对海虚警抑制的数据处理工程方法

冯俊涛 ，吴 昊

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088；2.海军驻合肥地区军事代表室，合肥 230088)

对海虚警抑制的数据处理工程方法

冯俊涛1，吴 昊2

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088；2.海军驻合肥地区军事代表室，合肥 230088)

针对预警雷达对海处理时剩余海杂波多、虚警多、目标分裂大的特点，提出利用在数据处理的点迹凝聚、相关处理、跟踪滤波等阶段，采用等效幅度加权点迹凝聚法、径向频率模糊反解法，实现对海虚警的抑制。

预警雷达；虚警抑制；数据处理；对海处理

0 引 言

雷达对海工作过程中面临着复杂的工作环境，会出现大量的虚假点航迹。尤其是杂波的干扰，不仅不同海情下的分布具有极大的差异，而且还包含地杂波、气象杂波等。这些都给海面目标的检测和跟踪带来困难。

在信号处理层面，一般采用动目标显示技术(MTI)、动目标检测技术(MTD)、脉压、恒虚警检测(CFAR)等来抑制杂波，具有一定的抑制效果，但并不能充分抑制杂波剩余，尤其在复杂、恶劣的环境下，会给后端带来大量的杂波和虚警。对于一些MTD体制的雷达来说，由于其低重频、宽波束特性，将更进一步导致目标的分裂，这些都对后端的数据处理带来了很大的困扰。检测前跟踪(TBD)利用微弱目标的相干积累和长时间非相干积累，根据目标的短时运动特性，累积目标可能运动轨迹上的能量，来实现检测微弱目标的方法。但是，算法的复杂度比较高，鲁棒性比较差是TBD在工程实现上需要解决的一个问题。工程上也有一些利用数据处理抑制杂波虚警的研究，如利用回波的幅度、宽度、多普勒速度、杂波图、改变起始准则等方式去抑制信号处理泄露到后端的杂波，取得了一定的效果。

本文针对雷达对海工作过程中的特殊工作情况，提出等效幅度加权点迹凝聚、径向频率模糊反解、二次滤波等数据处理的方法，分别从数据处理的点迹凝聚、相关处理、跟踪滤波等阶段实现对虚警的抑制。实际工作证明，这些方法简单可行，能有效地实现一定程度上的虚警抑制。

1 抑制虚警的数据处理方法

1.1 等效幅度加权点迹凝聚法

原始目标的点迹数据受雷达工作频段、脉冲重复频率、转速、波瓣宽度等工作参数的影响，即使相同目标，其目标回波起伏、目标机动、姿态及航向的改变在不同雷达上表现也是有很大不同。通常，原始目标的点迹数据主要来源有3类：(1)杂波剩余、噪声虚警形成的虚假点迹；(2)真实目标回波及距离旁瓣占据多个距离量化单元，并通过检测门限形成多个点迹；(3)检测准则与水平波瓣的不匹配引起的目标分裂、目标方位旁瓣超过检测门限等也可形成多个点迹。尤其对于一些机载预警雷达来说，对海面目标的探测更多采用的是MTD，重频低、波束宽、径向速度等特征参数变化比较大、方位测角精度不高，目标分裂严重。

传统的点迹凝聚一般有3种：幅度峰值法、中心法和幅度加权质心法。从理论上说，幅度加权质心法是相对较优的算法，它既考虑了幅度大的点迹可靠性更高，又考虑了多点信息的充分利用。以方位凝聚为例，其一般公式为

(1)

式中，n为点迹个数，adi、Ai分别为第i个点迹的回波幅度和方位值。但是，幅度加权质心法对于幅度信息的体现上较峰值法又有所降低，比如有3个点，其幅度采样并取对数的20倍后的值分别是60、60、80dB。那么，这3个点利用幅度加权质心法所占有的比重将是6/20、6/20、8/20。从目标采样角度来说，很明显两个60dB的点迹所占比重过大。

