基于時空相關(guān)性的雷達雜波濾除方法

暢 言 蔡興雨 羅利強 楊 璇

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

當前雷達抑制雜波的思路是在雷達信號處理分系統(tǒng)上，常見采用的方法是動目標顯示技術(shù)(MTI)、動目標檢測技術(shù)(MTD)、數(shù)字脈沖壓縮技術(shù)以及恒虛警檢測(CFAR)等。但是在特殊的情況下，如工作環(huán)境特別惡劣時，用這些方法遠遠達不到理想的效果。嚴重時數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)工作不正常，計算機飽和。參考文獻[3]提出了利用回波寬度判斷、幅度判斷、多普勒速度判斷、滑窗法判斷等處理所出現(xiàn)雜波的方法，這種方法不適應(yīng)雜波特別強的時候。參考文獻[4]提出了建立雜波圖網(wǎng)格，計算各單元點跡密度，進行雜波區(qū)域判斷，但是此方法僅在數(shù)據(jù)處理上考慮，為距離、方位二維劃分，不夠精確，另外對移動的雜波沒有識別能力。

1 新方法原理

本方法針對雷達裝備雜波識別的需求，為一部方位機械掃、俯仰相控、全固態(tài)脈沖多普勒雷達設(shè)計了基于一次點時空相關(guān)性的雜波點濾除方法，在不影響真實目標情況下，對動雜波和靜雜波進行了濾除，減輕了數(shù)據(jù)處理的負擔，抑制了虛假航跡，終端顯示也更加精確。新方法主要包括航跡相關(guān)處理、靜雜波識別和動雜波識別三部分。

1.1 航跡相關(guān)處理

將信號處理傳過來一次點跡極坐標(R,A,E)轉(zhuǎn)化為空間直角坐標(x,y,z)，然后將數(shù)據(jù)處理傳過來的航跡極坐標(hj_R,hj_A,hj_E)也轉(zhuǎn)換為空間直角坐標系(hx,hy,hz)，將航跡依據(jù)時間間隔ΔT=t一次點-t航跡,航跡速度vx、vy、vz進行外推，得

wt_x=hx+vx·ΔT

(1)

wt_y=hy+vy·ΔT

(2)

wt_z=hz+vz·ΔT

(3)

然后將航跡外推后的直角坐標(wt_x,wt_y,wt_z),轉(zhuǎn)化到極坐標系(wt_r,wt_a,wt_e)進行波門相關(guān)，bomen_r、bomen_a、bomen_e為波門距離、方位和俯仰方向的大小，如果

bomen_r<(R-wt_r)

(4)

bomen_a<(A-wt_a)

(5)

bomen_e<(E-wt_e)

(6)

則落在波門之內(nèi)，不進行后面的靜雜波和動雜波的判斷，一次點跡被識別為目標點；如果在波門之外則進行下一步靜雜波和動雜波識別。

1.2 動雜波識別

將雷達觀測空間根據(jù)單位距離R0、方位A0、俯仰E0劃分為單位大小的網(wǎng)格區(qū)間，如圖1和圖2所示。

圖1 空間網(wǎng)格劃分

圖2 空間單位網(wǎng)格

距站心由近及遠進行排序，賦予每個網(wǎng)格序號(i,j,k)，其中i為距離上的序號，j為方位上的序號，k為俯仰上的序號，按照相應(yīng)的序號，我們可以定位到空間的相應(yīng)區(qū)域，根據(jù)公式

(i-1)·R0≤R

(7)

(j-1)·A0≤A

(8)

(k-1)·E0≤E

(9)

得到一次點跡數(shù)據(jù)(R,A,E)的所在空間的序號(i,j,k)，而每個空間相鄰序號的區(qū)域包括本區(qū)域總共有27個，相應(yīng)序號分別為距離序號(i-1,i,i+1),方位序號(j-1,j,j+1),俯仰序號(k-1,k,k+1)的組合，如果一次點跡落入空間序號(i,j,k)的區(qū)域，則將此區(qū)域積累點數(shù)

Num(i,j,k)=Num(i,j,k)+1

(10)

如果Num(i,j,k)>Num0，其中Num0為動雜波區(qū)閥值。而且時間差(t(R,A,E)-t(i,j,k))<Δtmax，Δtmax為空間區(qū)域累積點跡最大時間差，t(R,A,E)為新來的一次點時間，t(i,j,k)為空間區(qū)域(i,j,k)為上一次更新的一次點跡時間，則該區(qū)域置為動雜波區(qū)，然后區(qū)域時間更新為t(R,A,E)，落入的一次點跡識別為動雜波，否則Num(i,j,k)=1，動雜波區(qū)標志也置為0，也就是區(qū)域不再成為動雜波區(qū)，更新區(qū)域的時間為t(R,A,E)，落入的一次點跡狀態(tài)不變，為可建航點跡。

空間上相鄰區(qū)域進行同樣的積累點數(shù)、更新時間、動雜波識別，雜波區(qū)重置等，這樣可以識別在空間相鄰區(qū)域慢速移動的雜波。

1.3 靜雜波識別

在空間區(qū)域劃分上與動雜波是完全相同的，但靜雜波識別僅識別本區(qū)域的一次點跡數(shù)目，并不影響其它相鄰區(qū)域，在固定的時間間隔T內(nèi)超過靜雜波區(qū)點跡數(shù)目閥值Num的區(qū)域，定義為靜雜波區(qū)，將所在區(qū)域的序號存在靜雜波表中。每次開機后進行讀取，如果在航跡相關(guān)處理中，一次點跡未被判斷為目標點的情況下，落入靜雜波區(qū)直接判定為靜雜波,不再進行動雜波識別。

