（信号与信息处理专业论文）杂波特性及抑制技术研究.pdf

创新性说明 奉人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导卜进行的研究| _ ：f 4 - 及取得酶硬究成采。尽我所知，除了文中特裂加以标注雨 致 粪! ； 所罗 列的内容外，沦文中不包含其它人【经发表或撰写过的研究成果；也 不包含为获得两安电子科技人学或其它教育机构的学位或证书而使t j 过的材料。与我臻f ：份的列志对本研究所作的任 j 贡献均已在论文 ， ，作明确的浼明并表示了谢意。 本人签筠：本带同期：z 口以 1 0 关予论文使属授权兹谎唆 本人完仝r 解西安电子科技人学有关保留和使用学位论义的规 定，即：学校有议保留送交论文的复印件，允许奁阅和借阅论文；学 校拜j + 以公布论文麓全郝绒部分内容，可以兔洚采焉影印、缩印或其它 的复制下段保存论文。( 保密的沦文在解密后遵守此规定) 本爻签襄：摩静 导师签名：熊奎 爆期：2 0 0 2 ，7 2 乎 曰期： 2 口9 窖- ，2 口 摘要 目标的回波通常都处于强杂波背景之下。而雷达的任务是检测目标并测量目标 的有关参数，因此杂波抑制是雷达信号处理中非常关键的部分，它的性能直接影响 到后续处理的效果。对于功率谱非时变的杂波而言，采用针对杂波功率谱的固定权 对消器就能得到较理想的效果：对于功率谱时变的杂波而言，适于采用实时估计功 率谱并根据估计出的谱特性调整权值的自适应杂波抑制方法。本文首先介绍了杂波 的特性和模型并概述杂波抑制方法，然后在理论上讨论了固定权值对消器抑制地物 杂波的原理以及盲速、盲相的产生及克服办法。并对几种递归非递归相消器性能进 行了比较、分析和仿真。接着对几种常用的自适应杂波抑制算法进行了比较详细的 分析、比较和性能仿真，给出了特征滤波、最佳滤波的物理意义，尤其是从信号子 空间和杂波子空间的角度对特征滤波进行了详尽的讨论，证明了信号d 自相关矩阵 的特征向量( 特征值) 和构成信号的各两两正交单位向量d ( 及它们的系数) 的关 系。最后结合某型雷达制导站信号处理机的研制，比较具体的讨论了m t i 和m t d 的实现方案，并就几个有关通道相位的关键问题进行了详细的分析和探讨。 关键字：杂波抑制，自适应算法，a m t i a b s t r a c t t h ee c h oo ft a r g e t si su s u a l l yu n d e rs t r o n gb a c k g r o u n do fc l u t t e r s r a d a r st a s ki s t od e t e c tt a r g e t sa n dm e a s u r et a r g e t s p a r a m e t e r s ，s oc l u t t e rs u p p r e s s i o ni sav e r y i m p o r t a n tp a r to fr a d a rs i g n a lp r o c e s s i n ga n di t sp e r f o r m a n c ec a r ld k e c d ya f f e c tt h e r e s u l t so ff o l l o w i n gp r o c e s ss t e p s f o rc l u t t e r sw i t hs t a t i o n a r yp o w e rs p e c t r u m u s i n g c a n c e l l e r sw h o s eu n v a r y i n gw e i g h tf i ti nw i t ht h ep r o p e r t i e so fc l u t t e rp o w e rs p e c t r u m w i l lg e ts a t i s f a c t o r yr e s u l t f o rc l u t t e r s 、析t l lt i m e v a r y i n gp o w e rs p e c t r u m t h ea d a p t i v e c l u t t e rs u p p r e s s i o nm e t h o di st h ea p p r o p r i a t e ，w h i c hf i r s t l ye s t i m a t et h er e a l t i m e e s t i m a t et h ec l u t t e r s p o w e rs p e c t r u ma n dt h e na d j u s tt h ev a l u eo fw e i g h tb a s e do nt h e e s t i m a t i o n i nt h i sp a p e rw ef i r s t l ym 仃o d u e e dt h ep r o p e r t ya n dm o d e lo fc l u t t e ra n d s u m m a r i z et h ec l u t t