实际上，在目标分裂比较严重的情况下，幅度峰值法往往更接近于真实目标。但是，幅度峰值法没有充分利用多点信息，其原因主要在于幅度往往采用的是分贝值。它实际上是一种数学上的压缩后的表达方式。因此，在本文中采用一种等效幅度加权质心法的点迹凝聚方法，同时考虑到CPI脉冲数的不同也会造成幅度的不一致性，因此还需要结合脉冲数。不失一般性，下面的推导以方位凝聚来说明。

一般来说，方位凝聚有

(2)

(3)

其中ADi是目标采样的真实幅度。而一般来说，在点迹凝聚时所采用的幅度值是采样后真实幅度的分贝值或分贝值的一定倍数，通常有

adi=20*logADi

这里adi是采样幅度的分贝值。于是有

1/Stdi∝ADi=10adi/20

考虑到工程实现上点迹凝聚一般分为3个层次，即同波束内距离凝聚、同波束内方位凝聚和波束间点迹的距离方位凝聚。那么，在凝聚的时候就必须考虑两个方面的影响因素：一是待凝聚的点迹可能本身就已经是前面由多个点迹凝聚过后的点迹，一是由于对海视频积累时由于目标跨越不同fr(重复频率)导致幅度积累的差异。

(1) 考虑每个点迹都是由ki个点迹凝聚而来(如没有凝聚，则ki=1),其多点迹所带来的得益一般为sqrt(ki)，于是有

(4)

因此，最后的等效幅度为

(5)

其中，1/Stdi=10adi/20，adi是信号处理给出的幅度分贝值，使用本公式的等效幅度E_ADi去代替公式普通质心法中的adi即可得到点迹凝聚值。

(2) 对于第2个问题，如果此刻目标正好跨越不同fr，由于脉冲数的不同，导致叠加积累，那么就极有可能出现在高fr波束上得到的等效E_AD要异常超出其他低fr的波束。考虑不同的fr对幅度值进行归一化，可以将几个波束上的目标全部归一到最小fr波束上，也可以统一全部归一到一个指定假设fr的波束上，然后得到最终的等效E_AD。

1.2 径向频率模糊反解法

机载预警雷达的对海探测一般从信号处理较难获得径向频率，即使取得径向频率的值，往往也出现失真。这是因为在求解目标径向频率数据时，由于在多个频道上都会有目标，因此在求解径向频率的时候，只能通过求解比较多组方程组得到最终的径向频率。如果能在每个重频的CPI中都能检测到，那么求解就会精确，否则就可能会出现频率跳变的现象。如果是多重频(四重频以上)雷达，即使有一些频道上没有检测到，也可以通过3/4或3/5等准则来获得相对准确的径向频率数据。而对于MTD雷达，这是较为困难的，这使在目标相关的时候失去了一项重要的特征。

从探测的实际数据来看，径向频率出现跳变的现象可达到32%～60%。比如，对于一组三重频的雷达来说，同一批目标同一波束探测到的径向频率实际会出现多个值，如652 Hz和-743 Hz(下面涉及径向频率均为此单位)。

但是，通过分析数据，发现有很大一部分跳变的径向频率如果将它们对重频求模后往往是有两个值是接近的。比如上述所说的同批同波束探测到的目标频率值652和-743，如果按照重频求模后，其值分别是186、94、286和189、94、355。可以发现，前两个求模后的值是非常接近的。本来是两个绝无可能相关在一起的数据，但通过求模反解后数据具有极大的关联性。

