海雜波反射面積的相關(guān)參數(shù)

海雜波反射面積的相關(guān)參數(shù)

0從海雜波中提取出目標(biāo)岸基雷達(dá)具有廣闊的視野和海上監(jiān)視模式。在對(duì)空警戒模式下,由于空中目標(biāo)(飛機(jī))的速度與雜波之間的速度差比較大,雷達(dá)通過多普勒處理就能從雜波中提取出目標(biāo);而對(duì)于海面目標(biāo),由于它的空中運(yùn)動(dòng)速度與海雜波的速度接近,所以從海雜波中提取目標(biāo)比較困難。岸基雷達(dá)在S、C、X等幾個(gè)波段內(nèi)的雜波情況都比較嚴(yán)重。頻率越高,海雜波越嚴(yán)重,同時(shí)海雜波與風(fēng)速、海情等有關(guān),隨氣候、季節(jié)變化。在岸基雷達(dá)設(shè)計(jì)中,必須充分考慮到各種因素。1不同的海波特性1.1雜波電壓的概率密度函數(shù)海雜波幅度的統(tǒng)計(jì)基本上是在瑞利分布和對(duì)數(shù)-正態(tài)之間。對(duì)于不同分辨率的雷達(dá),在不同海情時(shí),雜波的后向散射特性差異很大。對(duì)低分辨率雷達(dá),由于波束寬度和發(fā)射脈沖寬度較寬,可以認(rèn)為雜波的射頻電壓分布為高斯分布,經(jīng)過線性檢波后,輸出電壓為瑞利分布,可以用下列概率密度函數(shù)來描述p(v)=vσ2e?v2/(2σ2)(1)p(v)=vσ2e-v2/(2σ2)(1)式中:σ2為檢波前雜波信號(hào)的方差(與噪聲功率成正比)。分辨單元足夠大時(shí),只能在高入射角導(dǎo)致瑞利雜波,而在很低的入射角,由于遮擋效應(yīng)有可能導(dǎo)致非瑞利雜波。對(duì)高分辨率雷達(dá),如果雷達(dá)能分辨單個(gè)波浪,可以認(rèn)為概率密度函數(shù)不再是瑞利分布,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明近似符合所謂的對(duì)數(shù)-正態(tài)分布。對(duì)于這種分布,雜波電壓v的概率密度函數(shù)為p(v)=1vu2π√exp[?(lnv?w)22u2](2)p(v)=1vu2πexp[-(lnv-w)22u2](2)式中:w為lnv的平均值;u是它的標(biāo)準(zhǔn)差。1.2不同海波的相關(guān)性海雜波的相關(guān)性與雷達(dá)工作頻率、海情級(jí)別、極化方式、信號(hào)帶寬、脈沖寬度等因素有關(guān)。1.2.1陣風(fēng)下雷達(dá)發(fā)射頻率用相關(guān)函數(shù)表示各次海雜波的相關(guān)程度。本文假設(shè)R(i,j)為第i個(gè)雜波的第j次的歸一化相關(guān)函數(shù)R(i,j)=sin(πτΔf)πτΔf(3)R(i,j)=sin(πτΔf)πτΔf(3)式中:τ為脈沖寬度;Δf為fi-fj,fi和fj分別為第i次和第j次雷達(dá)的發(fā)射頻率。平方律檢波后輸出的雜波歸一化頻率相關(guān)函數(shù)為R2(i,j)=(sin(πτΔf)πτΔf)2(4)R2(i,j)=(sin(πτΔf)πτΔf)2(4)式中:當(dāng)τΔf=1時(shí)為0,而且當(dāng)τΔf>1時(shí),其值一直小于0.05。也就是說當(dāng)頻率變化大于1/τ時(shí),其回波基本上不相關(guān)了。1.2.2雜波去相關(guān)時(shí)間海雜波的相關(guān)時(shí)間與多普勒頻譜成反比。根據(jù)幅度時(shí)間取樣法,通常歸一化的自相關(guān)函數(shù)P(t)≤0.2的時(shí)間為雜波的去相關(guān)時(shí)間。