（信号与信息处理专业论文）单脉冲跟踪雷达杂波抑制技术及其dsp实现.pdf

摘要 在雷达系统中，来自地面和海面等的杂波回波严重的影响着雷达的各项性能， 所以，抑制来自地面和海面的杂波对改善雷达性能有着重要的意义。在雷达信号 处理中，动目标显示( m t i ) 技术和动目标检测( m t d ) 技术是两种重要的杂波 抑制技术。 本文从对杂波的认识着手，首先介绍了雷达工作环境中的各种杂波以及它们 可能会对雷达检测性能造成的影响，指出了杂波抑制在雷达系统工作过程中的重 要性，从而引出了雷达信号处理中的两种重要的杂波抑制技术：动目标显示( m t i ) 技术和动目标检测( m t d ) 技术，从理论上详细的介绍了两种信号处理算法的原 理以及应用，并结合实测数据进行了仿真分析。然后结合本人参与的某雷达信号 处理机信号处理运算板的开发过程，进一步对基于d s p 环境的系统设计、程序编写 和优化程序、调试等中的一些方法经验进行了总结。最后结合一些实测数据对该 雷达信号处理机的信号处理板的杂波抑制性能进行分析，并且与m a t l a b 中的仿真 结果进行了比对，论证了该处理板设计中杂波抑制的可行性。 关键词：杂波抑制动目标显示动目标检测 a b s t r a c t i nr a d a rs y s t e m ，c l u t t e r sf r o ml a n da n ds e aa n ds oo na r ea l w a y ss e r i o u s l y a f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fr a d a r , a sar e s u l t ，c l u t t e rc o m p r e s s i o n i sv e r yi m p o r t a n tt o t h ec a p a b i l i t yi m p r o v e m e n to fr a d a r i n i m p o r t a n tc l u t t e rc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y m o v i n gt a r g e td e t e c t i o n ( m t d ) r a d a rs i g n a lp r o c e s s i n gt h e o r y , t h et w o a r em o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ( m t i ) a n d b yi n t r o d u c i n gv a r i o u sk i n d so f c l u t t e r si nr a d a rc i r c u m s t a n c ea n dt h e i ri m p a c to n r a d a rp e r f o r m a n c e ，t h ep a p e rf i r s t l yp r e s e n t st h ei m p o r t a n c eo fc l u t t e rc o m p r e s s i o n t h e n “d e d u c e st h et w oi m p o r t a n tc l u t t e rc o m p r e s s i o nt e c h n o l o g yi n r a d a rs i g n a l p r o c e s s i n gt h e o r y ：m o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ( m t i ) a n dm o v i n gt a r g e t d e t e c t i o n ( m t d ) ，i n t e g r a t e dw i t ht h ea r i t h m e t i cp r i n c i p l ea n dt h ea p p l i c a t i o n ，t h e np r e s e n t ss o m e m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nt h ep r a c t i c a ld a t a s e c o n d l yt h ep a p e rc o v e r st h e c o u r s eo ft h er a d a rs i g n a lp r o c e s s o r ， w h a t sm o r ei ss o m em e t h o d sa n de x p e r i e n c eo r t h es y s t e md e s i g n i n g 、p r o g r a m m ec o m p i l i n g 、p r o g r a m m eo p t i m