针对这种情况，确定径向频率模糊反解法来计算是否具有相关性。通过处理的结果看，其径向频率错误纠正率能够得到60%～95%的提高。

根据相应的实测数据，确定求模反解径向频率的关联准则：

(1) 按照2/3准则判断径向频率是否相关；

(2) 不相关，对径向频率求模反解，按照2/3准则判断径向频率是否相关；

(3) 仍旧不相关，利用频道个数和第3条判别中相关个数给出这些相关频率的可信度；

(4) 根据可信度，结合多帧内其他波束探测的距离、方位，判断是否相关；

(5) 没有相关上就丢弃。相关上的频率不再对频率凝聚，而是根据各种条件选择其中各项条件最好的值。

2 实际效果

下面以某次实际飞行探测的目标为例。某型舰艇背站行驶，雷达背负在运动平台上，对舰艇探测跟踪从84 km到128 km。由于舰艇运动速度慢而雷达平台运动速度快，目标分裂较大，对探测跟踪带来了较大的难度。图1～3分别为在采用等效幅度加权凝聚和常规点迹的凝聚跟踪比较，以及径向频率和模糊后的分布情况。

图1和图2是针对目标跟踪分别在直角坐标系和极坐标系下的表述，其对应关系是x、y求模后为距离、求atan后为角度。从图中可以看出，由于目标分裂，导致如果采用常规凝聚方法将导致波束中的探测信息较为分散，而采用等效幅度加权凝聚法，不仅兼顾了其他波束信息，同时凝聚后更集中于峰值较大的波束。

图3是原始的径向频率和模糊后的径向频率分布，原始准确率约在76.77%。采用低重频雷达径向频率模糊反演法，系统的径向频率正确率提高到92.93%，错误的径向频率中有69.56%可以修正过来。

图1 直角坐标系下目标凝聚跟踪

图2 极坐标系下目标凝聚跟踪

图3 径向频率分布即模糊后的分布

3 结束语

在实际工程中，雷达的剩余杂波和虚警是不可避免的问题，无论前端采取什么方法，尤其当雷达的工作环境恶劣时更为明显。因此，通过在数据处理阶段进行虚警抑制有着重要的意义。工作实践表明，在某型预警雷达试验中，本文的方法能够较好地抑制虚警，对航迹起始和跟踪具有相应的实际意思。

[1] 费利那 A, 斯塔德 F A. 雷达数据处理[M]. 北京：国防工业出版社，1992.

[2] 张光义.雷达系统[M].北京：国防工业出版社，1994.

[3] 何友,等.雷达数据处理及应用[M].北京：电子工业出版社,2006.

[4] 蔡庆宇,薛毅,张伯彦.相控阵雷达数据处理及其仿真技术[M].北京:国防工业出版社，1997.

[6] 王燕荣.机载雷达杂波抑制的KA-STAP方法研究[D].西安电子科技大学硕士论文，2012.

[7] 罗倩,王岩飞.预警雷达杂波抑制和微弱运动目标检测算法[J].北京工业大学学报,2012(3):369-373.

[8] 徐晓群,吕江涛.舰载雷达数据处理的杂波抑制方法[J].现代雷达,2004(8):36-38.

[9] 汤成霞,徐晓群,等. 雷达杂波抑制的新方法研究[J]. 现代雷达, 2012(9):63-65.

Engineering methods of data processing of false alarm suppression for sea targets

FENG Jun-tao1, WU Hao2

(1.No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088;2.Military Representatives Office of the Chinese PLA Navy in Hefei, Hefei 230088)

In view of the characteristics that there are excessive clutters, false alarms and target split when the sea targets are processed for the early-warning radar, the equivalent weighted amplitude plot clotting method and the radial frequency fuzzy inverse solution are proposed to realize false alarm suppression in the stages of plot clotting, correlation processing, and tracking filter of data processing.

early-warning radar; false alarm suppression; data processing; processing for sea targets

2014-03-09；

2014-05-12

冯俊涛(1974-)，男，高级工程师，硕士，研究方向：雷达软件体系结构、雷达数据处理、目标跟踪、信息融合等；吴昊(1983-)，男，工程师，研究方向：信号处理等。

TN959.72

A

1009-0401(2014)02-0026-04