（生物医学工程专业论文）雷达空时二维地杂波建模及其抑制算法的软件实现.pdf

垒旦墨墅坠堡 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ - i _ 。1 _ - _ _ - _ _ - - - _ _ _ _ l _ _ _ _ _ _ 。1 一 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，r a d a rh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em i l i t a r y , m e t e o r o l o g y , a g r i c u l t u r ea n dz o o l o g ye t c s i n c et h er a d a ri si nac o m p l e xb a c k g r o u n de n v i r o n m e n t a n dw i l lb ei n v o l v e di nv a r i e t i e sc l u t t e r sa n di n t e r f e r e n c e s ，c l u t t e rs u p p r e s s i o nh a s b e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n ti nt h ef i e l do fr a d a rs oa st oi m p r o v et h er a d a r t a r g e t d e t e c t i o np r o b a b i l i t yf r o mt h en o i s eb a c k g r o u n d s t u d y i n g t h ec l u t t e r s u p p r e s s i o nn e e d sa r e a l i s t i cr a d a rc l u t t e re n v i r o n m e n t , a n dm a n yt h e o r i e sa n dm e t h o d s h a v eb e e na d v a n c e dt os i m u l a t ea n ds u p p r e s st h er a d a rc l u t t e r s s p a c e - t i m ea d a p t i v e s i g n a lp r o c e s s i n g ( s t a p ) t e c h n o l o g yi so n e o fu s e f u lt o o lf o rc l u t t e rs u p p r e s s i o na n di t c a l la c h i e v eag o o dd e t e c t i o np r o b a b i l i t yi na i r b o r n er a d a r g e n e r a l i z e dm a x i m u m l i k d i h o o dr a t i od e t e c t i o na l g o r i t h m ( g l r ) i sat y p i c a lm e t h o do fs p a c e - t i m ea d a p t i v e s i g n a lp r o c e s s i n g b a s e do na i r b o r n er a d a rc l u t t e r sa n dt h ec l u t t e rs u p p r e s s i o n , o u r w o r kc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 )w ef u l l ya n a l y z e dt h ec l u t t e r sa n di n t e r f e r e n c e sw h i c ht h er a d a ri sf a c e d ， a n dd i s c u s s e dm e i rc h a r a c t e r i s t i c s ，e s p e c i a l l ya n a l y z e dt h ef o u ru n i v e r s a lc l u t t e r m o d e l s ( 2 )w es u m m a r i z e dt h em a i nm e t h o d so fa i r b o m er a d a rc l u t t e rs u p p r e s s i o n a n da n a l y z e dt 量l e i rp e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c s ( 3 ) i no r