i z i n ga n dd e b u g g i n g f i n a l l yc o m b i n i n gw i t ht h ep r a c t i c a ld a t aa n a l y z i n g ，t h ec o m p a r i s o nw i t h t h er e s u l t st h a t 舶mm a t l a b ，t h i sp a p e ra r r i v e st h ec o n c l u s i o nt h a t t h ec l u t t e rc o m p r e s s i o no ft h e r a d a rs i g n a lp r o c e s s o ri sf e a s i b l e k e y w o r d s ：c l u t t e rc o m p r e s s i o n m t im t d 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：套氐霭 1 乡呷” 日期：瑚 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本人签名： 导师签名： f t 期：出厶丝 日期：趋l ! ! f ：f 主 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文产生的背景和意义 雷达是伴随着战争的需要而诞生和发展起来的，并且随着科技的发展其在后 来的各种应用中逐渐扮演着越来越重要的角色。二战后，特别是近几十年来，雷 达的各种技术有了飞速的发展。现在雷达已经被广泛的应用于军事和民用领域， 比方说在导航、天气预报及空中交通管制等多方面【l 】。 雷达是利用目标对电磁波的反射现象来发现并测定目标位置的。雷达要探测 的目标通常是运动着的物体，比如飞机、导弹、舰艇等。当雷达要从目标回波中 提取各种有关信息，但是目标的周围不可避免的存在着各种背景，如地物、云雨、 海浪及金属箔条等。这些背景所产生的回波会目标探测带来负面影响，这些背景 或者人为干扰就被称为杂波。如果目标处在杂波背景中，弱的目标可能会淹没在 强杂波中，并且强的杂波还可能会使雷达接收机过载。由于杂波伴随着目标信号 一同进入雷达接收机，而且强度通常比有用信号大几十分贝，这就给目标的检测 带来很大困难，因此杂波抑制技术成为信号检测的关键技术之一。 目前用于杂波抑制的措施有很多，其中与信号处理相关的抑制杂波的方法主 要包括：动目标显示( m t i ) 技术、动目标检测( m t d ) 技术等，这些方法统称为频域 处理，其机理是利用目标和杂波相对雷达运动速度的不同而引起多普勒的差异， 进而通过滤波来抑制杂波、提取动目标的信息。 近些年来，随着数字信号处理方面处理能力强、运算速度快、体积小、开发 成本低、性能价格比高的d s p 芯片的快速发展，越来越多的涉及到大数据量的复杂 的信号处理机开始借助于通用或专用d s p 芯片来实现。而这些高性能的芯片的采用 也使得信号处理机的研制周期大为缩短，且信号处理机的性能也大为改善，也大 大降低了开发成本。为便于开发，一般d s p 厂商都会提供一套相应的d s p 开发环境。 v i s u a ld s p + + 是一种方便的集成测试开发软件平台，它支持a d i 公司浮点系列处理 器的各种产品，如s h a r c 系列，t i g e r s h a r c 系列和b l a c k f i n 系列等【5 j 。v i s u a l d s p + + 通过可视化的图形窗口方式与用户进行信息交换，程序开发人员可以在窗 口中进行高效的工程管理，轻松地在编辑、编译和调试之间进行切换，实现高效 率的程序开发。该软件开发平台的软件和硬件仿真环境使得工程在验证、测试、 优化等方面都得到了很大的改善。 本文以雷达信号处理中的杂波抑制算法为例，在详细介绍雷达杂波抑制算法 的前提下，对其在d s p 中的实现进行了介绍，同时对v i s u a ld s p + + 环境的开发流 程进行了总结。最后在实测数据的基础上对m a t l a b 仿真结果和v k , l 】a ld s p + + 仿真 结果进行了对比。 2 单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术及其d s p 实现 1 2 国内外研究发展状况 跟踪雷达诞生于2 0 世纪4 0 年代。第二次世界大战期间，美国人研制了具有中 等测量精度、采用圆锥扫描技术、用于火炮控制的s c r 5 8 4 雷达【4 】，首先实现了对 空中飞行目标的连续跟踪和对火炮射击的控制。其角度测量精度大约为2 毫弧度， 距离跟踪测量精度为几十米。即使这种中等精度的跟踪雷达也使当时的高炮射击 命中率提高近两个数量级。至今，不断发展的各种武器平台( 火炮、飞机、舰船、 导弹等) 几乎都根据自己的要求配备了用于武器控制的跟踪雷达。 