一種噪聲雷達(dá)地雜波消除算法

靳曉艷，李　偉

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.空軍駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081)

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一種噪聲雷達(dá)地雜波消除算法

靳曉艷1，李偉2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.空軍駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081)

噪聲雷達(dá)因其優(yōu)異的抗干擾性能和低截獲概率，在軍事和民用領(lǐng)域均具有著巨大的應(yīng)用潛力。針對(duì)噪聲雷達(dá)地雜波消除困難的問題，提出了一種基于雜波基向量正交化的算法，該算法通過將接收信號(hào)輸入格形濾波器，并自適應(yīng)地調(diào)整濾波器的參數(shù)，以適應(yīng)地面雜波未知的或隨時(shí)間變換的統(tǒng)計(jì)特性，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。仿真結(jié)果表明，所提算法不僅對(duì)地雜波具有很好的消除效果，與此同時(shí)也能夠有效抑制直達(dá)波。

噪聲雷達(dá)；地雜波；格形濾波器；正交化

0　引言

噪聲雷達(dá)指的是一類使用隨機(jī)或偽隨機(jī)波形信號(hào)來探測(cè)目標(biāo)的雷達(dá)。在文獻(xiàn)[1-3]中，這種雷達(dá)也被稱為隨機(jī)信號(hào)雷達(dá)(RSR)。噪聲雷達(dá)的應(yīng)用非常廣泛，可以被用來進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)測(cè)、跟蹤、引導(dǎo)、碰撞告警和地下勘測(cè)等。與傳統(tǒng)的脈沖雷達(dá)、脈沖多普勒雷達(dá)以及調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)相比，噪聲雷達(dá)具有一些優(yōu)點(diǎn)：噪聲波形信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)距離多普勒模糊，具有較低的峰值功率，與同頻段的其他設(shè)備具有較好的電磁兼容性。歸功于低峰值功率，噪聲雷達(dá)也具有較好的電子反對(duì)抗能力，這種雷達(dá)被監(jiān)聽的概率很低，即使探測(cè)信號(hào)被檢測(cè)到，也依然很難被判斷為威脅信號(hào)。

然而噪聲雷達(dá)的信號(hào)處理較傳統(tǒng)雷達(dá)更為復(fù)雜，尤其對(duì)于雜波信號(hào)的消除，更是噪聲雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)。來自雷達(dá)附近的強(qiáng)地雜波會(huì)增加信號(hào)處理中的噪底，甚至使得雷達(dá)接收機(jī)達(dá)到飽和。在典型的脈沖雷達(dá)中，有2種方法被用于消除地雜波：① 靈敏度時(shí)間控制(Sensitivity Time Control，STC)[4]，是通過使雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度隨時(shí)間(對(duì)應(yīng)距離)變化，從而使被放大的雷達(dá)回波強(qiáng)度與距離無關(guān)；② 減弱地雜波影響方法是文獻(xiàn)[5-7]介紹的經(jīng)典動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和動(dòng)目標(biāo)顯示(MTD/MTI)技術(shù)，即接收信號(hào)通過帶通或高通濾波器來消除零多普勒頻率回波。文獻(xiàn)[8]中說明了上述2種方法并不適用于噪聲雷達(dá)，這是因?yàn)镾TC方法不能有效地消除地雜波的旁瓣，而簡(jiǎn)單的MTD處理也無法消除遮蔽效應(yīng)。因此，對(duì)于噪聲雷達(dá)來說，為了消除地雜波信號(hào)及其旁瓣，需要使用更復(fù)雜的自適應(yīng)消除過程[9]。

本文提出一種基于雜波基向量正交化的地雜波消除算法，通過將接收信號(hào)輸入格形濾波器，借助濾波器參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)地雜波的有效消除。文中首先分析了地雜波的信號(hào)模型，然后在線性空間內(nèi)對(duì)雜波消除過程進(jìn)行了分析，提出了基于格形濾波的雜波基正交化的方法，最后對(duì)所提算法的地雜波消除效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1　問題模型