d e rt os i m u l a t et h er e a l i s t i cr a d a rc l u t t e r , w eu s e dz e r om e m o r y n o n - l i n e a rm e t h o dt os i m u l a t er a y l e i g h ，l o g - n o r m a l ，ka n dw e i b u l lc l u t t e r s ，a n d b r o u g h tu pam e t h o dw h i c he x t e n d st h eo n e d i m e n s i o n a ls e q u e n c et ot w o - d i m e n s i o n a l s e q u e n c e o u rr e s u l t ss h o wt h a tt h es i m u l a t i o np e a kb yt w o - d i m e n s i o n a lm e t h o dc a l l m o v ea c c u r a t e l yf o l l o w i n gt h ed o p p l e rf r e q u e n c y ( 4 ) w es t u d i e dt h er e a l i z a t i o no ft h eg e n e r a l i z e dm a x i m u ml i k e l i h o o dr a t i o d e t e c t i o na l g o r i t h m ( g l r ) ，u s i n gt h eg r o u n dc l u t t e rg e n e r a t e db yf r e q u e n c ye x t e n d i n g ， i no u rs o f t w a r es i m u l a t i o nw ev e r i f i e dt h es p a c e t i m ea d a p t i v es i g n a lp r o c e s s i n gi sa g o o dm e t h o di nt h ec l u t t e rs u p p r e s s i o n t h ec l u t t e rg e n e r a t e db yf r e q u e n c ye x t e n d i n g h a sac e r t a i np r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：a i r b o m er a d a r , g r o u n dc l u t t e r , c l u t t e rs u p p r e s s i o n ，g e n e r a l i z e d m a x i m u ml i k e l i h o o dr a t i od e t e c t i o na l g o r i t h m i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 日期：年月日 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 雷达的概念形成于2 0 世纪初期，是英文中r a d a r 的音译，是r a d i od e t e c t i o n a n dr a n g i n g 的缩写，意为无线电检测和测距，是利用微波波段电磁波来探测目 标的电子设备。各种雷达的具体用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包 括五个基本的组成部分：发射机、发射天线、接收机、接收天线和显示器。还有 辅助设备如：电源设备、数据录取设备、抗干扰设备。雷达原理是发射机通过天 线把电磁波能量射向空间某一方向，处于此方向上的物体会反射碰到的电磁波； 雷达天线接收此反射波，送至接收设备对信号进行处理，提取目标的感兴趣的信 息( 目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等) 。雷达的优 点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不会受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、 全天时的特点，并且有一定的穿透能力。所以，雷达不仅成为军事上必不可少的 电子装备，而且广泛的应用于社会经济发展( 如气象预报【l 】、资源探测、环境监测 1 2 ) ，农业【3 】等) 和科学研究( 天体研究、大气物理、电离层结构研究等) 。雷达在洪 水监测【4 】、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等各方面都显示 了很好的潜力。 相对地基雷达而言，空中的机载雷达有明显的优势。