随着导弹、卫星、航天技术的发展，中等精度的跟踪雷达逐渐满足不了不断 发展的跟踪测量技术的要求，因而2 0 世纪5 0 年代，诞生了实用的单脉冲跟踪测量 雷达系统。单脉冲雷达只需要比较各波束接收的同一个回波脉冲，就可以获得目 标位置的全部信息，这就是“单脉冲”一词的来源【8 】。1 9 5 6 年，首台高精度单脉冲跟 踪雷达在美国研制成功。这种跟踪测量雷达采用了先进的单脉冲技术，其角度测 量精度可达0 1 - 0 2 毫弧度，距离测量精度为几米的量级，从而开拓了单脉冲跟踪测 量雷达的广泛应用市场。目前大量应用于各领域中的跟踪雷达大多数都是单脉冲 跟踪雷达。今天，精密跟踪雷达不仅广泛地应用于各类武器控制和靶场试验中， 而且还广泛地应用于各种远程空间探测、跟踪和识别领域，以及最先进的武器控 制系统( 如美国导弹防御系统中的g b r 雷达) 。另外，在国民经济领域，诸如交 通控制、气象探测等方面，跟踪雷达的应用也越来越多。现在，许多跟踪雷达的 任务已经不仅仅只是给定空域探测和高精度测量目标的坐标和轨迹，还要求在恶 劣电磁环境下对诸多目标进行高分辨测量、特征提取、目标成像及目标识别。跟 踪雷达技术的发展和应用仍然充满活力1 5 。 在雷达性能提高的同时，雷达环境的影响也变得越来越严重。被各种杂波弄 的模糊不清的终端显示画面迫切需要新的信号处理方法来抑制杂波，日益复杂的 e m c 环境也向雷达信号处理提出了更高的要求。早期雷达中便开始使用的动目标 显示技术( m t i ) 、7 0 年代初出现的动目标检测技术( m t d ) 和脉冲多普勒( p d ) 技术以 及基于恒虚警概率处理( c f a r ) 的自适应门限技术等，是实现杂波抑制的有效方法， 也构成了雷达信号处理的重要内容【l 】。为对抗有源干扰，雷达系统也可采用多种方 法，与信号处理直接相关的方法包括自适应干扰置零、自适应旁瓣对消和干扰分 析发射选择等频域处理等。数字技术的出现及其相关领域如计算机等技术的发展， 极大的推动了雷达信号处理机的前进与发展【l 】。 第章绪论 3 1 3 本文内容安排 本文从对雷达工作环境出发，引出了对雷达工作性能影响很大的各种杂波， 并简单介绍了几种简单形式的杂波。由此进步引出了对雷达回波信号的杂波抑 制技术，在对雷达杂波抑制技术：动目标显示技术( m t i ) 和动目标检测技术( m t d ) 进行详细的介绍基础上，结合当前广泛应用的v i s u a ld s p + + 开发环境对基于d s p 雷达杂波抑制技术的开发流程进行了详细的介绍，最后结合实测数据对m a t l a b 环 境下仿真的结果与d s p 中运算结果进行了对比。本文的具体章节安排如下： 第一章简单介绍了论文研究的背景，以及本文的结构。 第二章通过对雷达工作环境的概述，引出了影响雷达工作的各种干扰和杂 波，并简单介绍了其幅度分布符合瑞利分布、对数分布、韦布尔分布和k 分布的 几种杂波，并对雷达回波信号进行了一个简单的介绍。 第三章针对第二章指出的雷达杂波的干扰，详细介绍了雷达的两种杂波抑制 技术：动目标显示技术( m t i ) 和动目标检测技术( m t d ) ，并针对实测数据进行 了一些仿真分析。 第四章在基于对雷达杂波抑制技术介绍的基础上，结合雷达信号处理机的主 要任务，对d s p 的开发环境和开发流程进行简单的介绍，最后结合实测数据对 m a t l a b 仿真结果和v i s u a ld s p + + 仿真结果进行了对比。 第二章单脉冲跟踪雷达回波信号 5 第二章单脉冲跟踪雷达回波信号 第一章中已经指出，单脉冲跟踪雷达是目前应用很广泛的一种跟踪测量雷达， 单脉冲跟踪雷达系统主要用于武器控制、靶场实验和空间探测任务中对单( 批) 目标 的高精度、高数据率的连续跟踪测量。其具体特点是：单( 批) 目标、高数据率、高 精度、闭环连续跟踪。目前，单脉冲跟踪雷达主要应用在武器控制、靶场测量、 空间探测等方面，其主要的功能为：搜索截获、目标跟踪、参数测量以及目标成 像等等。而所有这些功能的实现都是以其对雷达回波信号的正确分析处理为基础 的，本章就着重介绍单脉冲跟踪雷达的回波信号以及对回波信号造成影响的一些 因素。 2 1 雷达回波信号 雷达总是在一定的自然环境中工作的，所以必然会受到多种因素的干扰，这 些因素可能是由于其它的辐射源产生的，也可能是由于雷达工作的环境对雷达发 射电磁波反射造成的。实际上由地面、海面和气象微粒对电磁波的反射都可以形 成杂波，然而回波是否是杂波则取决于所用雷达的判断。 雷达杂波是雷达波束在物体表面形成的后向散射，比如地表面、海洋表面等。 其中包括：地面杂波，除由人造建筑物所产生的点杂波外，通常情况下是一种分 布散射现象；海杂波就是海面的回波，它表现出更强的动态特性；另外还有气象 杂波，主要是降雨层的后向散射。 应该指出的是杂波并不是般意义上的噪声，它的成因有着与噪声不同的物 理机制，应该说杂波的自由度要远远小于随机噪声，尽管这些杂波表现得无比“随 机”。杂波在实际研究当中所扮演的角色通常要一分为二的看待，如果研究对象是 海洋、地面及其动态特性，那么此时杂波中就包含了有用的信息，杂波的特性就 是我们研究的客体；另一方面，如果我们研究的目的是要从杂波中探测目标，比 如船只、浮冰、车辆等，那么杂波就是一种要被抑制的干扰源，这时杂波的特性 在雷达检测性能中也同样重要【5 3 1 。 