强海杂波背景下雷达低仰角跟踪技术研究

卢长海， 陈凤友， 李 鹏

(解放军91550部队 92分队，辽宁 大连 116023)

强海杂波背景下雷达低仰角跟踪技术研究

卢长海， 陈凤友， 李 鹏

(解放军91550部队 92分队，辽宁 大连 116023)

海杂波抑制和低仰角跟踪是雷达系统中需要解决的关键技术难题,需要对雷达系统进行针对性设计。某跟踪测量雷达通过综合运用时间灵敏度控制、动目标显示与检测、双门限检测等海杂波抑制手段和自适应偏轴跟踪、频率分集、雷遥协同等低仰角跟踪技术，在对掠海目标跟踪过程中取得了理想的跟踪效果，测量精度达到了设计要求。

海杂波；恒虚警率；偏轴跟踪；频率分集

0 引言

雷达回波信号主要由目标信号、噪声信号、固定地物杂波信号以及海杂波信号等组成，其中固定地物杂波信号具有多普勒频移为零的典型特性，根据这一特性可以采用杂波对消措施，有效将杂波滤除；而海杂波是运动的，本身也会产生多普勒频移，具有很强的时、空相关性，对其特性的研究和抑制是雷达探测的难点。目前主要采用相干积累、大动态接收机和设计适当的滤波器来抑制杂波和噪声干扰、保留有用的目标信息[1]。雷达低仰角跟踪时视轴俯仰角很小甚至达到负角度，主波束直接扫过海面，多路径反射信号严重干扰了雷达对目标的稳定跟踪和精确测量。

1 海杂波的抑制方法分析

全相参脉冲雷达系统中，A显示器显示相位检波输出的回波信号波形，能提供目标距离和信号强度信息。固定杂波的多普勒频率在零频率附近，所以雷达连续多次探测全相参检波器输出的固定杂波回波信号变化很慢，多次扫描基本上是重复的。而动目标回波信号具有多普勒频率，对应于雷达的连续多次探测，其回波信号受多普勒频率调制是变化的，在显示器上呈现“蝴蝶形”。因此利用这一特性进行杂波抑制，通常采用动目标显示( MTI) 、动目标检测( MTD)的方法；恒虚警率(Constant False-Alarm Rate, CFAR)处理技术是在雷达自动检测系统中给检测策略提供检测阈值并且使杂波和干扰对系统的虚警概率影响最小化的信号处理算法[2]。标准雷达门限检测假设干扰电平是已知常数，但海杂波的多变特性会造成虚警概率急剧增加，因此强海杂波干扰中提取信号, 不仅要求有一定的信噪比, 而且要求检测器具有恒虚警性能。

1.1 MTI/MTD抑制分析

MTI的原理是利用动目标和无源杂波(固定杂波和慢动杂波)信号的多普勒频移不同，设置相应的杂波对消滤波器来抑制海杂波。MTD 是为了弥补MTI的缺陷, 并根据最佳滤波器理论发展起来的一种雷达信号处理技术。因此需要在MTI后串接一组相邻且部分重叠的窄带滤波器组, 覆盖整个重复频率的范围, 以达到动目标检测的目的。其实质是相当于对不同通道进行相参积累处理。

MTI/MTD的功能框图如图1所示,信号处理系统采用三脉冲对消后接多个脉冲FFT多普勒滤波器组，该滤波器组采用频率域加权来降低滤波器的副瓣电平，同时为了能够检测切向飞行的目标，当目标径向速度低于设定门限时，不进行三脉冲对消，通过零速滤波器进行处理。

图1 MTI/MTD的功能框图

改善因子是衡量MTI杂波抑制能力的重要指标，它与权系数、杂波谱宽和所处理的脉冲数有关,三脉冲对消改善因子可近似表示为[3]：

式中，σv为杂波标准偏差，地杂波取0.32 m/s，海杂波取0.7 m/s；σc为杂波功率谱的均方根频谱宽度，fr为雷达重复频率，λ为雷达波长。盲速问题是MTI应用的最大问题，目前主要采用 PRF 参差办法来解决，但参差会对改善因子产生限制。改善因子还受其他分系统不稳定因素的限制，主要表现在稳定本振和相参振荡器的频率变化、发射机脉冲之间的频率变化、发射机脉冲之间的相位变化及相参振荡器锁相不稳、定时脉冲的时间及幅度抖动和A/D 变换器的采样脉冲抖动等[4],所以实际的信杂比改善达不到理论的改善效果。若雷达重复频率取1 000 Hz，海杂波功率谱的均方根频谱宽度等于26.1，海杂波谱宽度与雷达重复频率之比等于0.026。在海杂波谱宽度与雷达重复频率的比值不大于0.026的条件下，三脉冲对消后接8脉冲多普勒滤波器组的各个滤波器(除1号滤波器，用于检测切向目标)的改善因子和平均改善因子不低于40 dB。