2 方法步驟

步驟1：初始化階段。初始化相關(guān)結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，將空間以單位距離、方位、俯仰劃分為若干個區(qū)域，并建立網(wǎng)絡(luò)收發(fā)任務(wù)，接受終端參數(shù)控制。

步驟2：接收一次點跡，生成靜雜波表。

步驟3：接收一次點跡和航跡，航跡進行外推，選擇波門進行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)上的點跡為目標點，不進行后續(xù)區(qū)域積累，關(guān)聯(lián)不上的繼續(xù)進行下一步。

步驟4：讀取靜雜波表，靜雜波識別。

步驟5：查找區(qū)域，動雜波識別。

步驟6：更新點跡所在空間上的雜波區(qū)，空間上距離、方位、俯仰相鄰的區(qū)域均進行更新。

步驟7：發(fā)送所有一次點跡。

下面以某雷達為例，說明本方法的具體實施。

本方法應(yīng)用在預(yù)處理板上，預(yù)處理硬件平臺選用X86架構(gòu)的CPCI單板機，CPU2.16G，內(nèi)存1G，存儲器集成在單板機上。軟件平臺的操作系統(tǒng)是Vxworks5.5，開發(fā)環(huán)境是Tornado2.2，軟件語言是標準C語言。

預(yù)處理板接收雷達信號處理發(fā)送一次點跡、雷達終端發(fā)送的控制信息、數(shù)據(jù)處理發(fā)送的航跡。輸出經(jīng)過雜波識別后的一次點跡，如圖3所示。

圖3 處理框圖

首先接收終端發(fā)來的控制信息，包括單位區(qū)域如何劃分，相鄰兩次更新相關(guān)的最大時間差，距離、方位、俯仰上的是否更新相鄰區(qū)域的雜波區(qū)的信息，是否開啟按區(qū)域進行濾波，是否進行雜波區(qū)清空。

在雷達的探測范圍內(nèi)，對空間區(qū)域進行劃分，劃分為若干個單位大小的小區(qū)域，每個小區(qū)域包括自己和空間上相鄰的數(shù)目一共是27個區(qū)域，每個區(qū)域上進行雜波的積累數(shù)目變化，每次雷達開機時進行初始化，每個小區(qū)域初始的積累值均為0，同時系統(tǒng)啟動輔助時鐘。

其次生成靜雜波表，靜雜波表是每到一個新區(qū)域，對這個區(qū)域的狀況進行一個較長時間的積累，單位時間累積的點數(shù)目超過閥值的區(qū)域可以定位為雜波區(qū)，雜波區(qū)的區(qū)域劃分和動雜波區(qū)域劃分是一致的，將超過閥值雜波區(qū)號保存在一張表上，每次雷達開機時可以進行讀取。每次雷達轉(zhuǎn)移陣地后，需要重新學(xué)習(xí)一次并保存。

接著接收一次點跡和航跡，首先查找一次點跡所在的方位區(qū)和相鄰方位區(qū)的航跡，將航跡按照預(yù)測速度進行外推，時間差值為點跡和航跡的GPS絕對時間之差，根據(jù)模式的不同，選擇不同的波門，如果一次點在航跡外推值的波門之內(nèi)，則點跡被識別為目標點，否則進行下一步。

沒有關(guān)聯(lián)上的一次點跡首先進行靜雜波點識別，根據(jù)讀取靜雜波表上的區(qū)域，一次點若落入表里標注的區(qū)域，則識別為靜雜波點，靜雜波點和動態(tài)雜波標志不一樣。雜波代表客觀不移動的一些雜波。

如果一次點沒被關(guān)聯(lián)上且不是靜雜波，則進行區(qū)域查找。根據(jù)點的距離、方位、俯仰，查到所在的區(qū)域序號。如果區(qū)域是雜波區(qū)則直接判定為動雜波，否則繼續(xù)為可建航點跡。

對查找到的區(qū)域各個方向上相鄰的區(qū)域和自己本身進行遍歷(在所有區(qū)域外的相鄰區(qū)域不進行處理)，相鄰也可以控制，具體可以指定為距離相鄰、方位或俯仰相鄰，或其中的組合。如果輔助時鐘當前時間和區(qū)域上一次更新時間差值大于指定的時間，則對區(qū)域歷史積累值進行清空，重新進行積累，時間也進行更新，否則在之前基礎(chǔ)上累加，累積的數(shù)目最大不能超過指定的閥值，當區(qū)域累積值超過閥值后，從下一圈開始所有落入且沒有被關(guān)聯(lián)上和非靜雜波的一次點被識別為動雜波。如果區(qū)域沒有超過閥值則落入的一次點跡識別為可建航點。

最后對所有一次點跡進行發(fā)送，其中狀態(tài)包括靜雜波點，動雜波點，目標點和可建航點跡。

3 處理結(jié)果

外場試驗時，未加預(yù)處理板前，雷達一圈信號處理傳過來一次點跡如圖4所示，雷達工作不正常，虛假航跡特別多如圖7所示。

增加預(yù)處理板后，雷達濾除掉的雜波(包括動雜波和靜雜波)如圖5所示，占總點數(shù)比65%～70%，剩下的可建航點跡如圖6所示，雷達后續(xù)工作正常如圖8所示。

圖4 信號處理點跡

圖5 濾除的雜波點跡

圖6 濾除雜波后點跡

圖7 濾除雜波前航跡

圖8 濾除雜波后航跡

4 結(jié)束語

綜上所述，本方法采用了基于一次點時空相關(guān)性的雜波點濾除方式，應(yīng)用在預(yù)處理板上，通過動、靜雜波識別，減輕了數(shù)據(jù)處理負擔，提高了航跡的精度，提高了終端顯示的準確度，與此同時最大程度保留了目標信息，具有較高的工程應(yīng)用價值。