含有地雜波的接收信號(hào)(沒有運(yùn)動(dòng)目標(biāo))可以表示為：

(1)

式中，ξt(t)為接收機(jī)熱噪聲；A(r)表示地雜波復(fù)振幅的距離分布；Rcm表示地雜波的最大距離(受地球的幾何結(jié)構(gòu)和發(fā)射信號(hào)功率的限制)。假設(shè)接收信號(hào)頻譜是帶限的，可以進(jìn)行時(shí)間采樣，采樣周期為Ts<1/B，B為發(fā)射信號(hào)帶寬。采樣產(chǎn)生的離散時(shí)間信號(hào)可以表示為：

(2)

當(dāng)?shù)仉s波反射率基本恒定不變的情況下，采樣定理同樣適用于空間域。假設(shè)式(2)表示的地雜波分布在等距離的點(diǎn)上[10]：

(3)

在這種假設(shè)下，地雜波信號(hào)的模型可以改寫為如下形式：

(4)

(5)

2　地雜波消除算法

采用線性空間的概念來考慮雜波消除過程。在多維信號(hào)空間中，接收信號(hào)可以看作是一個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)。該線性空間的維數(shù)是N(處理后的數(shù)據(jù)塊中接收或參考信號(hào)的樣本數(shù))，通常該維數(shù)在105～107之間。消除雜波的過程是基于將信號(hào)空間分解為2個(gè)子空間，即雜波和目標(biāo)子空間。在這種情況下，消除雜波最直接的方法是將接收信號(hào)投影到目標(biāo)子空間上。但是，這種方法很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟繕?biāo)子空間的維數(shù)很大。替代的方法是計(jì)算接收信號(hào)和雜波信號(hào)的減法從而得到無雜波的測(cè)量信號(hào)，只包含接收機(jī)熱噪聲和目標(biāo)回波。雜波子空間的維度通常在102～104之間，一般遠(yuǎn)小于目標(biāo)子空間的維數(shù)。因此，計(jì)算接收信號(hào)在雜波子空間上的投影就要簡(jiǎn)單的多，如圖1所示。這種投影可以等效為雜波信號(hào)的估計(jì)，但計(jì)算量卻能夠明顯減小。

圖1　接收信號(hào)在雜波子空間上的投影

上述過程可以用式(6)來描述：

(6)

在觀測(cè)時(shí)間無限長時(shí)，具有不同時(shí)移的噪聲信號(hào)之間彼此互相正交。在這種情況下，可以簡(jiǎn)單地使用信號(hào)在每個(gè)雜波基向量上的正交投影，如圖2所示。

然而在實(shí)際情況中，觀測(cè)時(shí)間往往是有限的，致使構(gòu)成雜波子空間的向量并非正交基。所以需要使用更復(fù)雜的雜波抑制算法來達(dá)到目的。其中一種方法是解式(5)所述的線性方程組；另一種方法是通過對(duì)雜波基向量進(jìn)行線性變換來形成正交基向量。一種將雜波基向量正交化的方法是使用Gram-Schmidt正交化[11]，然而這種方法效率相當(dāng)?shù)停驗(yàn)樗枰狪(I-1)/2次向量投影和減法，只有在I很小時(shí)該方法才適用。

圖2　信號(hào)在雜波的正交基向量上的投影

這里提出一種基于格形濾波器的雜波基向量正交化方法，如圖3所示。這種方法較前面的方法需要的計(jì)算量小得多。格型濾波器結(jié)構(gòu)由于其對(duì)有限字長效應(yīng)具有很強(qiáng)的魯棒性而被應(yīng)用于很多實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合，如汽車、機(jī)器人、雷達(dá)和交流電機(jī)等，相關(guān)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[12-15]。

