基于多频信息融合的高频雷达目标检测

郭晓彤 李吉宁 郭文玲 程延锋 张连迎

(中国电波传播研究所,青岛 266107)



基于多频信息融合的高频雷达目标检测

郭晓彤 李吉宁 郭文玲 程延锋 张连迎

(中国电波传播研究所,青岛 266107)

针对高频雷达面临的干扰严重、目标雷达散射截面(Radar Cross-Section,RCS)起伏等问题,提出将靶场雷达中的多频探测技术引入高频雷达,大幅降低了干扰和RCS起伏对雷达系统目标检测能力的制约,同时提出了一种基于非相干积累的多频信息融合技术,将多频点数据在速度域上进行非相干积累,获得高信噪比,进一步提升高频雷达目标检测能力. 通过仿真和实测数据验证,上述方法能够在原有信噪比基础上得到提升,与理论值相近. 证明该方法有效.

多频信息融合;非相干积累;目标检测

DOI 10.13443/j.cjors.2015070902

引 言

高频雷达工作于短波段,频率资源有限,存在大量的广播电台、短波通信和工业干扰,同时还有来自短时存在的雷电、流星余迹等无源干扰[1],它们不仅有近区直接传播而来的,还有从远区通过电离层反射传播来的,长时间相干积累时,电离层的时变性会导致这些干扰的空域、频域特性发生变化,又进一步增加了干扰抑制的难度,加大了对雷达目标检测的影响. 除此之外,由于目标的自身运动,雷达探测到的方位、姿态都会发生变化,目标各个散射分量合成时,雷达散射截面(Radar Cross-Section,RCS)会随频率和姿态变化呈现振荡性起伏,产生许多尖峰或深谷,导致信号可能在短时间内比噪声还低,影响雷达的目标检测能力[2].

文献[3-4]提到的多频连续波探测技术因其设备简单、测距精度高、可同时测速等优点,被广泛应用于靶场雷达、测距雷达等领域,但这些雷达均工作在厘米波波段,工作在短波波段的多频雷达还较少有研究. 因此,本文将该多频探测体制引入高频雷达中,采用连续的多个短波段频率照射目标,获得多个频率目标散射回波信号,解决目标RCS随频率起伏的问题,增加其抗干扰能力,并进一步研究多频短波雷达体制下目标检测的问题,将连续多个频率探测获得的目标回波信号在速度域上作非相干积累,提升回波信号的信噪比,增强高频雷达的目标检测能力.

1 基于多频信息融合的高频雷达目标检测

1.1 基于多频信息融合抑制高频雷达外部干扰

由于高频雷达工作方式的特殊性,其干扰背景比常规雷达强得多,且呈现非平稳性,随频率、季节和每天不同的时间而变化,大量外部干扰严重影响着雷达检测性能. 图1为相邻两个时刻某高频雷达干扰监测系统获得的不同频率干扰强度图,图1(a)中20.11 MHz处为干扰点,20.25 MHz处为干净点,20.59 MHz处为干净点,对应下一时刻图1(b)中20.11 MHz处为干净点,20.25 MHz处为干扰点,20.59 MHz处为干扰点.可以看出,相邻时刻所受干扰频率不同,若雷达仅工作在其中一个频率上,干扰对目标探测能力产生的影响较大;若采用以上三个频率进行探测,均出现强干扰的概率将会大大降低.因此,引入多频体制后,总可以找到受干扰较小的频点数据,从而增强雷达抗外部干扰的能力.

(a)

(b)图1 相邻时刻干扰数据

1.2 基于多频信息融合抑制高频雷达RCS起伏

对于高频雷达而言,大多数飞机、导弹和舰艇目标的尺寸都处在散射能量的谐振区.在谐振区内,由于各散射分量之间的干涉,目标RCS随频率变化产生振荡性的起伏,不同频率之间RCS起伏可达20 dB.图2为利用时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)仿真获得的某中型飞机目标不同入射角和方位角下的RCS.从图中可看出,当入射角为105°,方位角为50°,频率分别为14.4 MHz、16.4 MHz、18.4 MHz及20.4 MHz时,对应的RCS值为10.6 dB、7.708 dB、-7.091 dB及6.038 dB.目标RCS值随频率起伏较大,若雷达仅用18.4 MHz探测,目标RCS值急剧下降,导致目标无法被检测到; 若用以上4个频率进行探测,则18.4 MHz的探测结果对最终的结果影响较小. 因此,引入多频体制后,雷达以一定频率间隔发射探测信号,探测范围内的目标RCS不会同时很小,总有一些频率能够探测到目标,有效克服了RCS随频率起伏的问题.

图2 RCS随频率变化图(入射角为105°)

1.3 基于多频信息融合的高频雷达目标检测处理

由于频率不同,目标RCS会出现起伏,并且起伏程度不同. 对于起伏较大带来的问题,可以采用多频探测技术克服. 而对于起伏不大但信号幅度较微弱的目标来说,探测到的信噪比可能会无法满足检测门限,对此本文在多频探测技术的基础上提出基于非相干积累的多频信息融合技术进一步增强雷达的目标检测能力.