τr=λ22π√σx(5)τr=λ22πσx(5)式中:σx(m/s)為多普勒頻譜標(biāo)準(zhǔn)偏差。1.2.3空間相關(guān)空間相關(guān)性是指兩個(gè)相鄰回波之間的相關(guān)性。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,當(dāng)徑向距離位移大于一個(gè)脈沖寬度時(shí),兩個(gè)相鄰海區(qū)回波不相關(guān)。1.2.4雷達(dá)入射頻率的影響海雜波的反射面積可用如下公式表示σ=σ0Rθcτsec(Ψ)2(6)σ=σ0Rθcτsec(Ψ)2(6)式中:σ0為海面雜波的反射率,決定反射率的參數(shù)有浪高、雷達(dá)視線相對(duì)于波的傳播方向、雷達(dá)波長(zhǎng)、雷達(dá)的極化方式、入射角;岸基雷達(dá)所選頻段通常在S、C、X波段,在這幾個(gè)頻段內(nèi),雜波的反射率σ0通常與波長(zhǎng)成反比,即波長(zhǎng)越短,反射率越大。圖1是天線水平極化時(shí)從L波段到Ka波段海面反射率與入射角之間的關(guān)系。R為雷達(dá)至雜波反射點(diǎn)之間的距離;θ為天線方位3dB波束寬度;c為光速3×108m/s;τ為脈沖寬度;Ψ為雷達(dá)天線中心至雜波反射點(diǎn)之間的入射角。從上式中可以看出,海面雜波的反射率σ0是由海況決定的;距離R由目標(biāo)位置決定;入射角Ψ是由目標(biāo)與天線架高決定的;c為常數(shù);系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮的參數(shù)有天線波束寬度θ和脈沖寬度τ。工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮降低天線波束寬度θ和脈沖寬度τ。1.2.5譜寬與風(fēng)速的關(guān)系海面的運(yùn)動(dòng)使得從各個(gè)散射體接收到的回波信號(hào)產(chǎn)生多普勒頻移。由于不同的散射單元的運(yùn)動(dòng)方向和速度都在變化,因此總的回波包括一個(gè)多普勒頻移,其形狀和寬度與海面的徑向速度和分布程度有關(guān)。這個(gè)頻譜的寬度是影響為了改善S/C而進(jìn)行信號(hào)處理效果的重要因素。許多人通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明譜寬與風(fēng)速或海面狀態(tài)有關(guān),頻譜寬度與海態(tài)的近似關(guān)系如下Δf=3.6fS(7)式中:f為雷達(dá)工作頻率,單位為千兆赫茲;S為海態(tài)等級(jí),參數(shù)如表1所示。2岸基雷達(dá)系統(tǒng)的抗雜波考慮2.1波束寬度的選擇從式(6)看出,雜波有效反射面積與波束寬度有關(guān)。在工程設(shè)計(jì)時(shí),盡量考慮增加天線口徑,減小方位波束寬度,可減少雜波的有效反射面積。2.2雜噪比、信噪比變化在采用脈壓系統(tǒng)中,發(fā)射脈沖信號(hào)帶寬越寬,雜波的頻譜將被展寬,經(jīng)過脈壓后,目標(biāo)信噪比不變,而雜噪比下降;同時(shí)脈壓后的脈沖寬度與帶寬成反比,信號(hào)帶寬越寬,壓縮后的脈沖越窄,可對(duì)海雜波空間(距離)去相關(guān)。2.3脈象選擇式(6)中,脈沖寬度與雜波強(qiáng)度成正比,應(yīng)盡量選擇窄的工作脈沖寬度。2.4次回波和雜波疊加在脈間進(jìn)行頻率捷變,頻率跳變寬度大于脈寬的倒數(shù)。脈間頻率捷變不僅能解距離模糊(二次回波),而且還能解雜波折疊,改善目標(biāo)的起伏特性。