动目标检测信号处理器的研究与设计

2022-09-11

主动雷达的工作方法是向目标辐射电磁波, 并根据接收到的目标回波所携带的信息来发现目标和测定它们的坐标位置, 在飞机之类的动目标对电磁波反射的同时, 地物海面、气象形成物鸟群、昆虫以及人为施放的各种金属箔片、金属离子气旋体等, 同样也会对电磁波产生反射, 如何从雷达接收到的目标回波信号中, 将这些干扰信号除掉, 而只选出我们所需要的动目标信号, 这就是动目标检测技术的任务。

采用了先进的动目标检测技术 (MTD) 进行信号处理的中程监视引导雷达, 即使在有严重的地杂波、雨杂波、飞鸟杂波、金属箔片等干扰存在的情况下, 仍能达到极高的探测率, 同时它不仅能从固定目标中区分出动目标, 而且能根据动目标的速度来区分它们, 在MTD中, 相关脉冲串间采用不同的PRF (脉冲重复频率) , 以及I、Q分量录取装置的使用还可消除MTI系统中存在的盲速和盲相问题。

1 MTD处理的基本原理

传统的MTI雷达是利用动目标回波的多普勒频移来区分动目标和固定目标。其主要关心固定杂波的抑制而未对目标回波进行匹配滤波, 为了更好地抑制目标回波信号频带以外的其它杂波 (如气象杂波和鸟群) 以及接收机噪声, 需要在MTI后串接一组相邻且部分重叠的窄带滤波器组, 覆盖整个重复频率的范围, 以达到动目标检测的目的。由此产生了动目标检测技术 (MTD) 。在MTD中, 信号处理机使用若干个并行的多普勒滤波器、CFAR (恒虚警率) 处理及为抑制点杂波剩余而增加的一个或多个高分辨力的杂波图, 可进一步提高处理机的线性动态范围。在现代警戒雷达中, 由于增加了这些处理方法, 因此已能实现一个完整的信号处理系统, 从而获得良好的杂波抑制, 提高雷达在复杂背景中发现目标的能力。

2 一种MTD处理系统的实现方法

图1给出了某雷达MTD信号处理系统的实现方法。

MTD雷达一次发射PRF和信号频率都恒定的一组N个脉冲。这一系列脉冲串通常称为一个相关处理间隔 (CPI) 和脉组。有时为了抑制在不规则 (异常) 传播时出现的距离模糊杂波回波, 在CPI内也加上1~2个附加的填充脉冲。一个CPI间隔接收到的回波经N个脉冲有限冲激响应 (FIR) 滤波器组处理后, 雷达改变PRF和/或射频 (RF) 再发射另一CPI间隔的N个脉冲。因为大多数搜索雷达在多普勒上是模糊的, 即存在盲速。若相邻的相关脉冲串间采用不同的PRF, 使目标响应落于滤波器通带内的不同频率上, 则可消除盲速的影响。

2.1 有限冲激响应 (FIR) 滤波器组

AMTD处理是基于目标的多普勒频率检测和选择它们, 多普勒选择通过横向滤波器实现, 每个滤波器执行的功能如下图2所示。

延迟线T……T-n的总长度等于实行滤波的信号抽样数 (在此以8次抽样为例) , 对应视频信号的cos、sin分量, 滤波功能在每个range-bin (距离解算单元) 重复。

横向滤波器的功能由两部分组成:存储单元T和乘法、加法处理单元。

存储功能由上述存储器实现, 乘法、加法处理由两块滤波器电路板实现, 这两块电路板能分别处理实部和虚部, 算法如下:

其中:cos=信号的同相分量, sin=信号的正交分量

wr=同相分量的加权系数, wj=正交分量的加权系数

每个多普勒滤波器所设计的目标响应都是其多普勒频带中的非重叠部分, 并且抑制掉其它多普勒频率内的所有杂波源, 这种方法使每个滤波器的相关信号积累最大, 与单个MTI滤波器相比, 可在更宽的多普勒频域内实现更大的杂波衰减。因此, 一个或多个杂波滤波器能抑制掉不同多普勒频率的多个杂波源。下图 (图3) 给出了MTD多普勒滤波器组对多个杂波源的抑制。