杂波有孤立的，也有连续的。地面上的建筑物如大楼等的回波，属于孤立的 杂波；而海浪、森林、云层等的回波则属于连续分布的杂波。孤立的物体般是 个别的、静止的，是事先知道的或容易测定的，所以它们所形成的杂波比较容易 消除。但连续分布的杂波则范围较大，会对雷达产生较大的影响，而且通常难以 消除。 对一般雷达来说，它们的有用目标就是飞机、船舰等，而杂波的存在将影响 雷达的正常工作。由于杂波大多是分布性的，具有大的面积，因此，对于很多雷 6 单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术及其d s p 实现 达来说，在设计的时候必须充分考虑杂波所带来的影响，并采取妥善的措施以保 证雷达的性能。 2 1 1 雷达发射信号 早期的脉冲雷达采用的多是简单的脉冲信号，这种脉冲的能量受发射功率与 脉冲宽度的影响。若要求雷达探测目标的作用距离增大时，需要增大雷达发射信 号的能量。增大雷达发射信号能量的第一种方法是增大发射信号的功率，但它受 到发射管峰值功率以及传输线功率容量等因素的限制，不能无限的增大。在发射 机平均功率允许的情况下，可以用增大脉冲宽度的方法来提高雷达发射信号的能 量，但这同时也降低了整个雷达系统的距离分辨率。为了解决既需要提高雷达的 探测能力又能保证必需的距离分辨率这一矛盾，现代雷达常采用脉冲压缩信号。 常用的脉冲压缩信号有线性调频信号( l f m ) 、非线性调频信号( n l f m ) 以及一些相 位编码信号( 巴克码、m 序列、伪随机序列码等) 。脉冲压缩信号既可以达到宽脉冲 雷达的检测能力，又可以保证窄脉冲雷达的距离分辨率。 根据发射脉冲重复频率的不同，机载p d 雷达使用的基本信号一般分为高脉冲 重复频率( h p r f ) 中脉冲重复频率( m p r f ) 和低脉冲重复频率( l p r f ) - - 种形式。高脉 冲重复频率没有速度模糊，但是有很强的距离模糊；低脉冲重复频率的信号没有 距离模糊，但是有很强的速度模糊：中脉冲重复频率是高脉冲重复频率和低脉冲 重复频率之间的折衷。它存在距离模糊，但与高脉冲重复频率雷达相比模糊数要 小，同时也存在着多普勒模糊，但比低脉冲重复频率雷达要少，具有两者希望有 的某些特征。 下面以线性调频信号( l f m ) 为例来说明雷达的发射信号【5 4 1 。 线性调频( l f m ) 信号是指在持续期间( 脉内) 频率连续变化，即时频关系为线性 的信号。其表达式为： s ( t ) = a r e c t ( - - ) e x p ( j 2 万( a t + ) ) ( 2 - 1 ) 咧琳：锯 p 2 ， a 为线性调频信号的幅度，f 为线性调频信号的时宽，为调频斜率，线性调频信 号的带宽是b = 纠。信号瞬时频率可写成： 工( f ) ：石1j d 2 万( 厂一十等) 】= 厶+ ( 2 3 ) 第二章单脉冲跟踪雷选回波信号 其中口：呈为频率变化率，口为频率变化范围，f 即信号的带宽。 f 在仿真中，为了方便处理，一般都采用复信号形式。下面是对线性调频信号 t m ，t t * ( a ) 线性调频信号基带时域波蟛图 口 十- 雌_ # 口t - 棚电* # _ _ 吁气r f 苗亩1 1 r _ - _ t 一 频线性调频值号频谱( 信号时间长度为3 0 a s ，1 b 1 5 0 ) 闰2 1 线性谓频信号波形图 的一个仿真波形图。 一般针对线性调频信号( i f m ) 我们首先要进行的是脉冲压缩处理，也就是一 个匹配滤波的过程，设经过匹配滤波之后- 4 d b 脉冲宽度为t 而发射信号的脉冲宽 度是f ，且皿r = 1 我们定义 d = 圭b ( 2 - 4 ) j 为脉冲压缩比也称为信号的时宽带宽积。图2 1 ( b ) 是当时宽带宽积为1 5 0 的线性 调频信号的频域周。实际上，时宽带宽积d 越大，信号的频谱圈越接近于矩形的 形状。 棚 z t弘 m 8 单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术及其d s p 实现 2 1 2 雷达回波信号 雷达回波信号包括从雷达天线主瓣进入的目标回波信号、接收机噪声、杂波 以及从天线旁瓣进入的压制性干扰和假目标干扰。 当目标视为点目标，并且目标径向运动速度v 妁时，目标回波信号可表示为： 0 ( f ) = “( f f ) 一2 ”胁( 2 - 5 1 其中，兀为发射信号的载频，f ：2 ( 民一v 钐，r 是目标的初始距离，v 为目标相 对于雷达的径向运动速度。回波信号与发射信号相比具有的高频相位差为： 矽= - 2 硝r = - 2 x 2 ( & 一( 2 - 6 ) 令= 2 ，厶= ：，则回波信号可表示为： s r ( f ) = “( f 一矽2 确一w 2 4 印( 2 - 7 1 可以看出，目标回波的延迟随着时间逐渐变化，当目标向着雷达运动时，回波延 迟逐渐缩小，目标背离雷达运动时，回波延迟逐渐增大。