見度，處理流程如圖2所示。

圖2 頻率維處理流程圖

匹配濾波后的I/Q數(shù)據(jù)首先采用“相關(guān)函數(shù)法”進(jìn)行中心頻率估計(jì)和譜寬估計(jì)，然后進(jìn)行中心頻率圖和雜波譜寬圖的建圖及實(shí)時(shí)迭代更新，建圖過程中需要設(shè)定建圖的距離、方位格子大小以及迭代因子，接著根據(jù)當(dāng)前回波所處的方位信息從中心頻率圖中取出對(duì)應(yīng)方位格子所存儲(chǔ)的中心頻率值，進(jìn)行I/Q數(shù)據(jù)的頻譜搬移，同時(shí)根據(jù)當(dāng)前回波所處的方位信息從譜寬圖中統(tǒng)計(jì)一定距離范圍內(nèi)的頻譜寬度，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的頻譜寬度去選擇不同凹口的濾波器組，然后進(jìn)行MTD相參處理，最后對(duì)MTD相參處理后的個(gè)通道分別進(jìn)行求模、CFAR處理并選大輸出，其中CFAR處理一般采用一維單元平均恒虛警算法。頻率維處理會(huì)造成檢測(cè)結(jié)果虛警率升高，通過后續(xù)時(shí)域維檢測(cè)可以有效解決這一問題。

1.1.1 相關(guān)函數(shù)法

“相關(guān)函數(shù)法”即利用雷達(dá)接收回波相鄰兩個(gè)重復(fù)周期的相位差對(duì)雜波的平均多普勒頻率進(jìn)行估計(jì)。雜波可表示為如式(1)形式。

()=()e(+)+()

(1)

其中：()為復(fù)包絡(luò)；為雜波多普勒角頻率；為初相；()為加性噪聲。延遲一個(gè)重復(fù)周期后可寫成

(-)=(-)e((-)+)+(-)

(2)

它們的相關(guān)函數(shù)為

()=[()(-)]=()e

(3)

其中：為雷達(dá)的重復(fù)周期，()=[()(-)]。因?yàn)?)為窄帶信號(hào)，即()≈(-)，那么()=[()(-)]=[|()|]為一實(shí)數(shù)。由式(2)可得

(4)

其中：tg(·)反正切函數(shù)，其取值范圍為[-π,π]。用時(shí)間平均來代替統(tǒng)計(jì)平均后，得到如式(5)所示估計(jì)量。

(5)

其中：表示雜波在不同脈沖相同距離單元的采樣序號(hào)。因此，結(jié)合式(4)和式(5)得到雜波的平均多普勒頻率估計(jì)值為

(6)

112 雜波譜建圖

為了降低頻譜搬移對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)自身的影響，每個(gè)距離單元估算的中心頻率結(jié)果需要經(jīng)過平滑處理，通過設(shè)定距離-方位格子大小將雷達(dá)探測(cè)范圍劃分為多個(gè)單元，通過雜波圖技術(shù)迭代更新每個(gè)格子的中心頻率及譜寬信息，產(chǎn)生不同距離單元I/Q數(shù)據(jù)頻譜搬移需要的多普勒頻率。每個(gè)距離-方位格子的中心頻率及譜寬信息采用一階遞歸模型更新為

()=(1-)(-1)+()

(7)

其中：表示天線掃描周期；()表示當(dāng)前掃描周期得到的中心頻率估算結(jié)果；(-1)表示雜波圖上一圈估計(jì)背景值；()表示通過式(7)得到的新的雜波圖背景值；是遞歸因子，0<<1。

1.2 時(shí)域維檢測(cè)

時(shí)間維檢測(cè)主要利用目標(biāo)回波距離-方位特性。對(duì)海探測(cè)雷達(dá)近程海雜波較強(qiáng)，在進(jìn)行恒虛警(CFAR)處理后，會(huì)出現(xiàn)較多離散雜波點(diǎn)，這些雜波點(diǎn)在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，通過統(tǒng)計(jì)回波的距離、方位特性以及目標(biāo)的幅度起伏特性可以有效剔除這些海雜波經(jīng)過CFAR處理后的剩余，時(shí)域維檢測(cè)流程如圖3所示。

圖3 時(shí)域維處理流程圖

圖4 CFAR處理后回波特性示意圖

距離連續(xù)性判別即CFAR處理后連續(xù)5個(gè)距離單元是否存在3個(gè)及以上距離單元幅度值不為0；方位連續(xù)性判別即在距離判別的基礎(chǔ)上判別同一距離單元在方位維是否連續(xù)存在個(gè)方位單元幅度值不為0，若是則判定該被檢測(cè)單元為目標(biāo)，否則判定為雜波。

2 仿真校驗(yàn)

