强海杂波背景下目标信号的自适应频谱窗检测

1、强海杂波背景下目标信号的自适应频谱窗检测雷浩,郭东敏，汪仪林，王学敏(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)摘 要：针对频谱加固定矩形窗的频域滤波检测目标信号的方法对强海杂波适应性较差的问题，提出了自适应频谱观察窗方法。该方法在实时估计得到的海杂波频谱上限截止频率和理论上弹目最大交会速度的基础上，构建频带范围及形状适应于当前频谱、具有一定自适应性的频谱观察窗，抑制强海杂波对导弹目标谱峰信息提取的干扰。仿真表明，该方法能有效抑制强海杂波对提取导弹目标信号谱峰信息的干扰，提高了系统在强海杂波背景下检测高速小目标的性能。关键字：无线电引信；目标检测；海杂波背景；高速小目标；频谱观察窗De

2、tecting Target Signal with Adaptive Spectrum Window in Strong Sea ClutterLEI Hao,GUO Dongmin,WANG Yilin,WANG Xuemin(Xian Institute of Electromechanical Information Technology，Xian 710065，China)Abstract: Aiming at the problem that it didnt perform well in strong sea clutter to detect target signal wi

3、th frequency domain filtering by fixed rectangle window,the adaptive spectrum observation window was put forward in this paper.The method built adaptive spectrum observation window ,whose band range and shape varied with the real-time estimated upper cut-off frequency of sea clutter and the max inte

4、rsection speed in theory,to restrain strong sea clutter interfering the estimation of spectral peak information of the missile target signal.Simulation revealed that this method could restrain strong sea clutter interfering the estimation of spectral peak information of the missile target signal eff

5、ectively and improve the performance of system in detecting the high-speed small target in strong sea clutter.Key words:radio fuze;target detection;in sea clutter;high-speed small target;spectrum observation window 0引言采用舰炮实现防空反导任务时，在弹丸掠海飞行过程中,无线电引信会接收到来自海面的回波信号海杂波。因此,舰炮无线电引信必须考虑如何从混有强海杂波的回波信号中检测到目标信

6、号。回波信号会携带目标相对弹丸的速度信息，体现为回波信号具有多普勒频偏。一般而言，导弹速度相比海面浪涌速度高得多1,2，因此海杂波的能量在频域的分布与导弹目标信号频谱会有一定差异。由于弹丸掠海飞行，并且导弹目标的RCS(雷达散射截面)较小，引信接收到的回波信号的信噪比很差；尤其当弹丸离海面较近或弹目交会过程中脱靶量较大时，回波信号信噪比甚至小于0dB，在频域直接通过谱峰搜索提取导弹目标信号谱峰信息检测目标信号的性能较差。文献5介绍了一种基于时频分析提取对空近炸引信多普勒信号频率信息的方法。该方法通过短时傅里叶变换(STFT)提取对空近炸引信多普勒信号频率信息，实时性较好，但未涉及信号信噪比较低

7、时的情况。文献6给出了一种基于时频分析进行海杂波背景下目标检测的方法。该方法通过时频分析将一维时域信号变换到二维时频空间，通过分析信号的时间频率特征区分目标信号和杂波,具有一定参考价值。但该方法未涉及强海杂波背景下，时频域中海杂波谱峰强度大于目标信号谱峰强度时目标检测的问题。文献7介绍了一种通过频谱加窗实现频域滤波方法，该方法通过频谱观察窗来抑制干扰，获得优于模拟滤波器及FIR滤波器的滤波效果。但是，该频谱观察窗是根据信号统计特性设计出的固定矩形窗，对于信号特性随海情、弹速和弹道高度变化的强海杂波，这种频谱观察窗适应性较差：当海杂波的频带范围发生变化时，干扰信号有可能进入信号通带。因此，本文提

8、出了基于自适应频谱观察窗的强海杂波背景下检测导弹目标的方法。1 研究基础1.1时频分析随着数字信号处理技术的不断发展，时频分析成为分析非平稳信号的重要工具。目前应用较广的时频分析方法包括短时傅里叶变换、小波变换（WT）、Wigner-Ville分布等。这三种时频分析方法的优缺点如表1所示。表1 三种时频分析方法的优缺点时频分析方法优点缺点短时傅里叶变换运算量较小变换结果在频域固定时频分辨率小波变换多尺度时频分辨率运算量较大变换结果在小波域Wigner-Ville变换时频分辨率可以达到极限变换结果在频域运算量较大存在交叉项干扰目标检测过程中，为保证在资源有限情况下信号处理系统的实时性，工程上一般