整个目标回波的产生框 图如图2 2 所利5 3 1 a 、时延和多普勒频移的产生 若假设目标是匀加速运动，但在一个波束驻留时间内是匀速运动，在每个波 束驻留时间内将目标的时延与多普勒频移实时地加到调频信号中，由于目标的运 动，每个波束驻留时间内的时延与多普勒频移都在变化。例如：第一个波束驻留 一 p一， 时间内的延迟为：q = 削z ，频移为f l = 二，尺d 、分别为目标相对于雷达 的初始距离和初始速度，c 为光速，五为波长。第二个波束驻留时间内的延迟为： 屯= 2 ( r o + 巧髟，频移为左= 2 ( v o + 口气；彳，其中口为目标加速度，瓦为波束驻 图2 2 回波产生框图 第二章单脉冲跟踪雷达回波信号 9 留时间。第三个脉冲的延迟时间是：毛= 2 ( r + ( v o + a o t o ) t o ) f f c ，频移为 a - _ 2 ( + 2 口? 彳 。依此类推，第f 个脉冲的延迟为 _ = 2 ( r + ( v o + o 一2 ) 口。瓦乇鬈，频移为z = 2 ( v o + o 一1 ) 口t 殇。 b 、大气衰减 雷达发射的信号经过自由空间的传播，照射到目标上，因目标的散射特性而 产生散射回波，假定目标可以将接收到的功率无损耗的辐射出来，并且考虑到整 个系统的损耗，可推导出雷达接收天线接收到的功率为【l 】： e ：p t g 2 1 2 2 仃- ( 2 8 ) ( 4 石) 。r l 式中p 为发射信号的峰值功率，g 为收发共用天线的增益，兄为发射信号波长，c f 为目标散射截面积，尺为目标距离，为系统损耗，包括传输损耗、天线波束形 状损耗、中频失配损耗、系统衰减损耗等。 c 、遮挡效应 目标的回波到达接收机时，若接收机由于正在发射而无法接收，就会产生遮 挡效应，这时回波信号就会被屏蔽。随着目标距离的改变，目标回波会运动从而 通过遮蔽区，只有当目标的距离处于目标回波接收期间与接收机关闭期间严格一 致的状态时，目标才会被完全遮蔽。否则，至少会有一部分回波通过，随着一致 性程度的减小，遮蔽效应也会随之减小。在搜索从远距离接近的目标时，人们关 心的主要是积累探测概率，即目标到达给定距离之内至少被看到一次的概率。而 且，一旦目标被探测到，通常不必连续地探测它。快速接近的目标不会在遮蔽距 离上逗留很久，而且随着距离的减小和信号幅度的增加，在作用范围内的间隙会 得到填补。 在接近速度较低或要求近乎连续探测的场合，可以通过在几个不同的p r f 中切 换来减小任何距离被遮挡的时间，这与中p r f 工作方式中通过转换p r f 来消除盲区 的方法非常相似。在单目标跟踪中，通过在适当的时间内周期地改变p r f , 很大程 度上能使目标处于清晰状态【5 5 1 。 在很多情况下，我们只是进行简单的判断，如果目标相对于雷达的径向距离 正好处于脉冲宽度所包含的距离之内，我们就认为回波信号被完全遮挡，相反则 不会产生遮挡效应。有遮挡时，我们让信号输出为零，没有遮挡时，输出为1 ，再 与回波信号相加。 1 0 单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术及其d s p 实现 d 、杂波 杂波按照空间分类，主要有三种：高度线杂波、主瓣杂波和旁瓣杂波。杂波 是个随机过程，在不同的分辨率或者不同的工作方式下具有不同的概率分布。但 从大量的实测数据中可以发现，杂波除了随机性以外还具有确定性，就是具有一 定的频谱。前文中对几种典型分布的杂波都做了介绍，这里将不再重复。 下面介绍雷达回波中的杂波功率谱的几种常见的表示形式。 通常情况下，雷达杂波的功率谱用以下三种形式表示【5 3 】： ( 1 ) 高斯型：杂波的功率谱特性和杂波的性质、环境等因素有关，大量的观测 结果表明，大多数雷达杂波的功率谱可以采用高斯谱来近似。其中瓯是一个常数， 兀为中心频率，代表杂波的平均多普勒频移，或者说是杂波的平均速度；仃，为杂 波功率谱的标准差，代表功率谱展宽的程度。 盯) = 舾p _ u 吒2 】 ( 2 - 9 ) ( 2 ) 立方型：对于以前的低精度雷达的观测结果表明，杂波功率谱近似为高斯 谱。经过对观测的数据的长期研究，人们发现，现代的高精度雷达由于发射的波 束比较窄，擦地角比较低，功率谱分布并不能用高斯谱来近似，而是近似于立方 谱，可以表示为： 双门2 鬲凼呖 。 其中品和以意义同式( 2 - 5 ) ，五代表了归一化的等效频率。实际上，越来越多的观 测结果表明，采用立方谱更具有代表性，分母中的指数项取值为2 o ，以 0 ( 2 - 1 3 ) z ：r c r x 乒l c 其中心是尺度参数，表示分布的中位数；q 是形状参数，表示分布的偏斜度。对 于海杂波，从高仰角( 4 7 。数量级) 和低海况条件下的0 6 d b ( 近似值) 变化到低 视角( 大约5 。) 角和高海况条件下的大约5 7 5 如。在地杂波中，作为雷达视角的 函数大约在3 妇到4 d g 范围内变化。 对数正态分布的严重缺点是在最影响虚警和灵敏度的区域里吻合度反而较 差。