2.1 頻域維仿真

2.1.1 中心頻率估計(jì)仿真

頻率維檢測(cè)中采用的是“相關(guān)函數(shù)法”估算目標(biāo)的中心頻率及譜寬，假設(shè)雷達(dá)重復(fù)周期為290 μs，時(shí)寬20 μs，帶寬8 MHz，采樣頻率10 MHz，相關(guān)脈沖數(shù)為10。假設(shè)在距離雷達(dá)35 km處有1個(gè)目標(biāo)，速度為40 m/s，輸入信噪比為0 dB，地雜波和動(dòng)雜波分別位于5～10 km和15～20 km處，雜噪比均為50 dB，其中地雜波平均多普勒頻率為0 Hz，譜寬為6.4 Hz，動(dòng)雜波平均多普勒頻率為100 Hz，譜寬為24 Hz。對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行脈壓，對(duì)脈壓輸出利用相關(guān)函數(shù)法進(jìn)行測(cè)頻，結(jié)果如圖5所示。

圖5 相鄰PRT地雜波/動(dòng)雜波測(cè)頻結(jié)果

由圖5可以看出，利用“相關(guān)函數(shù)法”對(duì)脈壓結(jié)果的雜波區(qū)進(jìn)行測(cè)頻，相鄰重復(fù)周期的測(cè)頻結(jié)果有一定的差距，但均在預(yù)設(shè)值上下波動(dòng)，也即存在一定的譜寬。取相同距離單元不同PRT測(cè)頻結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，然后對(duì)所有距離單元求平均即可得到譜寬。表1給出了相關(guān)函數(shù)法估計(jì)雜波多普勒頻率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

表1 相關(guān)函數(shù)法地/動(dòng)雜波測(cè)頻結(jié)果

2.1.2 頻域維檢測(cè)效果仿真

采集某對(duì)海探測(cè)雷達(dá)在4級(jí)海況條件下的脈壓后I/Q數(shù)據(jù)，采用常規(guī)的非相參處理技術(shù)，如圖6左圖所示，從圖中可以看出，60 km范圍內(nèi)分布著成片較強(qiáng)海雜波，海面固定目標(biāo)、大船以及漁船等目標(biāo)完全淹沒在海雜波中難以檢測(cè)。采用本文所述頻率維檢測(cè)方法，如圖6右圖所示，可以看出，海雜波得到了有效抑制，海面固定目標(biāo)、大船以及漁船等目標(biāo)能夠很容易檢測(cè)出來，極大地提高了目標(biāo)在雜波中的可見度。

圖6 頻率維檢測(cè)效果圖

2.2 時(shí)域維檢測(cè)效果仿真

時(shí)域維檢測(cè)先進(jìn)行距離維連續(xù)性判別，再進(jìn)行方位維連續(xù)性判別，可以有效抑制海雜波經(jīng)過CFAR處理后的剩余。某雷達(dá)視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過CFAR處理后如圖7左圖所示，可以看出近程30 km區(qū)域內(nèi)存在較多的離散海雜波剩余，在這種點(diǎn)跡密度狀態(tài)下，嚴(yán)重影響目標(biāo)的跟蹤，經(jīng)過時(shí)域維檢測(cè)處理后如圖7右圖所示，可以看出離散剩余海雜波基本被剔除，目標(biāo)基本被全部保留下來。

圖7 時(shí)域維處理前后對(duì)比圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所述方法在實(shí)際對(duì)海小目標(biāo)檢測(cè)的有效性。在3級(jí)海況條件下，一艘RCS約為1.0左右的小艇以5的速度從3 km處往外航行，如圖8所示，可以看出，近程海雜波基本被完全抑制，極大降低了近程的點(diǎn)跡密度，提高了目標(biāo)在雜波中的可見度。

圖8 海雜波抑制效果對(duì)比圖

從圖9中可以看出若采用傳統(tǒng)信號(hào)處理方式，上述實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中的小艇發(fā)現(xiàn)概率不足20%，很難在強(qiáng)海雜波下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，采用本文所述頻率維和時(shí)域維聯(lián)合檢測(cè)的方法，小艇發(fā)現(xiàn)概率達(dá)到90%以上。

圖9 目標(biāo)跟蹤效果對(duì)比圖

4 結(jié)束語

本文針對(duì)海雜波環(huán)境下對(duì)海小目標(biāo)探測(cè)問題，提出了一種基于頻域維和時(shí)域維聯(lián)合檢測(cè)的方法，在頻域維根據(jù)統(tǒng)計(jì)雜波中心頻率和譜寬自適應(yīng)選擇MTD濾波器組，極大提高了目標(biāo)在強(qiáng)海雜波下的可見度，同時(shí)聯(lián)合時(shí)域維檢測(cè)，根據(jù)目標(biāo)回波的距離-方位特性，剔除CFAR之后的海雜波剩余。通過仿真以及外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，較好地解決了在強(qiáng)海雜波情況下小目標(biāo)的探測(cè)問題。