1.2 双门限检测技术

第一检测门限为CFAR门限，第二检测门限采用二进制积累N/M检测门限。CFAR 处理是一种提供检测阈值的数字信号处理算法，是在实际干扰环境下提供可预知的检测和虚警的一组技术，又称为“自适应门限检测”[5]。其对海杂波抑制具有一定的效果。单元平均CFAR(CA-CFAR)适用于空间上统计平稳的背景，检测单元达到一定量时，CFAR处理器性能接近最优恒虚警。但在海杂波环境下，明显不满足应用条件，而且边缘效应比较严重，最后除法运算计算量较大[6]。

对于测量雷达所使用场景，由于海杂波的严重不均匀性，也不太关注可能出现的紧邻目标，相对于目标遮蔽效应，更加关注海杂波边缘的虚警。因此采用改进的单元平均CFAR，使用单元平均选大CFAR(GO-CFAR)，如图2所示。分别对前后参考窗内的数据进行平均处理，门限由两个估计量中较大值决定。 GO-CFAR在杂波边缘处能成功规避虚警，与传统CA-CFAR相比，会产生一个附加的恒虚警处理损失。

快门限CFAR主要作用于杂波区，用于抑制剩余杂波的影响，第二检测门限采用N/M的判断准则，即M个待检测单元有N个超过门限就满足检测条件。

注：N为形成左右门限的积累数；M为保护单元点数，由脉宽和采样率决定；Factor为门限乘子。

1.3 动态灵敏度时间控制(STC)和应答工作模式

为了避免在强海杂波下接收机出现饱和，采用时间灵敏度控制(STC)，减小近程海杂波的绝对强度，使近程海杂波达到噪声电平。但由于实际环境海杂波强度无法预计，造成STC静态设置不能准确抑制海杂波。设置衰减过小，易引起接收机饱和，使杂波频谱展宽，造成雷达性能下降；若设置衰减过大，则易引起接收信号偏弱，影响雷达对小目标的探测。因此需要根据雷达所处环境，计算出不同方位、俯仰、距离动态STC值，解决静态STC设置问题。

雷达最大输入动态范围计算方法[7]：

D=40lg(Rmax/Rmin)+10lg(σc/σt)+S/N

(1)

(2)

式中，Rmax、Rmin为最大、最小作用距离;σt为目标RCS;σc为杂波面积；S/N为单一脉冲检测信噪比;σ0为海杂波后向散射系数;λ为雷达波长；τ为脉冲宽度；θ0为方位波束宽度;ξ为最大方位扫描角;LBS为波束形状损失。

设在距离R处输入动态范围为Din，输出动态范围为Dout，则距离R处的STC 值DRSTC=Din-Dout。

对于具有应答模式的合作目标，应答工作时，在保持应答机触发条件下，应尽可能大地使发射机输出功率衰减，以减少海杂波回波强度。由于应答机输出功率恒定，此方法将有效提高信杂比，有利于改善低空跟踪质量，利用应答机信号与海杂波信号的幅度差异消除海杂波的影响。

2 低仰角跟踪技术

单脉冲雷达在低仰角跟踪状态，由于多径效应的存在，雷达和差通道信号由目标和镜像信号组成，误差电压表示为：

(3)

式中,∑、Δ分别表示和、差信号；f∑、fΔ表示和、差方向图；θb为雷达波束指向；θt为目标仰角；ρ为反射系数；ψ为擦地角；D为扩散因子；δ为直射波与反射波路程差；Φ为反射系数的相角。

单脉冲雷达在跟踪低空目标时，由于镜像目标存在，发射路径与接收路径不一致，两个波在雷达进行叠加，会产生相位差，该相位差将会影响雷达对目标的跟踪，使得雷达测角精度降低。

2.1 偏轴跟踪技术

偏轴跟踪技术是一种用来扩展主瓣反射区(目标范围为0.3θb<θt<1.5θb)稳定数据的有效方法。当雷达探测低空目标时，为防止主波束触海面而引入大量干扰，不再用波束中心去跟踪目标，而是用偏轴指向某一角度，目的是使直射波由雷达主波瓣进入接收机信号放大，反射波由副瓣进入接收机信号衰减，达到克服多路径效应的目的。

由于偏轴跟踪避开了和通道中可能出现的镜面反射导致的强衰减(deep fades),漫反射分量可以认为是对差通道噪声分量的贡献。偏轴单脉冲技术不能有效地应用于θt在0.15θb以下的情况，尽管此时仍能给出目标角度，但其3σE(均方根)误差会超出目标的俯仰角。图3给出了不同反射面下采用偏轴单脉冲测量技术的俯仰角归一化误差[8]。

图3 不同表面对偏轴单脉冲测量产生的归一化误差

因偏轴跟踪固定值具有一定限制，如果低空目标仰角变化范围比较大，固定波束俯仰方向，可能使直射波脱离主瓣，使目标穿出波束，导致丢失目标。为了克服上述问题以及偏轴技术在水平反射区测角误差大的不足，可增加自适应偏轴功能以及将偏轴跟踪与C2算法相结合以保证跟踪稳定性。