对数正态分布和瑞利分布之间的主要差别在于前者的拖尾较长，也就是说， 大幅度的概率要比后者大一些。 2 2 3 韦布尔分布杂波 一般来说，对于大多数实验和理论所确定的杂波幅度分布，瑞利分布和对数 正态分布仅适用于它们中的有限分布。瑞利分布模型一般倾向于低估实际杂波的 动态范围，而对数正态分布倾向于高估实际杂波分布的动态范围。韦布尔分布比 瑞利分布和对数正态分布常常能在更广的环境内精确的表示实际的杂波分布。适 当的调整韦布尔分布的参数，能够使它成为瑞利分布或接近于对数正态分布。通 常，在高分辨力和低入射角的情况下，海浪杂波能够用韦布尔分布精确的描述， 地物杂波也能够用韦布尔分布模型来描述。其概率密度函数为： 贴，= q j k 兰q n 2 卅， x 0 ( 2 - 1 4 ) 其中，q 0 是尺度参数，表示分布的中位数，p 0 为形状参数，表明分布的偏斜 度。若p = 2 ，就称为瑞利分布，若p = l ，就是指数概率密度函数。 从信号检测的观点来看，对数正态分布代表着最恶劣的杂波环境，瑞利分布 代表着最简单的杂波环境，韦布尔分布是中间模型。在许多情况下，它是一种比 较合适的杂波分布。因此，它比瑞利分布能适应更宽的杂波范围。 2 2 4k 分布杂波 上述各种分布的杂波都是基于单一点统计量，仅仅适合单个脉冲检测的情况， 缺乏模拟杂波的时间和空间相关性。考虑到脉冲间的相关性，近年来提出了k 分 布杂波。 第二章单脉冲跟踪雷达回波信号 1 3 对这种分布的杂波而言，海杂波回波的幅度被描述成两个因子的乘积，第一 部分是斑点分量( 快变化量) ，它是由大量散射体的反射进行相干叠加而成的。符 合瑞利分布。第二部分是基本幅度调制分量( 即慢变化分量) ，它反映了与海面大 面积结构有关的散射束在空间变化的平均电平，具有长相关时间，服从z 2 分布。 k 分布的概率密度函数为： 岁1 f ( z ) = ( ) 瓦一。( 二) ( 2 1 5 ) a lt v ) z aa 其中，z 0 ，v 0 ，口 0 ，1 ，是形状参数，它规定了与平均值有关的较大的矩， 并通过混合模型规定了在该平均值中的不均匀量；口是标量参数，仅与杂波的平 均值有关；r ( ) 是g a m m a 函数；足( ) 是修正的v 阶贝塞尔函数。对于大多数雷达 杂波来说，形状参数v 的取值范围是0 1 1 ， 0 0 。对于较小的取值( 即v _ o 1 ) ， 杂波有长拖尾，说明尖峰杂波；而当y - - 9 , 。时，杂波的分布就会接近于瑞利分布， 实验证明对于高分辨低擦地角的海杂波，的取值在0 1 到3 之间。k 分布杂波的 各阶矩介于瑞利分布和对数正态分布杂波的各阶矩之间。 对于高精度雷达来说，k 分布比较符合杂波数据的统计结果。实际上，可以 把k 分布看作是瑞利分布和z 2 分布的组合：快速起伏的杂波，服从瑞利分布，慢 速起伏的杂波，服从z 2 分布。 这里只是简单的介绍了雷达杂波幅度的概率密度分布，这仅仅是对杂波信号 在时域的一维表示，对于更多的杂波分布特性的描述，可参见相关参考文献。 2 3 本章小结 本章阐述了雷达的工作环境，指出了雷达系统的稳定性深受各种杂波的影响， 由此引出了几种典型分布的雷达杂波，并对其进行了简单的介绍，最后在各种杂 波和干扰的基础上以线性调频信号为例对雷达的发射信号和接收回波进行了一个 简单的概括。 第三章单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术 1 5 第三章单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术 3 1 概述 雷达要探测的目标通常是运动目标，而目标往往存在于一些背景中，如云雨、 地物、海浪以及敌方实施的金属丝干扰等，这些背景的回波通常称为杂波或无源 干扰。当运动目标与杂波同时存在时，对目标的检测就变得困难了。因此，要将 杂波和运动目标分开。而将杂波和运动目标分开的理论基础就是它们在运动速度 上的不同。运动速度的不同就会引起多普勒频率的不同。m t i ( m o v i n gt a r g e t i n d i c a t i o n ) 动目标显示和m t d ( m o v i n gt a r g e td e t e c a t i o n ) 动目标检测的原理就是利 用杂波和运动目标频域的差别来区分它们的【s 】【1 1 。 3 2 雷达回波频谱特性 在第二章中曾经指出：杂波区中运动目标的回波将同杂波一道进入接收机， 而且很多时候运动目标的回波电平往往比杂波电平低很多倍，运动目标回波被“淹 没”在杂波中，这时要想在时域中将它们区别开来已经不可能，因而人们转向频域 即利用它们频谱的差别来区别之。因此，研究运动目标和杂波的频谱特性对于学 习m t i 以及m t d 显得非常重要。 3 2 1 运动目标回波的频谱特性 当某一目标相对于雷达有一定的径向速度时，其中频雷达回波可表示为( 以 回波到达接收机作为时间起点) 【4 】： x ( t ) = a ( t ) l m ( t ) 木( 以f 一厅z ) ) c o s ( ( n o + g ) t + c p o ) ( 3 1 ) 上式中，q 为中频，q 为多普勒角频率，r 为脉冲重复周期。