X波段PD雷达杂波抑制性能分析*1



X波段PD雷达杂波抑制性能分析*1

黄振远1，朱琳2，肖辉3

(1. 中国人民解放军95980部队，湖北 襄阳441500；

2.南阳师范学院，河南 南阳473000； 3.武警8640部队，河北 定州073000)

摘要：对于X波段地面雷达,要使其在云雨等动杂波环境下的目标检测能力达到指标要求,杂波抑制性能改善非常重要。采用PD技术的地面雷达对此至今尚无明确的论述。基于某型该波段雷达不同PRF时信杂比改善因子的比较分析，对地面雷达采用PD技术时的杂波抑制性能进行了分析，最终的信号仿真论证也证实了分析结果的正确性。

关键词：杂波抑制；改善因子；PD雷达；X波段；杂波滤波器组；脉冲重复频率

0引言

脉冲多普勒(pulse Doppler，PD)技术作为雷达的关键应用技术之一，已在诸如机载雷达中得到广泛应用[1-3]。与常规的脉冲雷达相比，PD雷达的优势在于利用了目标回波中的多普勒信息，并在频域实现目标和杂波的分离，可从很强的地物回波背景中检测出运动目标回波，并能精确测速[4-6]。PD技术与动目标显示(moving target indication，MTI)和动目标检测(moving target detection，MTD)技术相比，可进一步增强杂波抑制能力，提高对动目标的检测性能，有利于雷达可靠地检测到淹没在强地(海)杂波中的小目标。

然而，在常规地面对空情报雷达中，近年来，尽管PD技术已开始得到应用[7-9]，但是，在评价采用PD技术时的杂波抑制能力方面，雷达承制厂所及相关研究单位尚未获得共识。特别是，在实际应用中，由于应用该技术的雷达装备对杂波的抑制效果不很明显，导致多数装备承研方对该技术应用于地面对空情报雷达的可行性存在不同程度的疑问。

本文的研究基于某型X波段雷达信号处理系统改造升级项目。某型X波段雷达是全相参数字脉冲压缩雷达，其信号处理系统在改造升级过程中为有效抑制云雨等动杂波的影响、有效提高目标检测概率，采用了PD处理技术。因此，研究上述所提问题，具有较高的理论研究价值，同时对于该技术的广泛采用具有重要的实际意义。

1PD体制信号处理

PD体制信号处理核心是依据动目标回波的多普勒效应，采用多普勒滤波器组对脉冲串信号频谱的频域滤波，其基本构成如图1所示。接收到的回波信号经过接收机前段的变频、放大后，还要经过距离门选通、单边带滤波器、多普勒滤波器窄带滤波等处理。

PD体制信号处理采用多普勒滤波器组滤波，与MTI的单个滤波器相比，有以下优点：

(1) 多普勒滤波器组覆盖所感兴趣速度范围，与目标响应匹配，分辨和增强在一个特定速度带内的目标信号，同时抑制掉杂波和感兴趣速度带外的其他回波。提供相干积累，改善信噪比。与滤波器频率响应远远没有同目标相匹配的MTI体制相比，PD体制信号处理具有增强检测性能的潜力[10]。

(2) 多个运动目标在多普勒滤波器组中能够彼此分开，类似于云雨的慢动杂波等动目标信号出现在不同的窄带滤波器中，为有效地抑制运动目标提供了方便。

(3) 具有测量目标径向速度的能力。

可见，PD体制相比MTI体制，可更有效地在强杂波背景中检测出微弱的目标信号。PD体制雷达是一种具有更好的杂波处理性能且技术更为复杂的相参体制雷达。

2多普勒滤波器组的改善因子

多普勒滤波器组是由覆盖预期目标多普勒频率范围的一组邻接窄带滤波器组成，可滤除各种干扰杂波，保留所需的目标信号，改善信噪比，是PD体制信号处理中核心部件。多普勒滤波器组实现的基本原理是基于离散傅里叶变换(discrete fourier transform，DFT)算法的滤波特性[11]。其振幅特性为

k=0,1,…,N-1.