由于机载雷达的平台位 置很高，其扫描搜索范围比地基雷达要大很多，遇到的阻碍也相对少，并且机载 雷达的平台的机动性也很好。正是由于这些地基雷达无法比较的优点，使得现在 机载雷达的研究越来越多，受到更多的关注。其空时二维地杂波的建模也是研究 机载雷达的一个重要课题。但是，随着机载雷达的优点而来的一些问题也比较严 重，其中一个就是杂波的影响。与地基雷达杂波相比，机载雷达杂波有如下特点： 1 ) 由于机载雷达的下视工作方式，观测的区域很大，所以其杂波的区域也很 大，而且杂波的强度非常强，要大于接收到得信号强度。 2 ) 由于载机的移动会产生多普勒效应，主杂波的中心频率会产生多普勒频 移，主、副瓣杂波的频谱也会展宽，常常导致目标回波淹没在杂波中，难以检测 出所需要发现的目标。 电子科技大学硕士学位论文 3 1 由于载机运动使得杂波背景随时变化，其杂波是非平稳的。 4 ) 雷达扫描工作时地杂波的频谱会发生变化，杂波多普勒频率与载机速度和 天线扫描方向具有对应关系也比较复杂。 5 ) 由于下视工作区域所处的环境非常复杂，使得其杂波也是复杂多变的。没 有无杂波区域。 从以上特性可以看出，由于机载雷达所处的工作环境和多普勒频移，使得其 杂波特性非常复杂，所以杂波抑制是必须解决的问题。 1 2 国内外研究现状及主要方法 1 2 1 雷达地杂波的建模方法 机载雷达发射机通过天线发射出去的电磁波信号遇到地面物体反射会来的电 磁波进入接收机，即是地杂波信号。由于多普勒效应，载机和地面的相对径向速 度会使得接收到得回波发生多普勒频移。地杂波谱就是由机载雷达波束照射范围 内的各个散射物体回波的加权。一般的雷达回波经过滤波后的频谱如图卜1 所示， 它包含回波信号，高度线杂波，主杂波和旁瓣杂波谱。 | 制刈 r 0 图1 1 雷达下视回波通过单边带滤波后的频谱 f 杂波源本身的运动，载机的运动和观测时间的影响是影响杂波谱的三个最主 要的因素。由上图可以看出杂波单元回波形状近似是高斯型 2 第一章绪论 雷达信号由回波信号，杂波和噪声三部分组成，回波信号是我们想要得到的 信号，杂波是由地，海，空中的散射体反射回去的电磁波或者人为的干扰波束形 成。噪声则是由天线干扰或雷达设备本身等原因形成。由于雷达接收机接收到的 信号都含有杂波，并且其强度一般还远大于回波信号强度，频谱也在目标附近， 还要受到自身机器噪声的影响，所以雷达信号处理中对杂波的处理是非常复杂的。 要想得到很好的信号检测效果，必须要对杂波的性质有很好的了解，并对其实行 杂波抑制。我们先讨论对杂波的建模。 现有的杂波模型有机理模型、关系模型和分布模型三类。机理模型描述杂波 散射单元的机理，关系模型描述实验数据拟和与频率、极化、俯角、环境等参数 的依赖关系，分布模型描述杂波后向散射系统的概率密度。 国内外建立的机载雷达的地杂波仿真模型很多，总结起来有两类：一是杂波 的功率模型，二是相干视频杂波信号模型。前者是以雷达距离方程为基础，通过 信杂比和杂波的统计特性得出检测概率、虚警概率，主要应用于系统大规模仿真 和某些实时仿真。后者要用到杂波的相位，包含了雷达环境的相关信息，虽比前 一种模型复杂，但是是信号级仿真所必须做的。 1 2 1 1 单通道杂波 由于单通道杂波的起伏特性，对杂波相消处理器的s n 有非常大的影响，直 接影响到其m t i 滤波器的设计方法。所以单通道杂波一般都用分布模型来模拟。 单通道杂波的统计模型仿真目前主要有无记忆非线性变换法、球不变随机过程法 和随机微分方程法。 无记忆非线性变换法即是z m n l 法，它是三种方法中缀容易实现的，在相关高 斯序列产生后速度也是最快的，它多用于雷达中最常见的瑞利分布、对数正态分 布、k 一分布和韦布尔分布的仿真，已经有了很广泛的实际应用。 球不变随机过程法即是s i r p 法，这种方法受到自相关函数和仿真序列的阶数 的制约比较大，当所需仿真的序列很长的时候，要用的时间很多，很难实现实时 处理，主要还停留在理论上的研究。 随机微分方程法即是s d e 法，主要用在通信系统的干扰仿真，可以用相关时 间来控制序列的相关性。这种方法虽然能产生比较快的速度，但是对概率密度函 数有限制，并不是每种概率密度函数都适合。 上面的三种方法在速度和准确性上都各有其特点，但是都还存在一定得改进 的要求以满足各种不同需要的雷达杂波仿真。 电子科技大学硕士学位论文 通常用到的分布模型有以下几种： 1 ) r a y l e i g h 分布，当杂波单元内部还有的散射源都是相互独立的，各自不 存在联系的时候，雷达杂波此时服从r a y l e i g h 分布。适合描述气象杂波，低分辨 率雷达地杂波和箔条干扰杂波。 2 ) l o g - n o r m a l 分布，适合描述表面平坦地区高分辨率的海杂波和入射角低， 地形比较复杂的地杂波。 3 ) w e i b u l l 分布，w e i b u l l 分布能够比较精确地描述高分辨率低入射角海面比 较平坦的海杂波和地杂波。动态范围介于瑞利分布和对数正态分布之间，能比较 精确地描述大范围场面的杂波。 4 ) k - 分布，是一种复合分布模型，适合描述海杂波、地杂波，多用于描述 分辨率高的非均匀杂波。 