e rs u p p r e s s i o nm e t h o d ，t h e nad i s c u s s i o nw i l lb eg i v e no nt h e p r i n c i p l e f o rf i x e dw e i g h tc a n c e l l e rt oc a n c e lg r o u n dc l u t t e rt o g e t h e rw i t ht h e a p p e a r a n c ea n ds o l v em e t h o do fb l i n dp h a s ea n db l i n ds p e e d t h ep e r f o r m a n c e c o m p a r i s o n a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fr e c u r s i v ea n dn o n r e c u r s i v ec a n c e l l e rw i l lb e g i v e n w ea l s oh a v ed o n eal o to fw o r ko nt h ed e t a i l e da n a l y s i s ，c o m p a r i s o na n d p e r f o r m a n c es i m u l a t i o no fa d a p t i v ec l u t t e rs u p p r e s s i o na r i t h m e t i c i na d d i t i o n w ep u t f o r w a r dt h ep h 3 ，s i c a lm e a n i n go fe i g e n v e e t o rf i l t r a t i o na n do p t i m i z a t i o nf i l t r a t i o n e s p e c i a l l y ，w em a d eas u f f i c i e n td i s c u s so ne i g e n v e c t o rf i l t r a t i o ni nt h ep o i n to fs i g n a l s u b s p a c ea n dc l u t t e rs u b s p a c e ad e t a i l e dp r o v ei sa l s og i y e nw h i c hi so nt h er e l a t i o n s b e t w e e ne i g e n v e c t o r so fas i g n a ld ss e l f - c o r r e l a t i o na r r a ya n dt h eo n e a n o t h e rv e r t i c a l u n i tv e c t o r stw h i c hf o r mt h es i g n a lt o g e t h e rw i t ht h a tb e t w e e ne i g e n v a l u ea n dt h e u n i tv e c t o r s c o e f f i c i e n t f i n a l l yw ed i s c u s s e dt h em t ia n dm t di m p l e m e n ts c h e m e c o m b i n e dw i t ht h er e s e a r c ho far a d a rg u i d a n c es t a t i o ns i g n a lp r o c e s s o r s e v e r a lk e y p r o b l e m sa b o u tc h a n n e l s p h a s e sh a v ea l s ob e e na n a l y z e da n d r e s e a r c h e d k e yw o r d s ：c l u t t e rs u p p r e s s i o n ，a d a p t i v ea r i t h m e t i c ，a m t i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 雷达( r a d a r ，r a d i od e t e c t i o na n dr a n g i n g ) 豹基本 薹务是雳无线邀懿方法探测 目标的距离、方位角、俯仰角及速度等信息。这些信息是利用日标对电磁波的反射 现象来获取的。 但是，雷达接受到的睡波信号著不蹙肇纯的目标题波，薅且还包含了诤多杂波、 噪声背景。它们包括：目标闰渡、缝物杂波、大气噪声、接受视噪声、由云隋或海 浪等引起的动杂波。所以，我们通常所爨探测的动目标回波是处于强杂波背景之下 的。雷达信号处理机的任务就是采取各种手段提高所接蹙到信号的信噪比和信杂比， 欤瑟把我餐黪袋趣赘嚣标蘩譬簌强杂波豹鹜景下蓰取爨爨，送瑟溺爨瓣标的距离、 方位、俯仰、速度等有用信息。 