(1)

DFT的输出等效为窄带滤波器的幅频响应。对于“白色”噪声，通过多普勒滤波器组后，等效于N个相参脉冲的积累，信噪比提高N倍，改善因子由多普勒滤波器组处理的点数决定。对于有色杂波来讲，多普勒滤波器组把频带细分后，不同频移的目标落在不同的窄带滤波器中输出，将固定杂波和低多普勒频移的慢动杂波与目标信号分开，同时也实现了速度分辨功能。因此对地杂波和慢动杂波均有较好的抑制效果。但是，由式(1)得到的窄带滤波器存在着副瓣，最高的副瓣比峰值响应低13.2 dB，由副瓣进入的杂波将明显地降低对杂波抑制性能。目前解决办法有2种：一种是在滤波器组前面先采用对消器，将零频和整数倍fr附近的杂波滤掉，这样后接的各滤波器中通过副瓣的杂波明显减少，改善因子会有所提高，降低对滤波器组动态范围的要求。不足的是对有频移和较大展宽杂波干扰的抑制效果不好， 多目标检测时会相互干扰。另一种办法是采用加权法降低各个滤波器的副瓣，同样可以提高改善因子，所付出的代价是滤波器的主瓣有所加宽。

图1　PD体制信号处理构成Fig.1　Composition of PD system signal processing

在高斯谱分布的杂波假设下，加权DFT的信杂比改善因子可以由式(2)得到[12-13]

(2)

分布曲线如图2a)所示。当输入信号与第k号滤波器匹配时，不同号改善因子相对于杂波谱宽度的分布曲线如图2b)所示。

由图2a)可见，同一个脉冲重复频率(pulse repetition frequency， PRF)内，不同号的滤波器改善因子变化特点是，远离杂波谱的窄带滤波器改善因子越大，改善因子呈对称分布，fr/2处窄带滤波器改善因子最大，临近nfr处的几个窄带滤波器受杂波谱影响严重。由图2b)可知，目标多普勒频率越高，改善因子就越大。同样地，相同归一化杂波谱宽度的条件下，远离杂波谱的窄带滤波器改善因子越大。

3杂波抑制性能分析

这里主要是结合与低脉冲重复频率(low pulse repetition frequency，L-PRF)的对比，分析提高PRF对多普勒滤波器组杂波抑制性能的影响，即信杂比改善因子的比较。

3.1不同副瓣抑制

不同PRF时，采用不同副瓣抑制时多普勒滤波器组的改善因子分布曲线如图3所示。由图对比结果可见，提高副瓣抑制可以获得高的改善因子，即多普勒滤波器组的性能由副瓣抑制程度决定。但是L-PRF时，由于检测频域有限，受窄带滤波器主瓣展宽影响较大，满足所需改善因子要求的滤波器数反而减少，有效频域范围变小，如图3a)中70 dB与30 dB的情况对比。L-PRF又有严重的的速度模糊，显然只依靠提高副瓣抑制获得高改善因子的方法是不可取的。提高PRF后的情况则不同，如图3b)所示，增大副瓣抑制，改善因子有效频域变化不大，只有临近杂波谱的若干个窄带滤波器，因主瓣展宽改善因子下降。

图2　汉宁窗函数加权情况下改善因子的变化曲线Fig.2　Improvement factor change curve of adding Hanning window

3.2不同PRF和点数

根据上面关于多普勒滤波器组改善因子的分析，可以得出不同PRF和点数，相同副瓣抑制的多普勒滤波器改善因子分布曲线如图4所示。

由图4的改善因子分布曲线结果可见，提高PRF的优点[14-15]：

(1) 增加了最大不模糊速度，即获得更宽的无速度模糊动目标检测区域，减少了因频谱折叠而发生杂波谱遮挡目标信号的概率，同时也增大了滤波器的第一盲速值。

(2) 弥补了L-PRF获得高改善因子时存在有效检测频域不足的局限。

(3) 可提高脉冲滤波器处理的整体性能，同时获得更多远离杂波谱的频率范围，类似于机载雷达的频域无杂波检测区，有利于目标信号的检测。

3.3提高PRF对MTI性能的影响

在地杂波过强，且多普勒滤波器组的高副瓣无法实现的情况下，可采取MTI级联加权多普勒滤波器组的设计方案，MTI前置缓解对加权多普勒滤波器组的副瓣要求。本节主要分析提高PRF对MTI处理性能的影响。

