基于频率分集的MTI雷达目标检测方法

徐保庆 剡熠琛 拜兵虎 李雅梅

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

现代雷达工作环境十分复杂,所要探测的目标往往处于各种复杂的背景之中,杂波会大幅影响雷达对目标的检测。目前常见的信号处理级杂波抑制方法都是通过多普勒滤波的方式将目标和杂波在频域进行区分,从而抑制杂波,分离出目标。工程中常用的多普勒滤波算法主要有MTI和动目标检测(Moving Target Detection,MTD)。

虽然MTI处理的杂波抑制性能不如MTD,但是MTI处理所需要的脉冲数较少,所以当前的很多雷达系统(尤其是三坐标雷达,时间资源比较紧张)仍采用MTI处理。最早的MTI实现方式是脉冲对消器,虽然实现简单,但是只能抑制地杂波,而且杂波抑制效果较差。后来工程上开始采用特征矢量法[1-2]来设计MTI滤波器,其主要原理是将杂波协方差矩阵进行特征分解,将分解后的特征值排序,大特征值对应的特征向量张成的子空间构成信号子空间,小特征值对应的特征向量作为噪声子空间[3-4],由于噪声子空间和信号子空间正交,选取噪声子空间张成的特征向量作为滤波器系数可以有效抑制杂波。

特征矢量法以杂波改善因子最大为准则[1-2],因此该方法有最优的杂波抑制性能。此外,特征矢量法设计灵活,可以根据杂波的谱宽、中心频率等设计多个凹口,既可以抑制地杂波,也可以抑制气象、箔条等运动杂波[5-6]。

由于滤波器的频率响应是周期性的,等重频MTI会出现“盲速”[6],基于参差重频的特征矢量MTI方法在最优杂波抑制性能的基础上还可以克服“盲速”现象,因此倍受青睐。但是该方法依然存在缺陷,那就是滤波器的速度响应曲线不够平坦,对于某些速度的目标而言,其响应存在凹口,会导致该目标的检测概率变低。

针对上述问题,本文中将提出一种基于频率分集的MTI雷达目标检测方法,该方法在雷达时间资源一定的前提下,通过频率捷变将一个脉冲拆分为多个载频不同的子脉冲,然后对多个载频不同的子脉冲串分别进行MTI滤波,在多种载频下MTI滤波器的不平坦区域对应的速度可以错开,进一步对各载频的MTI滤波结果进行非相参积累,完成目标检测。本文提出的方法可以提高MTI雷达对动目标的检测能力,同时也可以提高MTI雷达的抗干扰能力。

1 特征矢量法实现MTI

杂波改善因子是评价滤波器杂波抑制性能的重要指标,特征矢量法就是以使杂波改善因子最大为准则的MTI滤波器设计方法,文献[1]中给出了特征矢量法设计MTI滤波器的原理,此处不再赘述。

为了克服“盲速”对目标检测带来的影响,在实际工程中常采用参差重频的方法。基于参差重频的特征矢量MTI检测方法具体步骤如下:

1)雷达发射并接收参差重频的脉冲串,雷达参差脉冲重复周期为T1、T2、T3时的发射波形示意图如图1所示;

2)用特征矢量法获取MTI滤波器最佳权系数,首先获取雷达所处环境的杂波协方差矩阵,通常默认地杂波功率谱服从高斯分析,根据维纳准则及瑞利熵引理易得雷达杂波协方差矩阵R,对R进行特征分解,最小特征值对应的特征向量即为最佳MTI滤波系数;

3)用MTI最佳权系数对回波信号进行滤波;

4)然后将滤波结果与预先设置的门限值进行比较,完成MTI雷达对动目标的检测。

图1 参差重频MTI雷达发射波形示意图

图2 参差重频特征矢量MTI

为了克服现有方法的不足,本文将提出一种基于频率分集的MTI雷达检测方法,具体步骤将在第2章节给出。

2 基于频率分集的MTI雷达目标检测方法

该方法的主要思想是:在雷达时间资源一定的前提下,通过频率捷变将一个脉冲拆分为多个载频不同的子脉冲,然后对多个载频不同的回波子脉冲串分别进行MTI滤波,最后对多个滤波结果进行融合、检测。该方法可以提高MTI雷达对动目标的检测能力,具体步骤如下:

1)雷达发射机参差重频依次发射脉冲信号,采用频率分集技术将一个脉冲信号分为M个间隔较大的工作频率同时发射。其中,Tn(n=1,2,…,N-1)表示发射脉冲的时间间隔,N为发射脉冲个数,M个子脉冲的时宽相等,载频不同,将第m个子脉冲的载频记为fm。

雷达参差脉冲重复周期为T1、T2、T3时,且一个脉冲宽度内包含两个频率捷变子脉冲的发射波形示意图如图3所示。

图3 本文方法发射波形示意图

2)雷达接收机接收目标反射的回波脉冲串,按照载频将回波脉冲串分为M个回波数据矩阵,Xm表示第m种载频下的回波数据矩阵。

3)利用特征矢量法获得M个MTI滤波器的权系数,分别记为Wm;其中,Wm为N×1维的向量,m=1,2,…,M;

(a)获取每种载频下的杂波自相关矩阵Rm:

(b)对矩阵Rm进行特征分解,找出其最小特征值λm对应的特征矢量Wm,Wm即为第m个MTI滤波器的权系数;

4)用Wm对Xm进行滤波处理,得到滤波结果,记为Ym:

5)对滤波结果进行包络检波,得到包络检波结果,并对包络检波结果进行非相参积累,得到融合结果;

6)对融合结果进行门限检测,得到目标所在位置。

现有方法中雷达发射的脉冲只含有一种载频,由于MTI滤波器响应的不平坦性,导致雷达不论处于何种工作频率下,其滤波器的速度响应都会有多个较深的凹口,只是工作频率不同时,凹口位置对应的速度不同而已,新方法通过频率分集技术改变雷达的工作频率,在多种载频下MTI滤波器的凹口位置对应的速度是可以错开的,新方法等效的MTI滤波器速度响应和现有方法的MTI速度响应对比图如图4所示,由对比结果可见新方法的MTI速度响应优于现有方法。

3 计算机仿真

仿真条件:雷达发射的脉冲的个数N=4,每一个脉冲包含两个子脉冲M=2,第一个子脉冲对应的载频为f1=1.25GHz,第二个子脉冲对应的载频f1=1.45GHz,雷达发射4个脉冲的时间间隔为T1=2ms,T2=2.4ms,T3=1.8ms,杂波速度散布均方根σv=0.22m/s,目标速度变化范围取-25m/s到300m/s,单个子脉冲的信噪比为20dB。

传统方法的MTI滤波器速度响应曲线与文中提出方法等效的MTI滤波器速度响应曲线对比如图4所示。利用本文提出方法和传统方法分别对不同速度的目标信号进行检测,在下面仿真中进行10000次蒙特卡洛试验,分别得到两种方法的检测概率随速度变化的对比曲线,如图5所示。

由图4可以得到,传统方法的滤波器的速度响应有多个较深的凹口,本文提出方法等效MTI滤波器的速度响应更平坦,进一步可以提高雷达对运动目标的检测性能。由图5可以得到,现有方法在多个速度区域的检测概率都很低,对于绝大多数运动目标速度,本文提出方法的检测概率都明显高于传统方法。

本文提出的方法能够通过频率分集技术改变雷达发射波形,再对各载频的MTI滤波结果进行融合积累,等效地提高MTI滤波器的频率响应,进而消除由于滤波器不平坦性给MTI雷达带来的速度检测盲区,提高MTI雷达的检测性能。

图4 速度响应曲线对比图

图5 检测概率曲线对比图

4 结束语

本文提出的方法采用了频率分集技术,在雷达时间资源一定的情况下将一个雷达脉冲拆分为多个载频不同的子脉冲,对各载频的脉冲回波分别进行MTI滤波,在多种载频下MTI滤波器的不平坦区域对应的速度是可以错开的,在一种载频下检测不到的目标可以在另一种在载频下检测到,因此可以避免由于MTI滤波器响应的不平坦性而导致很多速度的目标无法检测的现象产生,进一步对各载频的MTI滤波结果进行融合积累,可以提高MTI雷达对动目标的检测概率;此外,由于采用了频率分集技术,可以提高MTI雷达的抗干扰能力。