對(duì)X波段雷達(dá),如雷達(dá)工作帶寬為300MHz,發(fā)射機(jī)的工作脈沖寬度τ為1μs時(shí),跳頻寬度Δf=1MHz,可選Δf為5MHz,跳頻點(diǎn)數(shù)為60點(diǎn),保證了相鄰兩個(gè)頻差大于臨界頻率和脈間的獨(dú)立性。2.5掃描間積累檢測(cè)對(duì)X波段的雷達(dá),按式(5)計(jì)算,雜波的相關(guān)時(shí)間為1～10ms左右。對(duì)于一般中近程雷達(dá),兩次照射的時(shí)間是不能滿足這個(gè)相關(guān)時(shí)間要求。在目前信號(hào)處理芯片高速發(fā)展的今天,已經(jīng)可以做到隔圈進(jìn)行時(shí)間去相關(guān),即采用剩余雜波圖方式,也可叫掃描間積累檢測(cè)。由于天線的掃描時(shí)間遠(yuǎn)大于雜波的相關(guān)時(shí)間而遠(yuǎn)小于目標(biāo)的相關(guān)時(shí)間,因此掃描間積累可有效消除尖頭海浪引起的雜波干擾。脈間頻率捷變可改善視頻積累增益。2.6云雪雜波的利用現(xiàn)在很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)產(chǎn)品表明,圓極化對(duì)云雨雪和海浪雜波可改善15～20dB。對(duì)于X波段岸基雷達(dá),云雨雪雜波是常見的現(xiàn)象,因此工程設(shè)計(jì)必須考慮的一個(gè)因素。在饋線設(shè)計(jì)采用手控或自動(dòng)控制變極化措施,可選線極化和圓極化。3抗海洋無序波處理3.1海雜波相關(guān)分析脈間非相干積累是抗海雜波干擾的一項(xiàng)有效措施,其原理是利用目標(biāo)回波與海雜波在脈沖間的統(tǒng)計(jì)特性的不同來實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的時(shí)域分辨。由海雜波特性可知,海雜波的相關(guān)性主要表現(xiàn)為10ms以內(nèi)的強(qiáng)相關(guān)性和延伸至2s左右的弱相關(guān)性。由于海雜波的強(qiáng)相關(guān)時(shí)間小于波束駐留時(shí)間,再經(jīng)過頻率捷變的去相關(guān)作用之后,短時(shí)間強(qiáng)相關(guān)的海雜波在脈沖間就變得基本不相關(guān)了,通過脈間非相干積累(視頻積累)可以得到相當(dāng)?shù)姆e累得益。3.2掃描間積累系統(tǒng)海雜波長(zhǎng)時(shí)間的弱相關(guān)性主要是由尖頭海浪引起的,一般持續(xù)時(shí)間為2s左右,在波束駐留時(shí)間內(nèi)是不變的,不能靠脈間積累有效清除?？紤]到目標(biāo)的相關(guān)時(shí)間比較長(zhǎng),而天線的掃描周期一般大于海雜波相關(guān)時(shí)間而遠(yuǎn)小于目標(biāo)的相關(guān)時(shí)間,所以通過掃描間積累能有效去除由尖頭海浪引起的海雜波干擾。在目標(biāo)的相關(guān)時(shí)間內(nèi),積累時(shí)間越長(zhǎng),積累效果越好。岸基雷達(dá)由于作用距離遠(yuǎn),數(shù)據(jù)量大,所以在實(shí)現(xiàn)掃描間積累時(shí)需要有較大的存儲(chǔ)空間,尤其是在提高了系統(tǒng)的帶寬及采樣率的情況下,存儲(chǔ)容量成了主要問題,工程實(shí)現(xiàn)困難。