在某些特定的场合下( 如动目标显示) 只有雷达杂波的概率密度函数是不够 的，还需要知道雷达的功率谱密度。常见用于雷达杂波仿真的功率谱密度有高斯 型、指数型和立方型三种，其归一化的功率谱密度如下： 高斯型地杂波： 沏= 南卅警， m 。 其中，z 为杂波的中。i b 频率，吒为杂波的均方谱宽。 指数型地杂波： s u ) = s ( o ) e x p ( - f f , ) ( 卜2 ) 其中，z 为归一化等效频率。 立方型地杂波： s ( 门= s ( o ) 1 + l f ，1 3 】 ( 1 3 ) 其中，s ( o ) 为零频处的功率谱强度，z 为归一化特征频率。 对于气象杂波和箔条干扰产生的杂波，我们可以用幅度为瑞利分布，功率谱 密度为高斯型的模型来模拟，而对于地杂波则可以用幅度为r a y l e i g h 分布、 l o g n o r m a l 分布、w e i b u l l 分布，功率谱密度为高斯型、立方型、指数型的模型 来模拟。 4 第一章绪论 1 2 1 2 多通道地杂波 描述机载相控阵雷达的经典杂波模型是i 5 够，z z 一奶2 ，+ 馘2 】。为宽带噪声调制干 扰，干扰功率密度较低，可干扰频率分集雷达、捷变频雷达。优点是引导设备简 单、干扰快；缺点是要求干扰机的功率非常大。 干扰机可以依据具体雷达的载频调制情况对以上三种基本形式进行组合，如 分段阻塞式干扰，多频率点瞄准式干扰，扫频锁定式干扰等。 噪声干扰信号的选取必须满足易得到干扰频谱足够宽、足够大的功率和难以 抗干扰的时间特性三个条件。 通常都选择具有f 念分布的噪声作为噪声干扰信号，因为：( 1 ) 正念分钿的 噪声容易获得，( 2 ) 雷达接收机内部噪声也是服从正态分布的，( 3 ) j 下态分布的 噪声具有最大的遮盖性熵。 有源遮盖式干扰的基本组成框图如下图所示： 2 1 1 噪声调幅干扰 图2 1 遮盖式干扰系统的基本组成 噪声调幅振荡如。f 式： u = “，( t ) c o s ( w o t + o o ) = 虬 1 + n ( t ) c o s ( w o t + o o ) ( 2 - 1 ) n ( t ) 可用多个正弦振荡之和来表示，这样上式可以写成： u = 1 + m 女e o s ( f 2 t + ) 】c o s ( f + ) ( 2 2 ) 七= i 其中m 。为部分调制指数，q 。为调制噪声的角频率。为了简化我们假定n ( t ) 第二章雷达面临的干扰与杂波分析 为角频率q ，的简单正弦振荡，则 u = 玑【1 + m lc o s ( q + 1 ) c o s ( w o t + 仍o ) ( 2 3 ) 用三角函数将2 3 式改写如下： ：u 竺刍+ q i ) f + + 西i 】+ 竺争一q1)f+coou u , c o s ( w o t + q o ) + j r l lc o s ( w oc o s ( w o 一l 】) =_+ q i ) f + + 西i 】+ 等 一q 1 ) f +一l 】) ( 2 - 4 ) 这样，简单的调幅振荡可以用三个正弦振荡之和表示。三个振荡对应的幅度 分别为m 。址2 ，址和m i 虬2 ，角频率分别为一q 。，和嘞+ q 。，相差q 。 其谱线如图2 - 2 图2 - 2 调幅振荡的频谱( 频差为q i ) 雷达接收机用幅度检波时，检波器的输出正比于噪声调制信号的包络。所以 旁频成分起遮盖作用。当调制噪声的概率密度函数是正态分布函数时，噪声的均 方根值只有噪声最大值的1 3 - 1 5 ，当百分之百调幅的时候，真正起作用的边带 功率仅是载波功率的1 9 以下。 提高边带功率方法有两种：增加载波功率尼和加大有效调制系数m 爿。( 先对 视频噪声放大后限幅，再调制载波。m a 。是最大噪声值与载波幅度的比值) 。增加 载波功率效率低下，而且载波功率会受到振荡管功率限制。加大有效调制系数会 使得噪声质量变坏，在噪声限幅电平处会出现平顶，当信号在平顶上时容易被发 现，也就是“天花板 效应，即是由于限幅使噪声出现平顶的现象。这样会导致 噪声起伏性能的频率误差对干扰效果产生非常明显的影响。 窄带瞄准式干扰通常使用噪声调幅干扰。由于在高频段的调幅由衰减器来实 现，衰减器的频响能力直接限制了调制噪声的谱宽，从而使干扰谱宽很窄。调制 电子科技大学硕士学位论文 噪声带宽是噪声调幅的干扰带宽二分之一，如果要增大干扰的带宽，就要增大调 制噪声的带宽，胆识增大调制噪声带宽是非常难的。在实施宽带瞄准式干扰或阻 塞式干扰的情况下，噪声调幅干扰是很难的。 载波不仅影响干扰信号的监测，同时也会影响干扰功率的利用率。当载波频 率接近雷达的信号频率时，因两者的差拍，会引起回波信号的严重失真和上下跳 动。 设干扰信号是吩( f ) = c o s ( c o s t + 口5 l s ) ，回波信号是咋( 力= 阢c 0 s ( q h 唬) ，则 合成信号是u ( t ) = “，( f ) + 甜，( f ) = u ( t ) e o s t + 矽( f ) 】，其包络即是 u ( f ) = 叼+ 嘭+ 2 虬c o s ( a c o t + a o ) ( 2 5 ) 其中国= 哆一致，矽= 矽，一览。