可见，杂波抑制在雷达信号处理中起刹了非常重要的作用。它的性能好坏直接 影酾到信号姣理瓤豹整体蠖艉。m t i 和m 伽是主要的杂波麴刽手段。m 下l 针对霉 达所处具体环辘下的杂波功率谱特性，采媚适当的滤波嚣，在杂波中心频率姓形成 矮有一定带宽的凹口，从而较好的滤除杂波。 如果杂波的主要成分是功率谱有一定展宽的地物杂波，采用固定投值的对消器 簸嚣达至l 羹簿懿效栗。国定投戮稷据杂浚功率赘禳受诗算窭柬：恣霹良簿单豹聚 用( 1 一z 。1r ( n 为对消脉冲数加1 ) 来取各级延迟的权值。一般的滤波器的阶数越高， 杂波翔卷特彀越妊，毽嗣对数据存辏量、设冬量秘残本瞧嗣对上秀了。鹱以要投撵 具体的情况，投衡各种利弊因素取适当的滤波器除数。 如果杂波是功率谱特憾( 如中心频率、谱宽) 显藩变化的，那么用固定权值的 滤波器显然就不能有效的滤除杂波了。这时通常采用权值随杂波功率谱特性变化的 鬣遥应m t i ( a m t i ) 戆方法。霉瑁魏a m t i 算法毒特缝滤波法、线澎预溅误差滤 波法、最佳滤波法等等。这蝗算法是基于不同的杂波、信号形式假设，不同的准则 f 导出的。这些方法中没有绝对的最忧，只有在定具体环境下最适舍的算法。数 字按泰在信号处理枫中豹痰嬲以及数字跫逡找巷臻素麓模拯延迟节懿方法，夫大方 便了延迟的实现和数据的存储，使得人们有条件进行燮高阶数的数字滤波。 现代雷达是多种技术的综合体，为了提高抗干扰能力和距离分辨率等，往往会 袋甥频率捷交、发射周期参麓、脉冲压缀等手段。因此，处理模式遴镄都比较多 如俺让杂滚籀翻处理麓蒹察多释模式，这蔻该信号处理辍蟊临的主蘩阔蘧，遣是焚 主要难度所在。 杂波特性及抑制技术研究 论文题目来源于国防重点工程某型相控阵雷达制导站信号处理机的研制任务， 由于相控阵雷达具有波束扫描灵活，扫描方式多样的特点，各种扫描方式对m t i 、 m t d 处理的要求也不同。由于该制导站相控阵波束方向变化迅速，杂波相关性小， 因此限制了使用基于杂波谱估计的自适应杂波抑制方法的使用。 本论文在导师的指导下主要进行了信号处理机的m t i 、m t d 、c f a r 、门限检 测以及后续的数字模拟输出等几个部分的硬件、软件的设计、调试及仿真工作。各 种基本功能都已经正常运转，目前已进入全制导站的总装总调阶段。 1 2 论文的内容安排 本文分为5 章。除绪论外第二章主要介绍杂波的特性及常用的杂波抑制手段概 述；第三章主要介绍固定权值的杂波抑制方法、仿真及盲速、盲相的有关问题和几 种常用的自适应杂波抑制方法并会作相应的性能比较、仿真。第四章结合系统方案 讨论在信号处理机中m t i 和m t d 的具体实现方法，同时还将就调试中几个有关通 道相位关键问题进行讨论。 第二章杂波特性及抑制技术概述 第二章杂波特性及抑制技术概述 , 5 2 1 杂波特性分析 所谓雷达杂波是指雷达不关心、不需要的散射体反射回接收天线的回波。如地 物杂波、云雨杂波，海杂波等等。雷达杂波一般是具有不可预知性的复杂随机过程。 可以从两个方面来讨论雷达杂波的特性，一是杂波的时域幅度统计特性，二是杂波 的频域功率谱特性 杂波的时域幅度统计特性受到诸多方面的影响，如：雷达工作频段，雷达分辨 单元大小，脉冲宽度，天气状况等等。所以不同的雷达，不同的工作环境都会导致 得到的杂波幅度统计特性不同。一般有瑞利分布、对数正态分布、韦尔分布等等。 在早期雷达中可根据雷达所处的特定工作环境及自身情况来分析杂波的统计特性， 再针对得出的统计特性采取适当的处理方法，在这种雷达中对杂波时域幅度统计特 性描述的准确性就决定了雷达的性能。显然，当杂波比信号强得多时这种方法的效 果就比较差了! 为了在强杂波环境下检测微弱信号，人们通常利用杂波的频域功率谱特性在频 域进行杂波抑制及信号检测处理。因此了解杂波的频域功率谱特性就显得非常重要。 通常雷达回波包括三个部分：地物杂波( 固定杂波) 、气象杂波( 运动杂波) 及 目标回波。地物杂波的多普勒频率位于频率轴上的0 及蜕( n = o ，1 ，2 ，3 ) 位置其叶 ， 是探测周期，由于回波数有限，地物杂波不可能是一根单谱线而具有一定的谱宽。 使杂波谱展宽的因素很多，若我们假设这些因素是各不相关的，则杂波谱总的展宽 可以表示如下 群= 群+ 拜+ 彰+ ( 2 一1 ) 酽( f _ 1 ，2 ，3 ) 是各因素分别所引起的杂波谱展宽。 综上所述，若杂波的平均速度为零，只有内部起伏时其功率谱处于蜕处，由于 天线扫描引起回波数有限造成了谱有一定的展宽。由于固定权的m n 滤波器辐频特 性的凹口也具有一定的宽度，而且阶数越高凹口越宽所以固定权的m t i 滤波器仍 能对这种地物杂波有良好的抑制效果。 气象杂波相对就要复杂的多了，不但由于径向速度的存在使它具有甲均多普勒 频率，而且由于反射回波的大量独立单元具有相对运动也使得动杂波谱极大的展宽： 因此建立适当的杂波功率谱模型就显得十分重要。通常的杂波功率谱模型有以下几 种： 1 b a r l o w 模型 b a r l o w 于1 9 4 9 提出杂波功率谱p ( f ) 的高斯模型，即 杂波特性及抑制技术研究 p ( ，) = e x p - a 巴) 2 】 ( 2 2 ) j o 其中工为雷达发射频率，a 是依赖于雷达目标类型的常数。