MTI处理常用方法是采用凹口固定在零频的对消器来对目标杂波进行滤除。对消器的种类有多延迟线对消器、N级对消器、横向滤波器(非递归)和递归滤波器等。某型雷达采用2级对消器，因此以N级对消器为代表分析。

N级对消器等效为N级单延迟线对消器作级联，其数字滤波器系统函数为

(3)

图3　不同副瓣抑制的改善因子分布曲线Fig.3　Improvement factor percentile curve of different side-lobe suppression

图4　不同PRF和点数时的改善因子分布曲线Fig.4　Improvement factor percentile curve of different PRF and points

其频率响应为

H(f)=[2sin(πfTr)]n.

(4)

根据式(4)可得到一次、二次对消器特性曲线。可以得出，一次对消器是个不十分理想的倒梳齿形滤波器，它在0,nfr处有零点，因此能起到抑制固定目标和慢速杂波的作用，但由于其频率响应是正弦形的，抑制凹口较窄，故杂波抑制能力是有限的，同时对各种不同的多普勒频率灵敏度相差较大。二次对消器频率响应的抑制凹口加宽了，性能较一次对消器得到改善。随着延迟线数目的增加，H(f)滤波器频率响应函数变窄，有益于提高滤除更多的杂波，但是，带宽的变窄意味着能够检测的运动目标更少。因此目标检测方面的损失是不采用大N值的一个理由。

4信号仿真论证

针对上面的分析结论，以检测距离单元内淹没在杂波中的运动目标信号为例，进行信号仿真验证。

具体参数为：假设雷达工作在X波段，取波长λ=0.03 m；杂波为瑞利分布，杂波展宽σv=0.32 m/s；探测范围内存在2个不同飞行速度的目标，目标1频移fd=1 280 Hz，目标2频移fd=2 400 Hz，处在不同的距离单元内，S/C=-60 dB(强杂波环境)，S/N=20 dB，分别以L-PRF(fr=500 Hz)和较高PRF(fr=3 000 Hz)方式进行处理对比(其中，加权多普勒滤波器组采用切比雪夫窗加权，副瓣抑制比为-70dB；MTI处理采用二次对消器)，仿真结果如图5，6所示，数据结果均是对杂波功率归一化。

图5a)所示为L-PRF方式时零频回波信号的频谱分布，杂波谱与目标信号同时存在。目标谱为频谱折叠后的分布，即

fd1=mod(1 280/500)=280 Hz，

fd2=mod(2 400/500)=400 Hz.

采用二次对消滤波器，滤波结果如图5b)所示，由于信杂比过小和杂波谱展宽的原因，杂波干扰严重。若在二次对消滤波器后接未加权的多普勒滤波器组，滤波结果如图5c)所示，通带内输出的杂波干扰得到一定改善。直接采用未加权的多普勒滤波器组，滤波结果如图5d)所示，干扰严重，杂波谱淹没目标信号，但是对信噪比改善较好。对靠近杂波谱的动目标2，由于窄带滤波器主瓣展宽，目标检测受到杂波谱干扰严重。而对于远离杂波谱的动目标1，目标检测效果明显改善，即L-PRF方式时，采用较高副瓣抑制的加权多普勒滤波器存在有效检测频段有限的不足，同图3的分析结论。另外，对比MTI和多普勒滤波器的滤波结果图可以看出，后者有较好的信噪比改善效果。