当u ， 以时，上式可用如下幂级数近似 如下： ，- 2r ， ) 2 ”荔+ 谤鲻( 幽件醐】 q 石) 式( 2 6 ) 表明，合成信号幅度受到余弦函数调制，其频率等于二信号的差频， 在幅度偏转显示器上表现是信号在基线上下跳动，当信号脉冲宽度与差频周期可 以比拟时，波形还会失真，使信号积累效果变坏。 强载波压制弱信号是载波对信号的另一个影响，其原理与强噪声压制弱信号 一样，这是由于连续的载波在检波器输出负载上产生很大的偏压，使得作用于检 波二极管两端( 信号+ 载波) 电压降低。换言之，信号检波发生在检波二极管特 性的平方律部分。由式( 2 6 ) 可以看见，式中的第一项是载波的幅度，第二项是 信号引起的直流分量的增量；无载波时，第二项应为，而在强杂波时，直流分 量的增量仅为啦( 2 v ，) 。 载波的压制效果可用检波器输出对输入的信号干扰功率比表示，由式( 2 6 ) 得到检波器输出的信号干扰功率比为： r 呈1 ： l 弓上= 捌2 沼7 ， 它等于输入信号干扰功率比的平方除以4 ，当u ； u ：时，信号一千扰功 1 6 第二章雷达面临的干扰与杂波分析 率比的损失是相当大的。 限幅会降低遮盖性能，如果干扰带宽大于接收机带宽，对限幅的影响会有所 改善。因此，采用损失系数凡度量限幅噪声干扰的功率损失，定义为同样干扰效 果条件下，中放输出的限幅噪声调幅旁频功率与射频噪声功率之比，即是 fc=lolg曼羔雩拿零妻蕃拿茗荤喜要学；至毳；：器l相同的干扰效果 ( 2 - 8 ) 限幅系数越小，则遮盖性能越好。 限幅调频干扰有如下结论： 1 ) 与最佳干扰信号相比较，噪声调幅干扰的中放输出特性通常不服从高斯分 布，从其遮盖性能来说，效果不如射频噪声，尤其是限幅会产生严重的“天花板 效应，使其遮盖性能降低。 2 ) 噪声调幅干扰中载波的影响，较大的改善了干扰效果。 3 ) 采用合适的干扰系数，可以使得噪声调幅干扰与最佳干扰的差别减少。 2 1 2 噪声调频干扰 常见的扩频雷达有频率分集雷达，频率捷变雷达和脉冲压缩雷达三种，随着 它们的出现，以及要满足一部雷达同时干扰多部频率相近雷达的需求和一些硬件 设备如电压调谐磁控管、反波管、宽带行波管和电调谐固态微波信号源的出现， 提出了设计宽带干扰机的要求。 噪声调频是产生宽频带干扰的主要方法。最常见的噪声调频干扰信号是射频 振荡的频率与调制噪声电压孝( f ) 呈线性关系，噪声调频干扰电压表示如下： t - u j ( f ) = e c o s w o t + j 0 孝( f ) 4 】 ( 2 _ 9 ) o 其瞬时频率为： w ( t ) = w 0 + 尼，f ( f ) ( 2 - 1 0 ) 式中，后，为调频指数；e 为电压振幅，为一个常数( 忽略寄生调幅) ；孝( f ) 是 噪声。 设调制噪声电压孝( f ) 服从均值为0 ，方差为o - , 2 的高斯分布，在频带q 。内为 均匀频谱，其幅度概率分布可表示如下： 1 7 电子科技大学硕士学位论文 瞅肛丽1e x p ( _ 器】 ( 2 有效频谱指数决定了噪声调频干扰的频谱：m 抟= z 色。式中，z 为调制噪 声的谱宽，最为均方根值频偏，并且如下关系： f ：兰：盟 ( 2 1 2 ) 当m 凡 o 7 时，噪声干扰频谱的幅度正比于调制噪声的幅度。当干扰频谱为 高斯噪声调频时，干扰谱为： 哪= 瓦1e x p 卜筹】( 2 - 1 3 ) 噪声调频干扰的功率谱函数可表示如下： 删= 譬南唧卜等，( 2 - 1 4 ) 噪声调频干扰的频带宽b 删可用半功率电平对应的两个频率之差来表示，可 表达如下： e x p 一警】= 1 2 ( 2 - 1 5 ) 所以，曰删= 2 2 l i l 2 z 2 3 5 f 。 从以上可知，噪声调制信号的功率和载波功率e 2 2 相同，即调制噪声功率不 会改变已调波功率。调制噪声带宽噪声调频干扰带宽也是无关的，调制指数t 和 调制噪声功率决定了噪声调频干扰带宽。功率大则频带宽。 瞄准式干扰和宽带阻塞式干扰一般都使用噪声调频干扰。其优点是幅度固定， 加大功率放大器的效率，容易产生大功率干扰。 2 1 3 噪声调相干扰 噪声调相信号可以表示如下： “肼( f ) = u c o s w o t + k p 珂( f ) 】 ( 2 - 1 6 ) 第二章雷达面临的干扰与杂波分析 式( 2 1 7 ) 中乞是调相率( 。矿) 。其频谱与噪声调频非常相似。 噪声调相干扰的频谱可表示如下： q ( 力= 了u 2 口_ d 2 叮。厂一工) + 譬南唧 一鼍器) q j 7 ， 式中，盯和d 分别表示噪声均方根值和有效相移，其中d = 乞仃。 当有效相移远大于1 时，干扰带宽可表示如下： = 2 厮孕一d b ( 2 - 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 中，e 表示调制噪声的谱宽。当给定调相器和调制噪声的谱宽时， 改变调制电压的均方根值可以很快地改变谱宽。