雷达的帧间相关处理方法研究

张 晔 孙汉奇 陈伯孝 杨 婷

(1.南京长江电子信息产业集团有限公司 南京 210038；2.西安电子科技大学 西安 710071)

0 引言

对海面目标探测的雷达由于受到复杂海情或海况的影响，特别是海尖峰，导致虚警概率较高。尽管对海雷达一般都采用海杂波抑制技术，但是目前的海杂波抑制技术基本都是基于雷达当前帧内(即在一个扫描周期的一个波位内)的数据，采用一些信号处理方法来抑制海杂波。常规的海杂波抑制方法有三大类：

1)基于时域的海杂波抑制技术，其中包括参数滤波法[1]、图像处理法[2-5]、预测方法[6-7]、子空间方法[8]等。

2)基于频域的海杂波抑制技术，主要有MTI(Moving Targets Indication)、MTD(Moving Targets Detection)，利用当前帧内一个波位的多个脉冲之间的回波信号进行杂波抑制。其原理就是利用目标回波与杂波在频谱上的差异性，从而抑制海杂波提取目标信号。但是MTI/MTD抑制海杂波多普勒频率附近的所有信号，其中包括海面慢速目标的信号，所以不能有效地检测出低速运动目标。

3)空时自适应处理STAP(Space-Time Adaptive Processing)方法，对于机载雷达来说，来自不同方向上的杂波具有不相同的多普勒频率，故而其杂波具有空时耦合特性。为了抑制杂波，需要进行空时二维的联合滤波。

检测前跟踪(TBD)[9-10]是一种利用多帧数据进行相关处理的方法，它直接对匹配滤波后的雷达回波脉冲或经过相干积累后的多帧连续数据进行处理，同时给出目标的检测结果和航迹信息。TBD方法直接采用未经门限处理或者低门限处理的数据，不会造成潜在信息的丢失，并且弱小目标的信噪比可以通过多帧积累得到提高。但是TBD方法较为复杂，存储量大，硬件实现比较困难，难以在雷达上实际使用。考虑到海面目标运动的有序性以及海杂波(特别是海尖峰)的随机性，本文根据海面目标在多圈之间(也称帧间)的运动特征，研究在帧间运动包络对齐的基础上进行视频积累或二进制积累的帧间相关处理方法，并给出仿真和实测数据处理结果。

1 问题描述

雷达对海面目标进行探测时，会受到海表面运动对雷达发射信号后向散射的严重干扰，通常称这些干扰为海杂波。海尖峰本质上是海浪碰撞产生的碎波，不完全等同于海杂波，海尖峰具有更强的随机性和不可预测性，甚至比海杂波更强，可以看成一种特殊的海杂波。海杂波、海尖峰对雷达检测性能产生严重的影响。

现有的海杂波抑制方法，利用当前帧(圈)的数据进行海杂波抑制。海面目标运动速度一般都比较慢，只有20m/s左右。采用MTI或MTD处理时，海面目标也经常与海杂波一起被抑制掉。因此，需要探索能有效抑制海杂波的同时，也不影响对海面目标的有效探测。由于警戒雷达的数据率一般在10s左右，海杂波和海尖峰的相关时间小于10s，且具有随机性，因此在多圈(帧)之间海杂波和海尖峰不具有相关性。而对海面目标而言，由于其运动速度较慢，在数十秒(以80s为例)时间内，目标也运动了数百米，若雷达的距离分辨率为10m(现代对海探测雷达为了减小杂波单元的面积，一般采用较高的距离分辨率)，则目标也运动了几十个距离单元，因此，在帧间相关处理时，需要对目标走动的距离单元进行包络对齐[11]，才有可能进行帧间相关处理。下面介绍帧间相关处理的原理和处理流程。

2 帧间相关处理存在的问题

帧间相关处理，是利用雷达多圈之间的数据，在包络对齐的基础上进行视频积累或二进制积累[12]。它是为了在海杂波背景下针对海面慢速目标的探测而提出的。这里假设帧间相关处理的圈数为8帧，警戒雷达的数据率一般为10s，需要考虑在70s时间内进行相关处理。即使是海面目标，也需要考虑目标跨距离单元和跨波束的问题，因此，本文建立如图1所示的雷达分辨单元模型，讨论目标位于雷达视线方向分辨单元中心时，目标跨距离单元数和跨波位分辨单元数。

假设距离分辨单元大小为Δr，方位分辨单元(半功率波束宽度)为θ3dB，目标速度大小为V，速度方向与雷达视线方向夹角为α。目标初始位置是在雷达视线方向上距离雷达R0处，其极坐标可以表示为(R0,0)，若t0为雷达转一圈所需的时间，则在第k圈，即t=kt0时，目标位置的极坐标(R(k),θ(k))可表示为：

(1)

(2)

在远场情况下，若R0≫Vkt0，则式(1)式(2)可以近似表示为：

R(k)≈R0+Vkt0cosα

(3)

(4)

分别计算出目标在第k圈跨距离单元数和跨波位分辨单元数为

(5)

(6)

其中，round表示四舍五入。假设θ3dB=1.2°，Δr=25m，α=60°，目标初始距离20km，速度分别为[5、10、15、20]m/s，这时目标跨距离单元数和跨波位分辨单元数如图2所示。可见目标在距离和方位维都跨越了多个分辨单元。多帧之间视频积累之前需要进行包络补偿。