圖3　基于格形濾波器的雜波子空間正交化

圖3所示的格形濾波器包括I-1個(gè)相同的雙乘法器格形單元，依據(jù)前面的狀態(tài)(Xb(i-1)和Xb(t-1))，來產(chǎn)生后向(Xb(i))和前向(Xf(i))預(yù)測(cè)誤差向量。在第一階段的2個(gè)輸入中，使用了發(fā)射(參考)信號(hào)向量XT。

格形濾波器從連續(xù)狀態(tài)中得到的后向預(yù)測(cè)誤差是互相正交的，因此橋型結(jié)構(gòu)可以用于雜波基向量的正交化。每個(gè)狀態(tài)的偏相關(guān)系數(shù)可以用下述公式計(jì)算：

(7)

前向預(yù)測(cè)誤差信號(hào)Xf(i)可以用式(8)[10]來計(jì)算：

(8)

后向預(yù)測(cè)誤差信號(hào)Xb(i)可以用式(9)來計(jì)算：

(9)

后向預(yù)測(cè)誤差信號(hào)構(gòu)成了雜波正交基向量：

XC(i)(n)=Xb(i)(n),i=0…I-1。

(10)

這些正交基向量進(jìn)一步被用于消除接收信號(hào)中的雜波?？梢杂檬?10)描述：

(11)

(12)

3　仿真分析

地雜波消除的仿真結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。接收信號(hào)包含直達(dá)波(高出接收機(jī)噪聲30dB)、幾個(gè)地雜波信號(hào)(高出接收機(jī)噪聲0～20dB)、一個(gè)15km處強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波(S/N=-16dB)和一個(gè)27km處微弱的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波(S/N=-16dB)。

圖4　接收信號(hào)的距離-多普勒相關(guān)結(jié)果

接收信號(hào)的距離-多普勒相關(guān)處理結(jié)果如圖4所示。只有直達(dá)波和強(qiáng)地雜波是可見的，強(qiáng)雜波掩蓋了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波，致使目標(biāo)不可見。傳統(tǒng)的MTD/MTI處理結(jié)果如圖5所示，過濾了零頻分量。同地雜波一樣，直達(dá)波也被過濾掉了，但是經(jīng)過處理后的噪底保持不變。使用經(jīng)典的MTD/MTI方法可以抑制地雜波，但不能抑制地雜波的旁瓣，因此微弱目標(biāo)依然被地雜波的旁瓣所掩蓋。采用本文提出的地雜波消除處理方法對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行處理的結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，該方法可以有效消除直達(dá)波、地雜波及其旁瓣。該情況下，處理中的噪底有所降低，這時(shí)2個(gè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波都能清楚的看到，由此驗(yàn)證了本文所提算法的有效性。

圖5　MTD/MTI處理后的距離-多普勒相關(guān)結(jié)果

圖6　本文算法處理后的距離-多普勒相關(guān)結(jié)果

4　結(jié)束語

本文通過對(duì)線性空間內(nèi)接收信號(hào)所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)子空間和雜波子空間的維數(shù)進(jìn)行分析，得出了計(jì)算接收信號(hào)在雜波子空間上的投影更加簡(jiǎn)便的結(jié)論，并針對(duì)實(shí)際情況中雜波基向量并非正交的問題，提出了基于格形濾波的雜波基向量正交化方法。在對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行濾波時(shí)，通過自適應(yīng)改變?yōu)V波器系數(shù)，對(duì)地雜波能夠起到很好的抑制作用。此外，本文所提算法也能有效消除直達(dá)波。

[1]KULPA K S，CZEKALA Z，SMOLARCZYK M.Long-time-integration Noise Surveillance Radar[C]∥First International Workshop on the Noise Radar Technology(NRTW-2002)，2002:238-243.

[2]MALANOWSKIM，KULPA K.Detection of Moving Targets with Continuous-Wave Noise Radar:Theory and Measurements[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2012，50(9):3 502-3 509.