(1)自适应偏轴控制

采用自适应偏轴控制，通过不断地改变偏轴角以保证目标的直射波在主瓣内，镜像的反射波在主瓣之外。进行自适应偏轴处理时，俯仰偏轴角度需根据俯仰角度开环预测值分档控制，控制可采用如表1所示的准则，当俯仰开环预测值大于1.5°(波束宽度为1°)时取消偏轴跟踪状态，恢复正常跟踪。

表1 自适应偏轴控制准则

(2)偏轴跟踪技术和C2算法相结合

C2算法是将低仰角目标及其镜像分别当作两个很接近的独立目标，用复数分别表示和、差通道的数据，利用一串脉冲的测量结果估计出目标和镜像组合的几何中心位置以及角度分布范围的数值，从而推算出目标的角坐标。具体算法略，见文献[9]。

由于C2算法是多目标角度分辨算法，将海面反射看作是来源于镜像目标的回波，并将多目标重心位置看作几何中心位置来推算目标仰角，因此可以将偏轴角确定为更低的临界角度，甚至是负角度。

2.2 频率分集

当雷达接近目标时，目标角闪烁已成为雷达测角误差的主要来源，尤其当跟踪大的扩展目标时，目标角闪烁已成为提高雷达角跟踪精度的主要障碍[10]。分集技术是抑制角闪烁的一类重要方法，它主要是利用角闪烁在不同的输入激励下具有不同规律的原理来进行平滑。常见的分集技术有空间分集、极化分集和频率分集[11]。

频率分集是指使用具有足够大频率间隔的雷达发射信号照射目标,使得角闪烁数据的相关性降低,从而达到抑制角闪烁的目的。当直射信号与反射信号的相位差约为180°时,和通道接收的信号电压衰减最严重，此时的俯仰角测量误差也最大。相位差主要是由直接路径和反射路径的路程差引起的，它取决于波长，因此如果频率发生变化，该误差的最大值就会在距离上发生漂移。当直接信号和反射信号同相时，雷达对目标及其镜像的“重心”进行跟踪。如果使用多个频率跟踪目标，始终选择误差最小的那个频点的数据就可以避免最大峰值误差的出现，达到稳定跟踪的目的。

2.3 雷达遥测协同跟踪

协同跟踪是指根据实际环境的约束条件建立衡量不同传感器对目标跟踪能力的标准[12]，综合利用不同跟踪手段使跟踪性能最优，通过传感器间的接力、协作跟踪完成监视区域内目标的跟踪任务。对于具有遥测信息发射的合作目标，遥测载波的获取无疑是一种有效的跟踪源。雷达主要任务是精密跟踪测量，因而波束宽度和脉冲宽度都很窄，特别是在海杂波背景下的低仰角截获跟踪受到很大限制。将雷达和遥测协同进行了一体化设计，雷达和遥测引导设备天线共面，具有相同的伺服系统，遥测作为雷达的一个引导源，直接将其跟踪接收机误差电压送共同的伺服驱动系统，雷、遥之间跟踪可以相互切换。此时遥测引导分系统设置为协同状态，测量雷达发射高功率脉冲信号，雷达馈源接收处理目标回波信号，而遥测不发射信号，从遥测馈源接收处理下行遥测信号。目标进入雷达波束后遥测引导系统首先锁定跟踪目标，通过接收遥测接收机送来的角度误差信号完成雷达的低仰角捕获跟踪。

3 结束语

随着对海杂波认识的不断深入，以及雷达信号处理能力的逐步增强，海杂波抑制手段和低仰角跟踪技术将变得更加可行、有效。某跟踪测量雷达根据不同的测量对象、不同的海况环境，灵活采用以上杂波抑制手段和低仰角跟踪技术，取得了较好的跟踪测量效果，获取了有效的测量数据。

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Study on low-elevattion tracking technology of radar with the strong sea clutter

Lu Changhai， Chen Fengyou， Li Peng

(Team92, Unit 91550 of PLA,Dalian 116023,China)

Sea clutter suppression and low elevation tracking are the key technical problems in radar system, which need the targeted design. Certain tracking measurement radar comprehensively uses the means of STC MTI/MTD and double threshold detection methods in sea clutter suppression and low elevation tracking technologies of self-adapting bias axis tracking, frequency diversity and collaboration of radar & telemetry etc in the process of the skimming target tracking, and has achieved an ideal tracking result. The measurement precision has reached the design requirement.

sea clutter; Constant False-Alarm Rate (CFAR); bias axis tracking; frequency diversity

TN850.6

A

1674- 7720(2016)03- 0075- 03

卢长海，陈凤友，李鹏. 强海杂波背景下雷达低仰角跟踪技术研究[J].微型机与应用，2016,35(3)：75- 77，87.

2015-10-09)

卢长海(1977-)，男，硕士研究生，工程师，主要研究方向：无线电测量。