反射回波的大量散 射体做相互独立的随机运动，根据中心定理，他们的反射回波功率谱具有高斯型的 特性。 2 f i s h b e i n 模型 由于使用b a r l o w 模型有时不能满足要求，f i s h b e l n 等人又于1 9 6 7 年提出 了以下模型， “门。砑1 q 。 其中杂波特征频率正= 1 3 3 e o ”5 “，v 为以节表示的风速。 1 9 8 0 年， 我国的雷达工作者在此基础上又提出了“n 次幂模型” p ( ，) = j 了一 ( 2 4 ) 、+ 0 ，f 工仍为特征频率，n 的取值要考虑雷达的工作波段、风速等因素。 “n 次幂”模型基于杂波的多普勒效应来源于两类因素的假设，这两个因素是 小散射体的随机移动以及这些小散射体和其他散射体的谐振。 在以上几种杂波功率谱模型中，杂波功率谱都是钟形的，然而研究表明气象杂 波的功率并不一定是钟形的，由于高度与速度的非线性关系及扰动等因素，杂波功 率谱可能有多个峰点，甚至有很长的拖尾。 针对这种情况，h a y k i n 提出的模型，用有限长的时间序列功率谱模型通过对 参数的估计来建立杂波功率谱比用以上几种确定模式效果要好一些。 3 h a y k i n 模型 h a y k i n 模型的核心是，动杂波这种随机过程可以看作是一种自回归( a r ) 过 程，即时间序列l 可表示如下 _ = q 矗一，+ 万( 月) ( 2 - 5 ) 其中，占( h ) 是白噪声序列，均值为零，方差为霹，q 是a r 过程系数。杂 波序列k 可视为高斯白噪声序列占( ”) 经过一个传递函数为h ( 厂) 的线形滤波器 产生的，如图2 1 所示 第二章杂波褥性及抻锻接术概述 其中， 图2 1 国噪声产生杂波的线形滤波器 ( 2 6 ) 杂渡蓐，lx 箍) 敬魏率谤为 s x ( f ) = h ( f ) h + ( i 厂) s ( 厂) = 广f 且l 了 ( 2 - 7 ) | l 一qe x p ( - j 2 ；r j t ) | j = l l 其中，见，r 是高斯白噪声的功率 2 2 杂波翔剃技术概述 雷达的任务是利用无线电对我们感兴趣的目标j 藏行探测和测距( r a d i od e c t i o n a n dr a n g i n g ) 。这些曩瓤熬是处在一定戆鹜景之下的，疆标稳鸳豢都会反翦电磁波， 有的背景楚瞄定不动的鲡由、建筑物等，它们反射回来的为固定杂波冲心频率在，矿 ( n = o ，1 ，2 ) 处，由于天线的扫描引起谱有一定程度的展宽，有的背景是缓慢运动的， 如云南，金属箔条等，它们反射回来的是定多普勒频移和谱宽的动杂波，中心频 率编离兢( n = 0 1 ，2 ) 。繇疆实际兹霉达圈渡中不缎毒叠标器渡，还有嚣砖违形恐 物、云雨反射回来的固定杂波、动杂波和接收机噪声。通常我们所需要的目标叫波 都是淹没在强的杂波、噪声背景里的。因此，在雷达的回波中剔除、抑制我们所不 蔫要的遗貔杂波窝动杂波、噪声，戮援褰售杂毙、簧噪毙。 抑制杂波的方法授多，归纳起来主要有： 1 将天线架在高处，使之有较大的仰角，并用黎波屏蔽网，防止杂波进入雷达天 线。 2 改交天线形装唆及援纯方式暮趱薅信杂琵 3 通过、墩计窄的波束宽度降低天线旁瓣，减小脉冲宽度或使用脉压方法，来降低 进入天线的杂波熊量 4 。剩矮s t c ( 灵敏瘦瓣潮控裁，s e n f i v i t yt i m ec o n t r 0 1 ) 援泰鞠a g c ( 囊动趱盏 控制防止接收机饱和 对于信号处理来说，一般的杂波抑制方法主凄魁以f 两方丽 1 在时域中剥用杂波与目标在宽度粒幅度上的不同采取恒虚繁处理( c f a r ) 、 鑫动f j 限徐潮柬捧割杂波。 2 在频域中利用杂波与目标功率谱、频谱的不同，采用m t i 、m t d 的方法抑制 杂波特性及抑制技术研究 杂波，检测目标。 下面我们就m t i ，m t d ，c f a r 技术分别作一个简单的介绍 m t i 技术概述 m t i ( 动目标显示，m o v m g1 盯g e ti n d i c a t i o n ) 是最早应用的杂波抑制技术，m t i 滤 波器属于带阻滤波器，同过对滤波器参数的调整使滤波器幅频特性的凹口中心、宽 度与杂波中心频率及谱宽相适应，从而有效的抑制杂波，提高信杂比。 m t i 的分类方法很多，从相干处理的通道类型上分，有单通道m t i 和f 交双 通道m t i ：从配置方式t 可分为，有带反馈环节的递归m t i 和非递归m t i 。递归 m t i 就是i i r 滤波；非递归m t i 就是f i r 滤波。通常i i r 滤波比f i r 滤波效果好一 些，存在的缺点是暂态响应较长。 从滤波器权的更新方式上可分为，固定权的m t i 和自适应的a m t i ( a d a p t i v e m o v i n g t a r g e t i n d i c a t i o n ) 。