[3]MALANOWSKIM，ROSZKOWSKI P.Bistatic Noise Radar Using Locally Generated Reference Signal[C]∥2011 Proceedings In TernaTional Radar Symposium(IRS)，2011:544-549.

[4]KRYLOV GM.An Amplifier with Discretely Controllable Gain[J].Telecommunications and Radio Engineering，1993，48(6):133-134.

[5]洪麗娜,汪連棟,王立平.MTD雷達(dá)抗干擾性能分析[J].火力與指揮控制,2004,29(21):71-73.

[6]秦軼煒,孫元敏,楊文華,等.低空監(jiān)視雷達(dá)復(fù)雜環(huán)境下的最優(yōu)CFAR設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù),2015,4(2):59-63.

[7]杜曉恒,秦順友,任冀南,等.低副瓣氣象雷達(dá)天線增益測(cè)量及誤差分析[J].無線電通信技術(shù)，2014,40(5):51-53.

[8]KULPA K S，CZEKAA Z.Ground Clutter Suppression in Noise Radar[C]∥Proc.Int.Conf.RADAR 2004，Tou-louse，F(xiàn)rance，2004:236-245.

[9]MALANOWSKIM.Comparison of AdaptiveMethods for Clutter Removal in PCL Radar[C]∥Proc.of International Radar Symposium 2006，Krakow，Poland，2006:237-240.

[10]HAYESM H.Statistical Digital Signal Processing and Modeling[M].New York:John Wiley & Sons，1996.

[11]LI G，LIM Y C，HUAN G C G.Very Robust Low Complexity Lattice Filters[J].IEEE Transactions on Signal Proce-ssing，2010，58(12):6 093-6 104.

[12]許江湖,張明敏.基于Gram-Schmidt正交化算法的水下目標(biāo)回波檢測(cè)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào),2006,18(1):89-93.

[13]MALANOWSKIM.Comparison of AdaptiveMethods for Clutter Removal in PCL Radar[C]∥Proc.of International Radar Symposium 2006，Krakow，Poland，2006:237-240.

[14]HUANG C G，LI G，XU Z X，et al.Design of Optimal Digital Lattice Filter Structures Based on Genetic Algorithm[J].Signal Processing(Elsevier)，2012,92(4):989-998.

[15]張世平,趙永平,張紹卿,等.一種改進(jìn)的自適應(yīng)格型陷波算法及其收斂性分析[J].電子學(xué)報(bào),2004,32(2):338-341.

靳曉艷女，(1984—)，博士，工程師。主要研究方向：電子對(duì)抗。

李偉男，(1983—)，工程師。主要研究方向：信號(hào)與信息處理。

A Ground Clutter Cancellation Algorithm for Noise Radar

JIN Xiao-yan1，LI Wei2

(1.The54thResearchInstituteofCETC，ShijiazhuangHebei050081，China;2.MilitaryRepresentativeOfficeofPLAAirForceStationedinShijiazhuangRegion，ShijiazhuangHebei050081，China)

Due to its excellent anti-interference performance and low intercept rate，noise radar has great apply potential in both military and civilian fields.In solve the problem of ground clutter wave cancellation in noise radar，an algorithm based on clutter base orthogonalization is proposed.In this algorithm，receive signal is put into a lattice filter，in order to fit the unknown or time-varying statistics characteristic of the ground clutter.And the parameters of filter are adjusted adaptively.Simulation results indicate that the proposed algorithm not only provides good cancellation effect to the ground clutter，but also can effectively suppress the direct signal.

noise radar；ground clutter；lattice filter；orthogonalization

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.09

2016-04-20

國家科技支撐項(xiàng)目(2014BAK02B04)。

TN911.7

A

1003-3106(2016)08-0034-04

引用格式：靳曉艷，李偉.一種噪聲雷達(dá)地雜波消除算法[J].無線電工程,2016,46(8):34-37.