当有效相移d 远小于1 时，噪声 调相干扰的频谱可表示为： g j ( f ) = 了u 2 旷d 2 彤一厶) + 爱d 2 一f o e ( 2 - 1 ” 其中干扰谱宽：哆= 2 e 。 由于调制器频率低噪声调相干扰仅适合于窄带干扰。 2 1 4 直接放大噪声干扰 从干扰的效果来说，受害雷达接收机的内部噪声是最好的噪声。这种噪声干 扰信号可由微波噪声产生器产生并进行充分放大来得到。其概率分布服从正态分 布，经检波后输出的噪声概率分布为瑞利分布： ( “) _ - 仃- - e x p 一石u 2 2 0 )仃 。 ( 2 2 0 ) 式中，仃2 为噪声功率，u 为噪声电压。其干扰谱宽由滤波放大器的带宽来决 定。射频噪声具有最佳干扰信号的概率分布和良好的遮盖性能，常作为干扰信号 质量比较和干扰效果计算的基础。由于改变带宽的复杂性，直接放大噪声常用于 宽带干扰，且带宽稳定。 1 9 电子科技大学硕士学位论文 2 2 欺骗式雷达干扰 欺骗式干扰是有源干扰的一种重要干扰方式，其原理是雷达发射机发射假的 目标信息使得敌对雷达错误的检测目标信息或者检测不到目标信息，降低其雷达 的发现概率。从而达到干扰敌对雷达的正常工作的目的。 按照对敌对雷达的干扰参数的选择，可以分为距离欺骗干扰、速度欺骗干扰、 角度欺骗干扰及多参数干扰。下面我们分别说明各种干扰方式的特性和优缺点。 2 2 1 距离欺骗干扰 通常的雷达测距方法有脉冲测距法与连续波跳频测距法两种，对距离跟踪系 统进行干扰可以使得被干扰雷达的测距不准或无法测距，降低其工作能力。 一般用距离波门拖引来进行距离欺骗干扰。其干扰过程一般分为三个阶段， 具体步骤如下： 1 ) 停拖期：停拖期的任务是使得目标回波信号和干扰信号同时作用在距离波 门上。方法是当干扰机收到雷达发射脉冲后，立即发射一个幅度是回波信号幅度 1 3 - 1 5 倍的干扰脉冲，一般延迟1 5 0 n s ，获得距离波门后再保持一段时间，即为 停拖。 2 ) 拖引期：拖引期的任务是使得距离波门随着干扰脉冲的移动而离开回波脉 冲，直到距离波门完全偏离目标回波。方法是当跟踪到干扰脉冲后，干扰机每收 到一个雷达脉冲即加大转发脉冲的延时，直到距离波门偏离目标回波若干个波门 宽度。 3 ) 干扰关闭：干扰关闭阶段是在距离波门被干扰机发射干扰脉冲脱离预期的 距离后，于扰机停止发射干扰脉冲。此刻距离波门进入搜索状态。待一段时间后 距离波门又重复执行上面的三个步骤。 角度欺骗干扰和距离波门拖引综合使用可以很大地加大角度欺骗干扰的效 果，是多参数干扰的种，也称为角度距离干扰：先将距离波门从目标回波拖离到 最大值后，立即采用角度欺骗于扰。此刻，距离波门没有信号，干扰与信号之比 为无穷大，信杂比最小，被干扰雷达的此时的检测效果最低，此时的干扰效果最 佳。根据目标回波模型，可知雷达接收机的目标回波信号： s ( t ) ：以c o s ( + ) ( f 一型) 】 ( 2 2 1 ) 第二章雷达面临的干扰与杂波分析 距离干扰时的干扰信号： j ( t ) ：qc o s ( w o + w a ) ( f - 2 r ( t ) 一钙) ( 2 2 2 ) 式中乩表示干扰信号幅度，以表示回波信号幅度，且以 o 表示距离前拖，k o 表示距离后拖。 2 2 2 速度欺骗干扰系统 雷达中的多普勒频移为 五：孚：堡z ( 2 2 7 ) c 式( 2 2 7 ) 中u 表示目标相对雷达的径向速度。 由以和多普勒频移五可以就得到目标的速度。常用的速度干扰是速度门拖引 干扰，原理是在频率上阻碍被干扰雷达获得正确的多普勒频移。 速度门拖引和距离门拖引原理相同，也包括捕获速度波门、拖引、关机三个 步骤。这里不再多述。 干扰信号多普勒频率厶可表示如下： i 厶0 ，( 停拖期) 厶o ) = 厶+ v s ( t t 1 ) f t 2 ( 拖o i 期) ( 2 2 8 ) 【十扰关闭乞f ( 关闭期) 吁的正负取决于速度门的拖引方向。 组成下图所示： 接收天线 对连续波的速度波门拖引干扰的干扰机 发射天线 圈2 4 速度波fj 拖引干扰的干扰组成 对连续波的干扰时序如图2 - 5 所示： 第二章雷达面临的干扰与杂波分析 信号谱t li 一干扰谱上停拖 - 干扰谱it 翌i 、 图2 - 5 速度波门拖引干扰拖引时序 2 2 3 距离速度波同步引干扰系统 对能同时进行距离速度检测、跟踪能力的雷达进行干扰，就需要用距离速度 波同步引干扰系统。这种系统可以同时进行对距离波门和速度波门的拖引，实施 双重信息干扰。在匀速拖距的距离时延和多普勒频移表示如下： a t j ( t ) = o 竽( ) f d j ( t ) ： c 干扰关闭 o 2 v 兄 干扰关闭 0 t 毛( 停拖期) t i t 乞( 拖弓i 期) ( 2 - 2 9 ) 乞s f ( 关闭期) 在加速拖距的距离时延和多普勒频移表示如下： a f , ( f ) =，：f 掣 堡( ) ：五( f ) ： _ 继掣 c 。 i 干扰关闭i 干扰关f , r l 距离和速度同步拖引干扰产生器框图如下： 0 t ( 停拖期) s t f 2 ( 拖引期) ( 2 3 0 ) 乞f ( 关闭期) 发射天线 图2 6 距离、速度同步欺骗干扰产生器 电子科技大学硕十学位论文 2 2 4 角度欺骗干扰系统 通常的角度跟踪方法有线性扫描角度跟踪、圆锥扫描角度跟踪和单脉冲角度 跟踪三种。