图5　L-PRF方式检测目标仿真结果图Fig.5　Simulation results of detecting targets with L-PRF way

图6　提高PRF检测目标仿真结果图Fig.6　Simulation results of detecting targets with improved PRF

较高PRF方式时，回波信号频谱分布如图6a)所示。同样采用二次对消滤波器，滤波结果如图6b)所示，对比图5b)可见，提高PRF可滤除更多的杂波，即有利于改善对消器的杂波抑制性能，同第3部分分析结论。采用未加权的窄带滤波器的滤波结果如图6c)所示，同样副瓣泄露的杂波会严重干扰目标的检测。而采用合适的加权窄带滤波器的滤波结果如图6d)所示，对于动目标1和动目标2均有较好的滤波效果。图中多普勒滤波器组的输出均指的是目标所在的窄带多普勒滤波器输出。

5结束语

由上述分析及信号仿真论证可以得出，某型X波段雷达在采用PD技术后可以通过提高PRF增强信号处理的杂波抑制性能。同时，着重从获得高的杂波抑制性能角度，结合与L-PRF方式的对比，分析了某型X波段雷达采用较高PRF方式可获得更多的脉冲数，利于滤波器的设计，可获得更为有效的目标检测频段，同时还具有受杂波展宽影响小，更宽的无速度模糊频域、降低相位噪声混叠的影响等优点，这为下一步该型装备的升级改造提供更多的依据。

参考文献：

[1]周云，汪学刚．机载PD雷达杂波功率谱快速重构方法[J]．电子科技大学学报，2011，40(2)：180-184.

ZHOU Yun, WANG Xue-gang. Rapid Reconstrut Method of Airborne Pulse Doppler Radar Clutter Power Spectrum[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology，2011，40(2)：180-184.

[2]邱荣剑，郭振耀，姜本清．机载PD雷达目标检测仿真研究[J]．舰船电子工程，2006，26(3)：163-166.

QIU Rong-jian, GUO Zhen-yao, JIANG Ben-qing. Study on Simulation of Target Detection of Airborne PD Radar[J]. Ship Electronic Engineering，2006，26(3)：163-166.

[3]汪军，张智军，祝锋，等．机载PD 雷达中重频模式的杂波视频信号仿真方法[J]．弹箭与制导学报，2010，30(1)：248-250.

WANG Jun, ZHANG Zhi-Jun, ZHU Feng, et al. The Video Signal Simulation Method of Clutter when Airborne PD Radar is Working on the MPRF State[J]. Journal of Projectiles, Rocekets, Missiles and Guidance，2010，30(1)：248-250.

[4]崔忠正，何松华，张军．弹载PD制导雷达主瓣杂波镜频干扰抑制方法[J]．弹箭与制导学报，2011，31(4)：65-68.

CUI Zhong-zheng, HE Song-hua, ZHANG Jun. The Study on Suppression Method of Main Lobe Mirror-Frequency Interference fo Missile-Borne Pusle Doppler Radar[J]. Journal of Projectiles, Rocekets, Missiles and Guidance，2011，31(4)：65-68.

[5]杨光，卢大威，晏行伟，等．HPRF-PD制导雷达抗TRAD评估算法基准问题研究[J]．系统仿真学报，2011，23(8)：1691-1697.

YANG Guang, LU Da-wei, YAN Xing-wei，et al. Benchmark Problems with Anti-TRAD Algorithm Evaluation in HPRF-PD Seeker Radar[J]. Journal of System Simulation，2011，23(8)：1691-1697.

[6]卢大威，晏行伟，占荣辉，等．线性调频宽带PD制导雷达目标检测研究[J]．现代电子技术，2011，34(7)：1-4.

LU Da-wei, YAN Xing-wei，ZHAN Rong-hui, et al. Target Detection Based on Wideband PD Guidance Radar with Linear Frequency Modulation[J]. Modern Electronics Technique，2011，34(7)：1-4.

[7]雷火明，林强，余希华．地面中重频PD雷达探测巡航导弹性能分析[J]．舰船电子工程，2010，30(2)：107-110.