固定权的m t i 权事先根据一个假设杂波功率谱模型算好， 在滤波过程中不更新权系数，这种方法可能会由于事先假设的杂波功率谱模型与实 际不符l 如中心频率不对准，功率谱宽不匹配) 造成杂波抑制效果降低。但这种方 法具有成本低，实现简单，运算量小，实时性好等诸多优点而且对固定杂波一般都 有较好的抑制效果，因而得到了广泛的应用。自适应m t i 是指在滤波的同时不断的 估计杂波的中心频率、谱宽等参数，然后根据一定的准则，不断的更新滤波器的权 系数，因而权系数是时变的，而不是事先算好的固定权。这种自适应m t l 方法适用 于抑制谱特性时变的运动杂波，当然，其运算量、设备量较大，且收敛速度要求较 高。 从p r f 上可分为均匀p r f 的m t i 和参差p r f 的m t i 。下面将会看到相对均匀 p r f 的m t i 而言，参差p r f 的m t i 能将第一盲速点提高很多倍，但通带内的频响 会变得不平坦，这一点可通过提高参差数来得以改善。 二m t d 技术概述 与m t i 滤波器不同，m t d 滤波器属于带通滤波。一般的做法是混有杂波、噪 声、目标的雷达回波首先通过多脉冲数据对消的方法抑制掉强的地杂波及低速杂波 部分。然后将m t i 处理过的数据，按距离门对齐作m t d 即d f t 处理也就是让每个 距离门数据都通过一组中心频率与d f t 各通道频率相对应的滤波器组。 n i 1 一 ( 足) = x ( ”) e x p ( 一，等勋) ( k = o ，l 2 n - 1 ) ( 2 8 ) n = o v 以每波位经m t i 处理后有八次探测的有效数据，每次探测有4 k 个数据为例， 按距离门对齐后我们需要做4 k 次8 点的d f t 运算。八个滤波器的幅度频响如图2 2 所示，各滤波器的中心频率是l ( n = 0 , 1 ，2 7 ) ， 第二章杂波特性及抑制技术概述 圈2 2m t d 滤波器组的幅频特性 对于作切向飞行的目标，虽然没有径向速度导致其多普勒频率为零。但是山于 作切向飞行时，雷达反射面积通常都较大，所以其回波强度通常会超过弱的地物杂 波，我们可以通过对几次扫描的杂波幅度递归的方法建立方位杂波图柬在零速地物 杂波中检测作切向飞行的目标。众所周知，作d f t 处理的数据必须是均匀抽样的， 所以，脉f d j 参差不适用于m t d 。为了克服盲速，可采用脉组参差的方法；或在脉问 参差时只作幅度平均，由于目标的相关性大，幅度平均一样能起到提高信噪比的目 的。 三恒虚警处理( c f a r ) 技术概述 恒虚警率处理是雷达信号处理的技术之一，由于目标信号总是处在内部噪声， 地物杂波，云雨杂波的背景之f 的。在自动门限检测系统中，只要杂波电平偶尔高 了几个分贝就会使虚警大大增加，使后面的计算机系统过载。恒虚警处理通过估计 快f 限或慢门限对信号进行检测，从而保持虚警概率恒定。对于信号的主要背景是 热噪声一类平均电平变化缓慢的场合，通常采用多次采样平均的慢门限方法。而对 于那些杂波背景变化很大，强度不同，分布区域各异的背景，通常采用杂波电平估 计的快门限方法。在该信号处理机中，c f a r 处理采用邻近单元平均选 幽2 3 杂波电平快速估计c f a r 方法 大的方法，如图2 3 所示 其中保护单元的个数，既要考虑到目标点数较多时的损失，又要考虑对较短杂 波的抑制效果，这需要根据雷达工作环境和目标信号宽度作折衷考虑。 六- 一卫锻六- 六-x -六-六知 杂波特性及抑制技术研究 本论文主要讨论在频域中的杂波抑制m t i 、m t d 方法，对c f a r 处理的时域 抑制方法不作详细讨论。 第三章雷达条渡捧囊茬术9 第三章雷达杂波抑制技术 m t i 的主鼷任务是抑制杂波，提高倍杂比。如前所述，m t i 的嶷现方法、分擞 都比较多，如参差不参差的m t i ，固定权自适应的m t i ，单通道l i e 交双通道的 m 秘等等。本肇主要对霾是较戆递l 舞，# 递 丑熬嚣及蒺手- 杂波先黢妥瑟浚豹裹验滤 波m t i 进行阐述和性能比较分手斤。并研究了用周赣参麓和零中频正交双通道处理法 米克眼盲速，肓相的原理和方法。 3 露定投m t i 技术及盲速、蠢裙 3 1 1m t i 改善因子及其影响因素 为了便于以后比较各种m t i 方法的优劣，先引入m t i 改善因子的概念，m t i 改善因子是指“动目标显示系统输出的信号杂波功率比x ) 与输入信号杂波功 率比( ) 之比值。”即 s ， ，。耸：弓立( 西：立)3 _ 1 ) s v c os 。 t 其中， 一、是目标在所有可能的径向速度上取平均的功率。g 是动目标显示 系统对信号戆乎均功率增慧。稳演器输戡的杂渡剩余是出多嵇因素g | 越敬，可表示 为： 巳= ( 耐j 描+ ( 0 杂醯内部起恢+ 巳系统不稳十 ( 3 2 ) 所以，动目标显示系统的改善因子也骚多方面因素的限制，主耍有以下几个方 巍： 1 由于本撤和相参振荡器频率不稳引起的相位不稳定。 2 发射脉冲幅度起伏引起振幅的不稳定。 3 发射稼净时鲻拱动，譬誊别是对于皴游压缩售号柬谫，季嚣| 霹的时潮拱动会镬m t i 剩余馥增大口f 倍，b 为信号帝宽。在系统巾进行m t i 处理可以根掭实际 情况采用正交双通道处理，将两差和一次对消器结合起柬，或者将三参 差和聪次对消嚣结合起来，或者在两者之间进行切换，可取得较好的效果。 