目前,隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,大容量的靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)及動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)已十分普遍,價(jià)格也越來越便宜,很容易實(shí)現(xiàn)掃描間積累。掃描間積累與脈間非相干積累這兩種處理方法可根據(jù)實(shí)際情況組合使用,即可以兩種方法都用,也可只用其中一種,操縱員可根據(jù)實(shí)際回波情況靈活掌握。3.3單元平均fps法恒虛警率(CFAR)處理技術(shù)是減小海雜波影響的一個(gè)有效措施。在海雜波背景下檢測(cè)目標(biāo)采用固定門限檢測(cè)是不合適的,這必然導(dǎo)致虛警增多。在一般應(yīng)用中,常采用單元平均CFAR的方法,即用直接計(jì)算若干個(gè)參考單元平均幅度的方法來估計(jì)測(cè)試單元的干擾強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的浮動(dòng)門限檢測(cè)處理,能夠大大降低虛警率。單元平均CFAR的原理框圖如圖2所示。單元平均選大CFAR處理方法能有效解決非均勻干擾導(dǎo)致單元平均法的虛警率突變的問題。這種選大的方法可以在20dB甚至更高的階躍雜波情況下時(shí),使虛警概率的增加不到一個(gè)數(shù)量級(jí),而帶來的處理損失較單元平均法相比不超過0.3dB。實(shí)踐已表明,單元平均選大CFAR對(duì)抑制面分布的海雜波效果顯著。3.4雜波圖的處理雜波圖CFAR的原理與距離單元平均CFAR的原理是一樣的,都是通過比較判決電路把估值單元間相關(guān)的部分消除掉,而將不相關(guān)的部分壓低到噪聲電平。不同的是距離單元平均CFAR是在距離維中處理一次發(fā)射脈沖內(nèi)的回波數(shù)據(jù),而雜波圖CFAR則是在時(shí)間維上處理同一距離單元在不同天線掃描周期回波間的回波幅度。其原理框圖如圖3所示。若按圖2所示的去實(shí)現(xiàn),需要存儲(chǔ)多個(gè)天線周期的數(shù)據(jù),設(shè)備復(fù)雜,在實(shí)際使用中是采用了一種積累反饋的方法,迭代公式為Y(n)=α·X(n-1)+(1-α)·Y(n-1)(8)式中:Y(n)為當(dāng)前掃描周期的迭代輸出;Y(n-1)為存儲(chǔ)下來的上一次迭代結(jié)果;X(n)為當(dāng)前掃描周期的輸入數(shù)據(jù);α為迭代系數(shù)。其原理框圖如圖3所示。對(duì)于有一定波束寬度的搜索雷達(dá),在雷達(dá)掃描的半功率寬度內(nèi)同一距離單元的回波相干性很強(qiáng)。另外,對(duì)于慢變化的海雜波分量,在很少的距離單元內(nèi)其統(tǒng)計(jì)特性不會(huì)有變化。所以,為節(jié)省存儲(chǔ)量,將整個(gè)雷達(dá)的照射空間劃分成若干個(gè)子單元,每個(gè)子單元在方位上是雷達(dá)半功率波束寬度或更小,距離上則根據(jù)實(shí)際情況盡量取很少的單元數(shù)。因此,在進(jìn)行運(yùn)算前需要做一次雜波單元平均的操作。雜波圖CFAR在處理海雜波以及氣象雜波時(shí)有以下優(yōu)點(diǎn):1)克服了天線相繼的掃掠間強(qiáng)相關(guān)的問題;2)采用系數(shù)加權(quán)反饋積累克服了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入雜波估值單元而影響雜波單元估值的問題;3)相對(duì)于距離CFAR電路,由于參加估值的單元數(shù)增加了,CFAR的損失有所下降,性能有所改善。4處理方案設(shè)計(jì)針對(duì)岸基雷達(dá)不同用途,可采用不