口( f ) 代表由天 线方向图调制决定的包络函数，其表达式一般可认为是2 刀仃e x p ( 一2 n 2 仃2 t 2 ) 。仃是 和天线波瓣宽度和扫描速度均有关的参数，仃减小，表示观察时间增加。口( f ) 及其 频谱a ( f ) 分别示于下图中的( a ) 、( b ) 。 ， 口o ) =瓜叮e x p ( 一2 。 2 t t 2 t 2 ) ，卜 j 彳( 厂) 0 | | 1 6 单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术及其d s p 实现 广吣 吖v -o l i 7 _ 一 j l 刹狲椭狲。 斫丌入兀介、 、七k 一2 r d 七氏l t 七扎强 fi， 队a 八史人臾人a 人a 人 、 八 一h) d 1 d ；i r t + 1 rl a 飞 ? 图3 1 运动目标的频谱 式中m ( t ) 代表发射调制脉冲，其时宽为f 。m ( t ) 及其频谱m ( f ) 分别如图3 1 ( c ) 、( d ) 所示。 图3 1 ( e ) 、( d 则分别代表理想冲激串8 ( t 一刀乃) 及其频谱軎万( 厂一斫) ( 这 第三章单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术 1 7 里，= 吉为重复频率) 。 图3 1 ( j ) 则分别是m ( f ) 宰( 6 ( t - n t , ) ) c o s ( ( q + q ) f + ) 的频谱，该频谱是 位于兀+ 以蜕离散谱线。 x ( t ) 的频谱则为图3 1 ( k ) 所示。相参处理的结果产生中频目标回波与相参信号 的差频，故其频谱是位于厶蜕处，并按彳( ) 展宽了频谱。 3 2 2 杂波的频谱特性 雷达工作时可能碰到的杂波包括地物、海浪、云雨及敌人施放的金属箔条等。 除了孤立的建筑物等可认为是固定点目标之外，大多数杂波均属于分布杂波且包 含内部运动。当天线不扫描时，固定杂波的功率谱是位于，矿( 刀= 0 ，l ，2 ，) 位 置上的离散谱线。当天线扫描时，由于回波脉冲数有限，将引起谱线的展宽。此 外，由于天线扫描引起双程天线方向图对回波信号调幅，也会导致功率谱展宽。 一般杂波谱可以用高斯函数表示为f 8 】： 一，2 zt g(f)=gop吁(3-2) f， 其中g o 是输入杂波波形的傅立叶变换的平方，仃，= 0 2 6 5 ，么，以为在单程天线方 向图3 d b 宽度内的脉冲数。设乃为天线照射目标的等效时间，则玎= 乙， 仃，= 0 6 2 ，即口，与目标照射时间成反比。 。 1 0 。 大多数分布杂波的回波性质比较复杂。在雷达的分辨单元内，雷达所接收到 的回波是大量独立单元反射的合成，它们之间具有相对运动，其合成回波具有随 机的性质。且由于杂波内部的运动，各反射单元所反射的多普勒频率值不同，这 也会引起回波谱的展宽。对于设计杂波抑制滤波器来说，我们感兴趣的是杂波的 频谱特性，暂不去讨论杂波幅度及其统计特性。当然，雷达设备的不稳定( 如振 荡器频率不稳定等) 也会使杂波功率谱展宽。 如果杂波还有平均径向速度，则其功率谱的位置将产生相应的多普勒频移。 3 3 单脉冲跟踪雷达杂波抑制技术 雷达的杂波抑制技术主要有动目标显示技术( m t i ) 和动目标检测技术( m t d ) 。 它们都是雷达的多脉冲积累基础上的信号处理方法。下面分别进行介绍。 1 8 单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术及其d s p 实现 3 3 1 动目标显示技术( m t l l m t i ( m o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ) 最l j 运动目标显示，其本质含义是：基于回波多普 勒信息的提取而区分运动目标与固定目标( 包括低速运动的杂波等) 【2 】1 3 1 。 a 、动目标显示技术( m t i ) 原理 雷达回波信号中一般都包含有目标、地杂波等。当固定目标、地杂波等与运 动目标处于同一距离单元时，前者的回波通常较强，以致于运动目标的回波被“淹 没”其中，故必须设法对二者进行区分。因固定目标回波中的多普勒频率为零，慢 速运动的杂波中所含的多普勒频移也集中在零频附近，它们的回波经过相位检波 后，输出信号的相位将不随时间变化或者随时间做缓慢的变化，反映在幅度上则 为其幅度不随时间变化或随时间缓慢变化。相反，运动目标回波经过相检输出后， 因其相位随时间变化较大，反映在幅度上也是其幅度随时间变化较快。因此，若 将同一距离单元在相邻重复周期内的相检输出做相减运算( 如图3 2 所示) ，则固 定目标回波将被完全对消，慢速运动杂波也将得到很大程度衰减，只有运动目标 回波得以保留。显然这样便可将固定目标、慢速杂波与运动目标区别开来。这就 是m t i 对消的基本原理。下面我们主要以加性相检模型为例进行一些必要的数学分 析【4 5 1 。 。 