对于不同的角度跟踪方式有不同的角度欺骗方法。 线性扫描角度跟踪系统的干扰：对线性扫描角度跟踪系统干扰一般用角度波 门挖空干扰。其干扰机基本组成框图如图2 7 所示： 接收天线 发射天线 图2 7 角度波门挖空干扰机框图 圆锥扫描角度跟踪系统的干扰：对圆锥扫描角度跟踪系统的干扰一般用倒相 干扰和倒相方波干扰。其干扰机组成框图如图2 8 所示： 接收天线 发射天线 2 3 雷达杂波分析 图2 8 倒相方波干扰机的组成和工作原理 雷达杂波是雷达接收信号中的干扰信号，是指发射雷达时非目标物体引起的 雷达散射回波。雷达杂波主要来源于非目标物体如地面覆盖物、空中的云雨、海 面、迁移的鸟群等背景形成的反射波或散射波。从特性上看，首先，雷达杂波信 号的幅度和相位都是随机的；其次，雷达杂波强度远远超过雷达内部的噪声及雷 第二章雷达面临的干扰与杂波分析 达本身的目标信号；再者，雷达杂波的波谱通常接近于目标雷达的波谱。由于这 些特性，雷达杂波的存在不仅仅对目标雷达产生了干扰，严重时甚至会导致雷达 系统的工作异常，因此，对雷达杂波进行处理，以去除杂波提取雷达的目标回波 是当今处理雷达信号的基本任务之一。而受雷达杂波特性及雷达设备参数的影响， 大大增加了处理雷达杂波的难度。目前，已有很多关于雷达杂波去除的研究，包 括理论探索、实验测定等，用于准确地反映各类杂波的分布。通常以信杂比来反 应雷达的性能指标。 2 3 1 影响雷达杂波的因素 一般将雷达杂波分为面杂波，体杂波，气象杂波等。面杂波按照杂波在散射 的几何形态、介质类型及其运动变化等生成机制方面的差异，又可分为地杂波和 海杂波。 雷达的电磁波透入到地物和植被的表层，物理在被照射时都存在散射现象， 这些地物和植被的表面散射和次表层再反射最终合成了地杂波。植被相对稀疏时， 次表层的反射回波可以忽略。对于地杂波来说，影响因素有系统参数和地物参数。 系统参数主要指波长、照射俯仰角、方位角、极化方式以及照射面积等。而地物 参数，包含地面粗糙度、复介电常数以及次表层或幅度衰减可忽略的深度覆盖面 的不均匀性。 与地杂波相比，海杂波有它自己的特殊性。海杂波不仅受不同海水引起的不 同的散射系数的影响，又因为海浪的运动表现出多谱勒展宽，同时成片海杂波散 射单元之间的相关性也比地杂波强。 2 3 2 雷达杂波模型分析 通常的杂波模型有机理模型、关系模型和分布模型三种。机理模型描述杂波 散射单元的机理，关系模型描述实验数据拟和与频率，极化，俯角，环境等参数 的依赖关系，分布模型描述杂波后向散射系统的概率密度，是一种使用比较广泛 的杂波模型。 杂波机理模型的研究是属于杂波的雷达截面理论分析范畴。杂波雷达截面的 理论分析是依据各种电磁散射理论来研究雷达杂波产生的理论机制的，结合数学 处理算法和计算机技术，最后估算出各种情况下杂波单元的散射截面特征。应用 电子科技大学硕士学位论文 这个模型来分析截面特征时，必须要将散射过程的讨论和特定的截面结构单元相 结合。杂波机理模型已经成功的应用于对地杂波和海杂波，这类模型可以对特定 的信号形式提供一些参考，并不能适合所有的特征的信号，缺乏通用性。 杂波的分布模型有着广泛的应用。雷达杂波是来由雷达分辨单元内的许多散 射体的回波矢量组合而成。因为雷达分辨单元内散射体的几何特性和介电常数等 参数都是随机变量，与此同时，雷达或散射体在其各自的运动过程中引起的回波 振幅和相位的随机变化，最终也导致杂波的后向散射系数具有随机特性。由此提 出了将杂波的后向散射系数通过雷达接收机的包络检波器后的幅度概率密度函数 来确定后向散射系数的随机特性。常用的概率密度函数有对数正念分布、韦伯分 布、瑞利分布和k 分布等。四种常见的杂波特性在本文1 2 1 1 中有详细的分析。 本文的第三章将详细的讨论对数正态分布、韦伯分布、瑞利分布和k 分布杂 波的建模和仿真。 第三章非均匀多通道雷达杂波的建模和仿真 第三章非均匀多通道雷达杂波的建模和仿真 目前关于一维杂波概率密度函数的分布模型有大量的研究，文献 1 8 2 0 】通过 零记忆非线性变换法，利用统计模型产生一维杂波，结果表明杂波功率谱和理论 的概率密度函数能够保持较强相关性，取得了比较理想的效果。然而，相控阵雷 达中的空时二维杂波是多通道的，本文加入多普勒偏移和空间频率频偏的影响， 把一维杂波扩展到二维，对非均匀多通道杂波进行了仿真分析。 1 )对于非均匀杂波，目前主要有三种主要的仿真方式【2 l 】： 2 ) 描述杂波散射单元机理的机理模型田彩】； 3 )描述杂波后向散射系数的概率密度的分布模型 2 4 - 2 5 l ； 描述由实验数据拟合后向散射系数和频率、极化、俯角和环境参数等物理量 的依赖关系的关系模型。 本仿真采用上述第二种分布模型，并用经典的零记忆非线性变换法( z e r o m e m o r yn o n l i n e a r i t y ，z m n l ) 对非均匀杂波进行建模。 3 1 非均匀多通道仿真模型设计 由于相控阵雷达一般是多通道，本文先用z m n l 系统框图( 图3 1 ) 产生所需要 的一维非均匀序列，再对其进行二维扩展。 