多普勒滤波器组的输出经过包络检波也就是模值录取后, 对每个滤波器单独做恒虚警 (CFAR) 处理, 然后选大输出。恒虚警门限是滤波器的杂波平均值的估值。这样就能在杂波边缘环境中保持较好的控制虚警能力。选大输出的模值信号最后被送入检测逻辑, 将信号的幅度与特定门限比较。为了使检测处理适应变化多端的复杂雷达环境, 数个关于杂波的物理图被用于不同门限的选择。

2.2 杂波图的形成

常规的MTI检测系统输出的杂波剩余是否能降低到接收机噪声电平或更小, 取决于雷达接收机中频部分精心控制的动态范围。但受限制的动态范围却有不良后果, 即导致附加的杂波谱扩展, 从而降低杂波抑制能力。在MTD中, 在多普勒滤波后使用的一个或多个高分辨力的杂波图可将杂波剩余降为接收机噪声电平 (或将检测门限提高到杂波剩余电平之上) 。这就消除了对中频动态范围的必要限制, 因此可按A/D转换器所能支持的最大值设定中频动态范围。

在雷达控制区域, 雷达接收机具有对各种不同杂波状态进行图处理的能力, 可提供基于雷达控制区域的一个距离-方位单元的几种图。雷达接收机利用包含在这些图中的信息在杂波显著的环境下修正工作状态。

图可分为:动态图和静态图。动态图是不断被更新的图, 包括:FAN图、雨图和低多普勒图。静态图仅当设备开机或操纵员要求下被装载, 断电后, 保持其内容至少24小时, 包括:波束合成图、STC图、杂波图、加权选择图和海图。

(1) 波束合成图, 决定主波束和辅助波束的合成, 并选择主波束或合成波束, 其装载信号是通过中频信号与设置在高于噪声电平40dB的模拟门限值相比较而产生的。

(2) STC图, 用于衰减进入中频放大器之前的中频信号, 最大衰减35dB。在杂波电平超过噪声电平50dB的区域, 此图的装载在每一次扫描中逐级增加衰减电平, 装载信号与波束合成图所用的相同。

(3) 杂波图, 用于选择固定门限值还是自适应门限值 (由低多普勒电平的使用而获得) , 用于切向目标的检测。转载信号来自于模值录取器后的F0输出。

(4) 加权选择图 (WSM) , 根据呈现在单元中的杂波量选择滤波器的加权系数以实现四中不同的滤波。滤波器0和滤波器1的输出构成WSM的装载信号。

(5) FAN图, 功能是使错误报警数正常化。FAN图共有8个, 一个滤波器对应一个。其装载信号是用低门限获得的检测信号, FAN图和静态图使用同一个装载电路, 仅当设备开机或应操作员要求时, 这一电路才用于静态图的装载, 其余时间, 均用于FAN图处理。

(6) 低多普勒图, 其内容低多普勒电平 (LDL) , 用于切向目标检测和慢检测, 装载信号为滤波器0的输出与门限值比较获得的检测信号。

3 结语

使用了AMTD信号处理系统雷达的确能很有效的抑制无用杂波, 显示器画面比普通雷达干净许多, 对于及时发现并跟踪目标起了很大帮助。MTD信号处理系统设计不仅仅是四个模块的设计, 还应考虑到整个雷达系统, 例如, 只有当雷达的本机振荡器工作稳定, 发射机几乎没有脉间频率或相位的抖动, 设计出的MTD电路才能工作的令人满意。

摘要：本文介绍了一种先进的动目标检测雷达信号处理系统的实现方法, 分析了动目标检测的原理以及其关键技术有限冲激响应滤波器组的设计和算法, 并介绍了杂波图的形成, 实践证明采用该先进技术能获得良好的杂波抑制力, 提高雷达的探测率。

关键词：动目标检测,有限冲激响应滤波器,杂波图