4 接浚凝稳干振荡器的频率稳定度稳稻位稳定毽。 5 接收机的频率参考源的频率稳定度。 l o 杂波特性及抑制技术研究 6 正交双通道幅度、相位不平衡对改善因子的限制。 7 a d 采样位数对改善因子的限制。考虑到系统内部噪声会造成1 2 位的损失， 所以如果取b = 1 0 ，a d 变换器的量化噪声对改善因子的限制为： ， = - 1 ) 6 1 = 5 3 d b( 3 3 ) 8 杂波内部相对运动对改善因子的限制，杂波内部的相对运动使杂波产生较 宽的多普勒频移，这样会使m t i 对消产生较多剩余，可以通过结合窄带滤波器 组来解决。 假设这些因素对改善因子的影响相互独立的，那么总的改善因子的倒数等于各 限制因素改善因子的倒数和： i = i ：i 七i ：i4 - i ：l + 0 一舢 在进行实际工程实践中，应注意从以上方面着手来解决m t i 改善因子的 问题，以达到更好的处理效果。 3 1 2 固定权对消器的m t i 方法 在有些使用场合，中心频率为零的地物杂波或低频杂波时主要的杂波成分这时 我们使用低阶的固定权对消器就能达到较好的效果。典型的两脉冲对消器、三脉冲 对消器图3 ，l 、3 2 所示 k l 图3 1 两脉冲对消示意图 图3 2 三脉冲对消示意图 通常在两脉冲对消中女2 = 一1 ；t 1 = 一1 ；在三脉冲对消中k l = 1 ；k 2 = 一2 k 3 = 1 。这样它们的传递函数 第三章雷达杂波抑伟技术 吗( z ) = 1 - z 1 z = e 一埘矗 ( 3 5 ) 塌( z ) = l 一2 ：。+ ， ：= g m & 7 ， ( 3 一国 其中，兀为日标的多臀勒频率，r = 髟为雷达的探测周期。在厶= 谚， z = 1 时鸣( z ) 出堍单个零点瓣趣( z ) 出现双蹩零点。显然，在五= ，坑瓣近，：= 1 三赫；中对涪的幅度频响鹜嚣院两豫淬对游宽。为澄嘲诧淹题，以蚕3 3 为倒。 瓣3 + 3 一、二、三除鼹箱器豁蟠黻褥棒 图中横辅为频率，纵轴为幅度设f = 1 0 0 0 h z ，由卜- 到下依次是一阶、阶三 阶对消器的幅度频响：传递函数是q ( = ) = l z 、( 。) = ( 卜：“) 2 、鼠( = ) = ( 1 ：1 ) 3 从鹭上町看出虽然三个滤波嚣都在顼处有零点，但滁数越赢，魏翻宽度越大 设为一中心频率为零，标准偏差为5 鹱的遗物杂波功率谱如图3 4 所示，图中横 嫩标为频率，纵坐标为功率。剀3 5 、3 6 嫩标与此相同。 强3 4 对漤娃璎藏躲杂波功率漤 经过两脉冲对消以后功率谱如图3 5 所示 杂波特性及抑制技术研究 幽3 5 经过两脉冲对消后的杂波功率潜 经过三脉冲对潸后豹功率谬翻3 6 所示 图3 6 经过1 ：_ 三脉冲对消后的杂波功率谱 【f j 以上三图可见在地物杂波具有较大的谱宽时，三脉冲对消后的杂波剩余 要院耀脉冲对浚小，滤波嚣瞧额特蓬豹四日麓王吃嚣菰洚慰游赛。应当巍缓，在实甄 工棍应用巾，并非将滤波器幅频特性凹口设汁得越宽越好。因为凹口越宽，多普勒 频率在凹口附近的目标信号损失越多。 3 。1 3 音速及其克服方法 所谓盲速是指目标虽说有径向速度，但邋过相位检波居输出等幅脉冲，与阎定 番橱圈波一群，姥时对应兹蠢柩径彝速凄为蠢速。壹鼹豹壤解裁是，强撂以多蓉魏 频率厶= 嘭对应的径向速度运幼，任意相邻两次探测回波的相位变化为。 第三章雷达杂波抑制技术 致霉= 2 蛙= 2 n n -( 3 7 ) j ， 茸标回波与基准电压砜的合成矢量为 u x = + u ，c o s ( o ) d l 一九) ( 3 - 8 ) 从上式可j 嚣，当致荛常数2 n n 时，会姨矢量汲经过楣检后输出等艇骧冲。 雷达的第一葺速点五= z 帮琵较低r 这爱然不麓满懋实际的需要，必须提高第 一宙速点。人们般是采用脉冲间参差的办法来提高第盲速点的。参差m t i 滤波 器结构如图3 7 所示 图3 7 参差m t i 滤波器 众所周船，当参差周期跑为互质数( q ( 2 2 啄铱) 时，第一等效盲遽提高的倍数 为 k ：妈垒：型 f 3 舆 可见我们可以通过使a ( i = l ，2 ，3 n ) 为适当值，将第一盲速点提高适当的 倍数。以探测频率 为例，如图38所示当参茇比为：1时，第一盲速点l=500nz 1 为5 0 0 h z ；当参差院为9 ：1 1 时，第一言遮点提高到! 妄坚z ：5 0 0 0 h z ；当参差比 z 为1 9 ：2 1 时，搿肓速点提高到掣f ：1 0 0 0 0 h z ；可以看出，虽然第肖速 2 点黪麓得到了褥赢，餐在蘸来的第一盲速点处输密较小，不均匀。我们可以通过餐 高爹差个数的方法，使频响变得更平坦。如阁3 9 所示，l = 图参差比为7 ：8 ，可以 肴到频晌的起伏很大；下图参差比为3 l ：3 2 ：3 3 ，可以看到频响要甲坦得多。 1 4 杂波特性及抑制技术研究 幽3 , 8 参筹比分别为l ：i 、9 ：1 1 、1 9 ：2 l 时的频率响麻 一，：、“m，。 