多频雷达以一定频率间隔发射并接收多个频点探测信号,通过对每个频率探测周期内的信号进行脉冲压缩、FFT处理获得距离-多普勒频率谱图,如图3所示.

当目标信号较弱时,每个单一频点数据可能无法通过检测门限,因此,对距离-多普勒谱图进行多普勒-速度转换,再在相同距离单元上对相邻探测周期的速度谱进行非相干积累,获得融合信号,继而进行目标检测,处理流程如图4所示.

图3 距离-多普勒频率谱图

图4 多频信息融合流程

为进一步验证该算法的有效性,开展实地探测试验,试验过程中雷达信号带宽为40 kHz,脉冲重复周期为2 ms,每个频率相干积累时间内脉冲数为512,发射频率范围为5～28 MHz,频率间隔为1 MHz,检测门限为10 dB. 对相邻三个频点的数据进行该算法的验证,其中两组频率的融合结果分别如图6、图7所示.

(a) 探测频率为17 MHz

(b) 探测频率为18 MHz

(c) 探测频率为19 MHz

(d) 三频点融合后图5 融合前后信号的信噪比

图6为14 MHz、15 MHz和16 MHz三个频点融合前后的信噪比对比图,图6 (a)、(b)、(c) 分别为这三个频点探测到的信噪比图,信号处的信噪比分别为8.263 dB、8.808 dB和8.646 dB,接近却均未超过10 dB,无法检测出目标,第四个为融合后信噪比图,信号处的信噪比达到10.42 dB,比单一频率回波信号最高的信噪比高出1.612 dB.

图7为17 MHz、18 MHz和19 MHz三个频点融合前后的信噪比对比图,同理,图7 (a)、(b)、(c)分别为三个频点探测到的信噪比图,信号处的信噪比分别为8.665 dB、8.123 dB和7.958 dB,无法检测出目标,融合后的信噪比为10.41 dB,比单一频率回波信号最高的信噪比高出1.745 dB. 两组频率结果近似,且与仿真结果一致.

(a) 探测频率为14 MHz

(b) 探测频率为15 MHz

(c) 探测频率为16 MHz

(d) 三频点融合后图6 相同距离单元上三频点融合前后的信噪比(1)

(a) 探测频率为17 MHz

(b) 探测频率为18 MHz

(c) 探测频率为19 MHz

(d) 三频点融合后图7 相同距离单元上三频点融合前后的信噪比(2)

从实测数据验证可以得出,在单一频率RCS起伏不大但能量较微弱无法通过门限检测的情况下,经多频融合后提升信噪比,能够提取到真实的目标信息,提高了雷达的目标检测能力.

2 结 论

将多频探测技术引入高频雷达中,可以有效解决目标RCS闪烁问题,增加雷达抗干扰能力,并且在该体制下,将多频信息进行融合,进一步增强雷达的目标检测能力. 经仿真和实测试验验证,能够提高目标回波信号的信噪比,有效提升雷达的信号检测能力.

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Target detection based on multi-frequency fusion of HF radar

GUO Xiaotong LI Jining GUO Wenling CHENG Yanfeng ZHANG Lianying

(China Research Institute of Radio Wave Propagation, Qingdao 266107, China)

Based on serious interference and target fluctuation which HF radar is faced with, it is proposed that multi-frequency detection technique from range radar is applied to HF radar to overcome the restrict the above problem mentioned. Moreover, this paper puts forward an algorithm of multi-frequency information fusion based on non-coherent integration. The algorithm makes non-coherent integration in speed domain, obtaining high signal-to-noise ratio to improve the ability of target detection in HF Radar. Through both simulated and experimental data, the proposed algorithm can improve the signal-to-noise ratio close to the theoretical value, which indicates that this algorithm is effective.

multi-frequency fusion; non-coherent integration; target detection

10.13443/j.cjors.2015070902

2015-07-09

中国电子科技集团公司技术创新基金(JJ-QN-2013-28)

TN011.2

A

1005-0388(2016)03-0592-05

郭晓彤 (1989-),女,河北人,助理工程师,目前主要研究方向为电离层电波传播、雷达信号处理.

李吉宁 (1982-),男,山东人,工程师,目前主要研究方向为高频雷达信号处理和电波传播.

郭文玲 (1986-),女,山东人,工程师,目前主要研究方向为电离层电波传播、雷达信号处理等.

程延锋 (1981-),男,山东人,工程师,目前主要研究方向为电波传播、数值计算、软件开发等.

张连迎 (1983-),男,山东人,工程师,目前主要研究方向为大气无线电噪声测量及电波传播计算等.

郭晓彤, 李吉宁, 郭文玲, 等. 基于多频信息融合的高频雷达目标检测[J]. 电波科学学报,2016,31(3):592-596.

GUO X T, LI J N, GUO W L, et al. Target detection based on multifrequency fusion of HF radar[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(3):592-596. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015070902

联系人： 郭晓彤 E-mail: xtguo1206@sina.cn