v 线性滤波器 w 非线性滤波器 7 l l 鼠( 彩) = i h ( c o ) 乱( 动= 1 日( 妫j 2 7 g ( 木) ( 彩) 7 不相关高斯序列相关高斯序列z m n l 图3 - 1 零记忆非线性变换法( z m n l ) 原理图 z m n l 法的基本思想是：先产生相关高斯随机过程，然后经过某种非线性变换 得到幅度服从一定分布的相关随机序。该方法理论推导简单、运算量小，工程实用 性强。 z m n l 法中的关键问题是如何根据杂波功率谱特性设计成形滤波器。有三 2 7 电子科技大学硕士学位论文 种常用的算法：a r 模型法、最小相位法和频率采样法【嘲。本文采用频率采样法， 因为它在三种方法中有最好的相关性。仿真中采用的雷达杂波功率谱为高斯谱， 对幅度服从不同分布的杂波进行仿真产生。 使用z m n l 方法产生的非均匀序列是一维序列，是最源头的数据序列，没有 考虑多普勒偏移和空间频率频偏的影响。实际上杂波在传播过程中是会受到这两 个因素的影响，需要对其进行二维扩展。扩展包括两个方面： 假设有n s 个雷达天线阵元，接收n t 个相干雷达脉冲，脉冲重复频率为p r f , 名为 雷达波长，1 ，为目标速率，p 为雷达回波与雷达阵元的方向角，阵元间距离为d ，则 归一化多普勒频率厶和归一化空间频率丘啪1 分别为： 一：上l ；：_ ds i - n o f s t (3一1)2prf2 。厶2 丁 。j 1j 则多普勒频率调制序列s t 和空间频率调制序列j 。分别为： 1e x p ( i 2 n f u ) e x p ( i 2 z c ( n t 一1 ) l ) 】2 ( 3 2 ) = 1e x p ( i 2 n f 。) e x p ( i 2 7 r ( n s 一1 ) ) 】2 ( 3 3 ) 假设多普勒频偏为零的条件下，单阵元接收到的一维非均匀杂波序列为c 。 ( n t x1 ) 。则多通道非均匀杂波c ( m x m ) 可以按照以下公式得到： c = 墨o ( c o 奉t ) ( 3 4 ) 其中“0 表示k r o n e c k e r 乘积，“宰 表示阵列点乘，即对应位置的元素相 乘。 3 2 非均匀多通道的数据仿真 本仿真中有关参数设置为：脉冲重复频率为1 0 0 0 0 h z ，杂波的速度方差为瓯 = 1 0 m s ，雷达波长五为0 0 5 m ，因此多普勒频率方差计算为仉= 2 0 v 五= 4 0r a d 。 根据该多普勒频率方差，设定滤波器阶数为1 2 ，采用频率采样法可以求得线性滤 波器的系数。产生的不相关高斯序列经过线性滤波器滤波后即得到相关高斯序列。 对产生的相关高斯序列进行各种非线性变化，可得到需要的非均匀一维序列c 0 。 按照式( 3 - 2 ) 和式( 3 - 3 ) 做多普勒频域调制和空间扩展，可得到所需的二维序 列c 。设定阵元数n s = 1 2 ，脉冲数n t = 2 4 0 。 2 8 第三章非均匀多通道雷达杂波的建模和仿真 3 2 1 瑞利分布 瑞利分布一般适用于描述气象杂波、箔条干扰、低分辨力雷达的地杂波；当 在一个杂波单元内含有大量相互独立、没有明显贡献的散射源时，雷达杂波包络 服从瑞利分布。瑞利分布的概率密度函数为： m ，忙一知 瑞利分布杂波产生的框图如图3 2 所示。 h ( z ) x o ( 3 5 ) x 0 图3 2 瑞利分布杂波产生框图 其中，n 1 ，n 2 是服从n ( o ，矿) 的相互独立的高斯白噪声，经过线性滤波器 l l ( z ) 后，其杂波的幅度x 一- - - - 4 u 2 + 1 ，2 服从瑞利分布，此时生成的是一维杂波。如果 要得n - 维杂波，需要将原始一维序列在经过多普勒频域调制和空间扩展后得到 二维序列，如式( 2 4 ) 中的c 。以下杂波模型类似，不再说明。通过仿真，我们产 生的瑞利分布原始一维序列幅度分布特性如图3 3 ( a ) 所示，图3 - 3 ( b ) 是理想瑞 利分布图，二者比较接近。仿真得到的二维瑞利杂波的频谱图如图3 4 所示。 ( a ) 杂波序列的概率统计直方图( b ) 理想瑞利分布圈 图3 3 瑞利分布概率分布图( 仃= 1 2 ) 2 9 电子科技大学硕士学位论立 一s 二- 二斓 瞬 ( a ) 丘 。2 ，f 。r - o3 ( b ) 厶一03 ，f 04 幽3 - 4 瑞利分布杂波在不同多普勒频率和空间频率下的频谱罔 3 2 2 对数正态分布 对数正志分布，适用于低入射角，复杂地形的杂波数据或者平坦区高分辨率 的海杂波数据。其概率分布公式为： m ，= 志“一 - 掣j 删m 帆3 _ 6 1 其中，凡是均值，表示分布的中位数；吒是对数标准著，是形状参数，表 示分布的倾斜度。对数正态分布杂波产生的系统框如图3 - 5 所示- 幽35 对数一止态分布朵波产生框幽 通过仿真，我们产生的原始维序列幅度分布特性如图3 - 5 ( a ) 所示，和理 想分布图3 - 5 ( b 1 接近。仿真得到的二维杂波频谱如图3 6 所示。 第三章非均匀