LEI Huo-ming, LIN Qiang, YU Xi-hua. Performance Analysis on Cruise Missle Detection with Ground-Based PD Radar[J]. Ship Electronic Engineering，2010，30(2)：107-110.

[8]王利军，朱和平，郭建明，等．地面PD雷达探测巡航导弹关键问题研究[J]．现代雷达，2010，32(6)：17-21.

WANG Li-jun, ZHU He-ping, GUO Jian-ming, et al. A Study on Key Problems of Ground-Based PD Radar for Detecting Cruise Missile[J]. Modern Radar，2010，32(6)：17-21.

[9]李磊，谢拥军，李晓锋，等．一种探测低飞目标的PD雷达仿真系统[J]．系统工程与电子技术，2010，32(6)：1131-1135.

LI Lei, XIE Yong-Jun, LI Xiao-feng, et al. Pulse Doppler Radar Simulation System for Detecting Low Altitude Targets[J]. System Engineering and Electronics，2010，32(6)：1131-1135.

[10]朱持恒．PD雷达接收及信号处理系统SPW仿真研究[D]．成都：电子科技大学，2004.

ZHU Chi-heng. The SPW Simulation Research of PD Radar Receiver and Signal Process System[D].Chengdu: University of Electronic Science and Technology，2004.

[11]Schleher D Curtis．MTI and Pulser Radar[M]．Boston：Artech House，1991.

[12]马晓岩，向家彬．雷达信号处理[M]．长沙：湖南科学技术出版社，1999.

MA Xiao-yan, XIANG Jia-bin. Radar Signal Processing[M]. Changsha: Hunan Science and Technology Press，1999.

[13]钟红蕾，柴常春．雷达的杂波特性及杂波抑制技术[J]．信息与电子工程，2005，3(1) ：66-71.

ZHONG Hong-lei, CHAI Chang-chun. Study on Radar Clutter Characteristics and Clutter Suppression Technique[J]. Information and Electronic Engineering，2005，3(1) ：66-71.

[14]徐绵起，李侠，朱剑平．X波段雷达重复频率(PRF)设计[J]．现代雷达，2004，26(3)：14-17.

XU Mian-Qi, LI Xia, ZHU Jian-ping. A PRF Design Method for X-Band Radar[J]. Modern Radar，2004，26(3)：14-17.

[15]徐绵起，李侠，宁有安，等．X波段雷达信号处理相关参数设计论证[J]．舰船电子对抗，2003，26(5)：13-20.

XU Mian-qi, LI Xia, NING You-an, et al. The Correlation Parameter’s Design and Demonstration of X-Band Radar Signal Processing[J]. Ship Electronic Counter，2003，26(5)：13-20.

Performance Analysis of Clutter Suppression for X-Band PD System Radar

HUANG Zhen-yuan1，ZHU Lin2，XIAO Hui3

(1.PLA,No.95980 Troop, Hubei Xiangyang 441500,China；2. Nanyang Normal University,Henan Nanyang 473000,China；3. Armed Police Force, No.8640 Troop, Hebei Dingzhou 073000, China)

Abstract:For X-band ground-based radar, in order to reach the target detection ability requirement in cloud and rain clutter, the performance improvement of clutter suppression is very important. However, there are no relevant demonstrations in ground-based radar using pulse Doppler (PD) system. Based on the comparative analysis of signal noise ratio (SNR) improvement factor for some type X-band radar, the performance improvement of clutter suppression of ground-based radar using PD system is analyzed, the final signal simulation demonstration confirms the correctness of the analysis.

Key words:clutter supression; improvement factor;pulse Doppler(PD) system radar; X-band；clutter filter bank; pulse repetition frequency

中图分类号：TN958.2

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-05-0135-07

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.023

通信地址：441500湖北省襄阳市襄城区环山路86号51分箱E-mail：chelonkjld@163.com

作者简介：黄振远(1982-)，男，湖北孝感人。工程师，硕士，主要研究方向为雷达系统、雷达信号处理。

*收稿日期：2014-08-31；修回日期：2015-02-03