o u “_ ? ； 4 j n 心小f n j 3 2 1 ”o2 0 04 6 胡i ，嘲 1 秘d b l 翟船囊l 粼鄹姊， 8 0 01 8 _ ：2 0 i ” x 。撇 y ，t + 0 强： “一 s a 0 。一”一一1i 6 1 3 幽3 9 参差比分别为7 ：8 、3 1 ：3 2 ：3 3 时的频率响应 周期参差虽然能提高第一盲速点，但也还存在一些缺点比如： 1 不能消除较远区杂波的跨周期回波，因为周期参差时它们在脉冲问不处于同 一距离门上。 2 参差周期时要作好高稳定度的发射机比较困难。 3 雷达的改善因子会因为周期参差而降低。经过计算，周期参差时改善冈子的 t 限值为 ，。2 0 l g ( 竺) d b ( 3 - l o ) r j 其中，r l 为工作时波束内的脉冲数，r 为参差时最大周期与最小周期之比。另 外，在使用周期参差时要考虑以下几方面的因素 1 参差时，最小周期应能满足雷达作用距离所要求的时问间隔。 第三章雷达杂波抑制技术 2 参差时的第一盲速点不小于指标规定的目标的速度最大值。 3 速度响应曲线的第一凹点必须是最深的。 为了消除以上参差对改善因子的限制，可以采用时变权的方法【l 】，三脉冲对消 时变权求法图3 1 0 所示： 图3 1 0 二脉冲对消时变权求法 苴中“吐c = 等，肛+ c 四脉冲对消时变权求法如图3 1 1 所示 图3 1 1 四脉冲对消时变权求法 下上7 其中，a = i c = l + 三墨= l 二_ 二盟，曰= 一c ，d = 一1 ， y 一2 在上式中，瓦、。r 。分别是当前脉冲和前几个脉冲的时间间隔a 我们知道，并不是使用任意一组参差码都可以让第一盲速点提高并改善检测效 果的，必须对参差码进行优化。对参差码的优化，首先要确定一个最优准则，人们 通常希望在通带早的频率响应尽量平坦。为此，选择频率响应的最大值与最小值问 的差最小作为参差码最优化准则。 定义a 为通带门限，即所有幅度响应超过a 的频段都称为通带a ，对于所有的 频率，ea ，定义滤波器的频率响应不平坦为下式 l t ：f f ( 刊。b ( 3 - 1 1 ) ，e 其中，h ( ，) 是归一化的频率响应。经计算表明，第一盲速点提高越大，通带 内的频率响应越不平坦。所以，在满足实际需要的前提下要选择尽量小的提高倍数。 杂波特性及抑制技术研究 确定了提高倍数和重复周期之后，就要在所有的参差码中挑选出一组最优的码使通 带内的频率响应不平坦度最小。 设滤波器为5 阶，五种脉冲重复周期是巧正五瓦正，比值为8 ：9 ：1 0 ：1 l ：1 2 。显然 可能的排列种数有露= 1 2 0 种，对每种组合用特征矢量法来求出最优权矢量，再使 用这组权矢量求出滤波器的频率响应。对相邻五个时刻的频率响应取平均，得到经 过该种参差码组合对应的平滑后的频率响应。用相同的方法求出所有1 2 0 种组合的 平滑频率响应后，再从其中选 h 通带不平坦度最小的参差码组合。结果我们发现， 有十种组合的不平坦度相同且最小，一类向左循环移位，它们是1 1 ：8 ：l o ：1 2 ：9 ， 8 ：1 0 ：1 2 ：9 ：1 1 ，1 0 ：1 2 ：9 ：1 1 ：8 ，1 2 ：9 ：1 1 ：8 ：1 0 ，9 ：1 1 ：8 ：1 0 ：1 2 ；另一类向右循环移位，它 们是1 1 ：9 ：1 2 ：1 0 ：8 ，8 ：1 1 ：9 ：1 2 ：1 0 ，1 0 ：8 ：1 1 ：9 ：1 2 ，1 2 ：1 0 ：8 ：1 1 ：9 ，9 ：1 2 ：1 0 ：8 ：1 1 。由以上 的十组参差码我们可得到以下结论 1 l 】： 1 码元互为平移，则对应的滤波器系数也互为平移且通带不平坦度相同。 2 码元互为倒序，则对应的滤波器频率响应和通带不平坦度都相同。 3 对于n 参差但顺序未定的滤波器，n 个输出值平滑，那么在通带不平坦度 最小的准则下，有2 n 组最优参差码顺序，条件是n 3 。 4 参差数小于等于3 的滤波器，在不小于3 个输出平滑的前提f ，滤波器的频 率响应与参差顺序无关。 3 1 4 盲相及其克服方法 盲相是由于相位检波器特性引起的，盲相会降低雷达对运动目标的检测能力。 u 。 7 。 一一l 0 | e 幽3 1 2 接收机相检输出 如图3 j 2 所示，若两个帽邻回波脉冲的相位处于上图的a ，c 两点，虽然相位不 同，但在相位检波器的输出上是同一工作点，因此经过相消器后输出为零，这就是 点盲相的定义。用矢量图解释如图3 1 3 所示，相检器的输出是运动目标回波信号矢 第三章雷达杂波抑制技术 7 量在基准电压方向的投影，对消器的输出便是相邻两次重复周期目标回波矢量的差 矢量在基准电压方向上的投影，如果两个周期目标矢量关系如下图所示，则差矢量 与基准电压正交，投影为零。 幽3 13 基准电压与信号久量图 除了上述的点盲相以外，在强的杂波背景下还可能出现使运动目标连续丢失的 连续盲相现象。这是由于在这种情况下目标回波叠加在强杂波上，出于接收机饱和 的限幅作用，使得其合成矢量在很小的一段弧上运动，差矢量f 交j 二基准电压的范 围就很大，从而出现连续盲相。 解决盲相的方法主要有两种：一种是中频对消，在对消前直接对中频信号作对 消，取出回波的差矢量，从而避免了盲相。这通常是用模拟电路实现的去盲相方法。 