针对在多个扫描周期帧间目标跨方位波位的问题，这里假设目标速度为30m/s，运动方向与波束指向的夹角为0°～330°，目标距离为50km，则在8圈之间，目标跨波位数N如式(7)所示，式中8行分别表示第0至第7圈；各列分别表示0°、30°、60°、…、330°；“1”、“-1”分别表示前、后一个波位，“0”即不跨波位，其他类似。若目标的距离超过100km，则对海面速度几乎不存在跨波位的问题。因此，帧间目标跨方位波位主要是针对较近距离的目标。

帧间相关处理时间中由于目标的运动方向和运动速度均未知，包络补偿时根据感兴趣的海面目标的最大速度和运动方向，设置二维搜索范围。故将速度粗略地划分为m个速度大小档，分别为{V1、V2、……、Vm}，速度方向粗略地划分为{θ1、θ2、……、θn}共n个速度方向，则搜索路径一共有m·n条，将其称为先验路径

(7)

信息。实际中可以根据帧间相关处理的距离段，选取部分搜索路径。例如，若距离段超100km时，只需要考虑跨距离单元而不需要考虑跨方位波位的问题，在20～100km距离段，才考虑目标跨方位波位的相关处理问题。

由于海面目标运动速度较慢，在帧间相关处理的数十秒钟时间内，只要解决了目标运动的包络对齐问题，其回波信号具有相关性，就可以进行视频积累或二进制积累等处理。

3 帧间相关处理

在跨距离-方位两维分辨单元的包络对齐基础上，利用雷达多圈之间的数据进行帧间相关处理方法有两种：一种是视频积累；另一种是二进制积累。处理流程如图3所示。帧内预处理即常规雷达在每个波位的相干处理间隔(CPI)内完成脉冲压缩、动目标显示(MTI)、求模等处理。多帧数据包络对齐根据上一部分介绍的方法进行，有多个处理通道的输出。如图3(a)，帧间视频积累就是对每路“对齐”通道的幅值直接相加，或者加权求和。然后再对每路输出信号进行恒虚警(CFAR)检测。最后再对多路输出信号进行峰值检测，找出幅值最大的通道，即为目标的输出信号。

图3(b)是利用二进制积累的帧间相关处理流程。其中双门限一次检测是在每一个帧内进行，对每个波位、每个距离单元的视频信号yk(i,n)分三种情况：

(8)

这里，门限VT1按一般雷达检测目标的信噪比为13.5dB选取(即检测概率Pd=0.9，虚警概率Pf=10-6)，门限VT2取8～9dB，保证对弱小目标的第一级检测。帧间相关处理只是在这些“可能有目标”的距离单元进行，即在“包络对齐”的基础上，在每个包络对齐的通道先进行二进制积累，再按照“N/K”准则进行二次检测，K为数据的帧数，N为二进制积累的数值，一般取N/K≥5/8，即连续8帧数据中5帧在一次检测中有目标时，二次检测才认为是目标。这里的峰值检测是取(N/K)的最大值。

这两种方法比较，帧间视频积累需要存储多帧每个波位的视频数据，存储容量大，而二进制积累在多帧每个波位、每个距离单元只需要存储1bit的检测信息，存储容量小，运算量也小一些。

4 实测数据处理

将帧间相关处理技术应用于某对海雷达。该雷达的距离分辨率为25m，波位宽度为1.2°，雷达转速为6r/m。将搜索速度大小粗略地划分为31个速度大小档，分别为{0、1、2、……、30}节(kn)，搜索速度方向按15°间隔划分为24个速度方向档，分别为{0、15、30、……、345}(°)。下面给出实测数据的处理结果。

首先在雷达实测数据基础上叠加一个目标信号。图4为雷达在某个波位的11帧的回波信号的瀑布图，在实测数据中叠加了一个信噪比较高的运动目标。从图4(b)图的局部放大可以看出，由于帧间时间间隔较长，目标跨距离运动了一定的距离单元数。通过对目标的跨距离单元进行补偿，然后进行帧间非相干积累，结果如图4所示。

由图5可以看出，当对目标的跨距离单元作补偿后再进行帧间非相干积累，噪声的起伏变小，目标的信噪比提高了约8dB。因此，帧间相关处理有利于对微弱目标的检测。图中多条曲线分别是不同路径的包络对齐后的非相干积累处理结果。

图6(a)给出了在某波位15圈的视频回波信号的瀑布图，实测数据采集时间为2017年10月8日14:50许。图6(b)、(c)分别给出了按常规恒虚警处理方法检测和按本文基于二进制积累的帧间相关处理后的检测结果(“1”表示有目标，“0”表示没有目标)。在瀑布图中每圈的检测结果按照时间先后的顺序从下往上依次画出。帧间相关处理前7圈是暂态，故而只看第7圈以后的帧间相关处理的检测结果。从图6(b)、(c)对比可以看出，例如图6(b)中第13圈距离单元为1200出现了海杂波(实际为海尖峰)，而在图6(c)中就没有出现；第11圈距离单元为1400的目标没有检测出来，而经过帧间相关处理后，该目标被检测到，帧间相关处理后圈间目标检测没有出现断断续续的现象。因此，经帧间相关处理后对目标的检测结果具有圈间连续性，且利用海尖峰在帧间的不相关性，海杂波被帧间相关处理给抑制掉了。

5 结束语

本文研究了雷达的帧间相关处理方法，该方法是利用海面目标的运动参数进行二维速度搜索的包络对齐基础上，对多圈数据进行视频积累或二进制积累，再进行目标检测。实测数据处理结果证明：该方法对海杂波和海尖峰有一定的抑制效果，且有利于对微弱目标的连续检测，有利于降低对海探测雷达的虚警和漏警概率。