眦p 卅；唾r 图3 2 对消处理框图 图3 3 加性相检模型示意图 加性相检模型就是将回波与相参信号进行相加处理后经线性律检波器取出其 包络。如图3 3 所示。 记复相参信号为： 记复回波信号为： 利用我们熟知的向量法，有： s 。( f ) = 掰。吲+ 弛 s ，( f ) = 哆峋卜。+ 唧 ( 3 - 3 ) ( 3 哪 第三章单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术1 9 s 。( f ) = “。沙p 椭= s 。纱矿 ( 3 - 5 ) s 。( f ) = “。少p 7 弛= s 。p 附 ( 3 - 6 ) 上式中，s 。= “。e 7 = “。么，s ，= “，p 。峋+ 制= u c z w o t , + 分别为t ( f ) 和( f ) 的向量表示形式。 由于正弦量( 可带有实系数) 线性组合的向量等于各个正弦量的向量的同一 线性组合，故 墨o ) + s a t ) c ，s ，+ s ，= “。+ “，+ 2 u 。“，c o s w o t , z o( 3 7 ) 式中缈：辔一- 兰竺红坐竺坚垡塑! 。 u fc o s c p 0 + “rc o s ( 一w o t , + 甄， 设线性律包络检波器的传输系数为1 ，则检波输出为： ( ，) = + 砟+ 2 蚱c o s ，= 1 + 胧2 + 2 m c o s w o t ， ( 3 8 ) 式中m = 生，当“。珈，贝j jm 设置工程选项； 添加或编辑工程源文件； 生成调试( d e b u g ) 版本的工程文件； 调试工程代码； 生成正式( r e l e a s e ) 版本的工程代码。 第四章基于d s p 的单脉冲跟踪雷达杂波抑制设计与实现 船47 s u a l d s p + + 45 升发井回 v m m l d s p h 设计的一般流程大都包括图4 8 所示步骤h ”。软件设计的主要工作 集中在代码的编写、程序的调试以及优化三个阶段。图中的编译、链接由v i s u a l d s h 环境提供的工具自动完成：存储器配置文件需要根据具体的d s p 系统来编 写；库文件是可选的：调试阶段不仅仪对程序结果的正确性进行调试，还包括对 d s p 系统硬件接口、数据传输、中断控制以及时序控制等的调试；下载固化阶段也 与具体d s p 系统有关，不同的d s p 系统在引导方式上可能有较大差异。圈中所示步 骤是指在d s p 程序设计时的一般流程，当采用不同系列d s p 芯片时，各个步骤的具 体实现可能会有所差异，但一般都会包含这几个阶段。 图4 8 d s p 设计一般流程 4 2 单脉冲跟踪雷达的杂波抑制技术及其d s p 实现 4 3 3d s p 设计举例 首先，介绍一下d s p 实现信号处理功能的一般设计流程： 1 明确信号处理任务，详知具体的指标参数，比如整个信号处理过程的信噪 比改善因子、杂波抑制比等，具体一些比如数字下变频时低通滤波器的一些参数 怎么设置，动目标显示( m t l ) 的系数等等； 2 根据具体的设计要求，利用m a t l a b 仿真、搜索、验证算法，为避免后期过 多的修正，对算法要反复比较，做到尽可能细致的模拟验证。算法性能要求就是 性能好、可实现性强，即运算量不大，同时要考虑到硬件选型； 3 在清晰把握算法，清楚信号处理流程及功能后就可以在d s p 软仿真环境下 进行程序编写了。编写程序时首先面临的问题就是如何安排资源，尤其是在多片 d s p 级联的情况下，资源的合理分配，既能使整个设计事半功倍，又避免了资源 分配不合理时的程序编写的修改。以t s l 0 1 为例，在用多片t s l 0 1 条件下，首先 对各片实现什么功能进行细化，空间以及处理时间等，都要有一定的余量；其次， 在各单片内部，可以通过空间的来回覆盖来节省资源，这样可以达到资源利用率 与程序设计的最佳比。在编写软件程序时，还要清除了解信号处理的流程及功能， 这对程序的模块化设计至关重要。模块化的程序设计不仅使设计思路更加清晰， 也有利于调试时遇到问题可以及时的定位并加以解决； 4 在软件编写完成之后，就可以进行软硬件联调，尤其对数据传输的稳定性 与信号处理的实时性进行调试。合理稳定的时钟是数据传输稳定的关键，对于链 路口传输，要求两端时钟设置要一致。信号处理的实时性要求比较严格，必须在 其要求时间内完成处理任务，如果不能满足，首先对程序设计模块进行优化，尽 可能使模块程序最精炼； 5 在软硬件联调完毕之后，就可以进行系统的联合调试了，验证信号处理指 标和实时性等等。 第三章介绍的算法，即为雷达信号处理机需要进行处理的信号处理算法之一。 通过仿真确定好合适的算法后，就可以在d s p 开发环境中进行程序设计。通常开 发语言采用c 语言或汇编语言。c 语言属于高级语言，虽然其执行效率较低( 只 有汇编语言的1 0 - - - - 2 0 ) ，但由于其易编易懂，且可移植性和可维护性都很好， 所以在很多场合得到了广泛的应用。 以上文中所述的动目标检测( m t d ) 为例，简要介绍