随着数字电路的大量使用人们往往采用第二种方法：零中频f 交双通道处理法。原 理框图如图3 1 4 所示。 幽3 1 4 止交相位检波 如f ：图所示，正交权通道由两条相同的支路组成，唯一的不同就是两路作相位 检波的基准电压相差衫。在前面谈到单路相检经过对消的输出是信号差矢量在基 准电压卜的投影。f 交双通道处理后的相消处理也是两路( i 路、q 路) ，其输出分 别是信号差矢量在基准电压及其正交方向上的投影。如图3 1 5 所示 1 8 杂波特性及抑制技术研究 q 路 对消输出 。j i 基准电压 7 。 基准 i 路 电压对消 移相输出 9 0 度 图3 1 5 正交相位检波的矢量表示 可见不管目标差矢量如何，在基准电压及其正交方向上的投影都不可能同时为 零。在一个方向上投影为零，在其正交方向上投影最大。所以这种方法能有效的克 服盲相的问题。由于易于用数字电路实现，所以这种零中频正交双通道处理方法已 经得到了越来越广泛的应用。 3 2 递归滤波器的设计及性能分析 弋 根据上图可列出该滤波器的传递函数为 耶，= 芸丢岛 上式表明带反馈支路的二次对消器除具有一个二重零点z = 1 之外， 还具有一对共轭的极点，这两个极点是 z 1 广芦k i - 4 嚼z 2 4 k 2 ： ( 3 1 2 ) 在砰 4 k 2 时 ( 3 1 3 ) 第三章雷达杂波抑制技术 9 零极点的分布见图3 1 7 所示 幽31 7 递门滤波器的零、极点分布 极点到原点的距离为lz 1 ：= k ：，因此要让浚系统稳定必须使kc l ；由于极点 的存在会使得在离它们较近的，辑位圆上的点所对应的频率响应变大。如果我们 将这两个极点放在通带内的频率附近，那么显然能改善通带内的频率响应。如 幽3 1 8 所示 图3 1 8 递归滤波器的幅频特性 为了将频率响应的凹e l 变宽，可以将前馈支路的系数改得绝对值比一2 稍小 点，这样二重零点就会变成对共轭的零点。递归滤波器虽然具有较好的通带频率 响应特性，运算最小的优点，但它也存在暂态性能变差的缺点，这在实际t 作中导 致严重的问题：当遇到强的孤立杂波时，滤波器是处于暂态t 作的，杂波过去以后， 递归滤波器具有“振铃”信号输出，它可能将关心的目标信号淹没。 以卜是一个例子，一个巾心频率为零，标准偏差为5 度的地物杂波功率谱如图 3 1 9 所示，图中横轴为频率，纵轴为功率。图3 r 2 0 、3 2 1 坐标意义与此相同。 2 0 杂波特性及抑制技术研究 图31 9 递门滤波前的杂波功率谱 经过i 脉冲对消后的功率如图3 2 0 所示 幽32 0 三脉冲对消后的杂波功率谱 经过参数k ，= 0 4 9 4 9 、k ：= 0 3 5 的递归二次对消器后，功率谱如图3 2 1 所示 幽3 2 l 递门+ 次刘消后的杂波功率谱 由以上三图可见，由于在通道中问增加了极点，所以通带中功率谱变得平坦多了。 3 - 3 基于杂波谱先验知识的高阶滤波器杂波抑制方法 第三章雷达杂波抑制技术 上面所述的几种递归或不递归的滤波器都是低阶的滤波器而且几乎没有用到杂 波的信息，这类对消器的效果比起那些实时估计杂波功率谱特性从而求出在一定最 优准则下权矢量的自适应a m t i ( a d a p t i v em o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ) 来说，自然要差 一些。但是在自适应a m t i 中直接把谱估计技术用于杂波抑制，并不是任何时候都 最佳，在有些场合也还可能存在一些问题。主要表现在以下几个方面： 1 基于谱估计的a m t i ，其杂波抑制效果的关键在于对杂波功率谱估计的准确 性，在实际工作中目标信号与杂波是相互混合在一起的，估计杂波谱特性所 需要的数据采样难免会包含有目标的信息，这就会造成抑制杂波时目标信号 也受到一定程度上的抑制。 2 自适应的a m t l 通常都是当前周期估计的权在下一个周期用于抑制杂波，这 就要求杂波特性变化是缓慢或是平滑的，在机械式慢扫的情况下是适用的。 但在相控阵的条件下就可能不适用了，这是因为相控阵天线的波束指向变化 通常都很迅速，相邻两周期的杂波相关性很小，头一个周期估计的权在下一 个周期就不适于于当时的杂波特性了，抑制效果反而可能比低阶固定权对消 器还差。 3 常用的谱估计算法，如l m s 算法、格形滤波器，l s 算法，都具有计算量大， 暂态时间长的缺点，有时甚至可能出现振荡现象。 4 山于谱估计算法计算量大、复杂，造成实时性差，设备量大，成本高等缺点。 基于以上对固定权低阶对消器及自适应a m t i 各自优缺点的讨论，町采用一种 无需自适应估计杂波谱特性，只要估计杂波中心频率的高阶杂波抑制方法。这就是 基于杂波谱先验知识的杂波抑制方法。 一般地，假设杂波功率谱为高斯型即 1， g ( 力2 了丢i 蹦p ( 一匆( 3 - 1 4 ) 其中，为杂波的多普勒频率，以为杂波功率谱标准差，对于地物杂波，我们 不妨假设其中心多普勒频率为0 。所以地物杂波的自协方差矩阵是一个实对称矩阵， 矩阼元素为 r ，= r 。= e x p 一2 x2 0 r - 7 ( i 一，) 2 t2 ( 3 1 5 ) t 足脉冲重复周期。根据矩阵论知识，实对