9、采用短时傅里叶变换将一维的时域信号变换到二维时频域,根据信号的短时频谱获取需要的信息。1.2频谱加窗频域滤波与时域信号处理相比,在频域通过频谱加窗7进行滤波、目标检测等处理具有简单直观的优势，其原理框图如图1所示。原始信号短时频谱频谱观察窗(固定矩形窗)新短时频谱谱峰信息目标检测图1 通过频谱加固定矩形窗进行目标检测的原理框图在频域根据目标信号与干扰信号在频域的差异可以设计出幅频特性曲线最优的滤波器来抑制干扰，获得比时域信号处理更优的滤波及抗干扰性能。图2给出了通过固定矩形窗抑制干扰信号的结果，其中的频谱观察窗根据目标信号及干扰信号的统计特性设计，可以看到当干扰信号的频带范围发生变化进入信号通

10、带时，干扰信号会对目标信号的检测造成干扰。图2 频谱加窗抑制干扰信号1.3“面积法”估计频谱宽度对于频带范围变化的海杂波，频谱观察窗需根据海杂波的频谱宽度进行设计。海杂波能量在频域主要分布在低频段，海杂波频谱的上限截止频率足以体现海杂波的频谱宽度，这里定义海杂波经 FFT得到的N点频谱的上限截止频点为参数m。由于实测信号随机性较大，频谱中存在较多奇异值，所以通过阈值搜索估计参数m性能较差。 “面积法”8根据局部频谱谱线强度之和与整个频谱谱线强度之和的比值来估计信号的频谱宽度，易于得到海杂波频谱上限截止频率对应的参数m，具有较好的抗奇异值干扰性能，并且，采用“面积法”估计参数m的运算量较小，易于

11、硬件实现。因此，相比阈值搜索,“面积法”更能满足实时估计参数m的需求。2 自适应频谱观察窗通过自适应频谱观察窗提取强海杂波背景下导弹目标信号检测的原理框图如图3所示。通过自适应频谱观察窗进行频域滤波相比于通过固定矩形窗进行频域滤波主要有三点不同：通过设定上限的“面积法”实时估计自适应频谱观察窗参数m；根据参数m构建自适应频谱观察窗；采用自适应频谱观察窗对原始信号短时频谱进行幅度调制。原始信号短时频谱 自适应频谱观察窗新短时频谱自适应频谱观察窗参数m谱峰信息“面积法”设定上限目标检测图3 通过自适应频谱观察窗提取强海杂波背景下导弹目标信号谱峰信息的原理框图2.1通过设定上限的“面积法”实时估计参

12、数m海杂波的能量在频域主要集中在低频区域。对于引信飞行过程中接收到的信号经FFT得到的N点短时频谱，这里定义频谱观察窗参数m，参数m将混有强海杂波的信号频谱划分为两部分：频点1至频点m为海杂波能量集中区，海杂波谱线强度较大；频点m至频点N为海杂波能量衰减区，海杂波谱线强度较小。参数m划分混有强海杂波的信号频谱示意图如图4所示。 图4 参数m划分混有海杂波的信号频谱由于海杂波的频谱特性与季节、地域、天气等有关，所以通过海杂波统计分布特性得到的参数m很难准确反映当前信号短时频谱的特性。因此，在引信工作过程中，信号短时频谱对应的参数m需要实时估计得到。引信接收到的信号为实测信号，随机性较大，因此本文

13、通过“面积法”实时估计信号短时频谱对应的参数m，同时为保证参数m估计值的有效性，保证目标信号出现时其谱峰信息可以尽可能被检测到，这里结合导弹目标信号谱峰可能出现的频带范围给参数m设定一个上限A：当估计的参数m大于A时，令m取A的值。2.2构建自适应频谱观察窗为抑制强海杂波给导弹目标信号谱峰信息提取带来的干扰，考虑到有可能进入海杂波能量衰减区的海杂波强度较大谱线仍集中在低频部分，本文根据海杂波和导弹目标信号特性以及上文估计得到的参数m构建如图5所示的自适应频谱观察窗W。对于信号经FFT得到的N点频谱，观察窗W不同于1.2节中的固定矩形窗体现为II段的设计及I、 II、 III段的范围由实时估计的

14、参数m确定，具有一定自适应性。其中，II段为抑制进入海杂波能量衰减区的海杂波强度较大谱线对目标信号的干扰而设计，其终止频点1.2m根据大量实测数据统计分析得到；III段、IV段之间由理论上弹目最大交会速度v进行划分，即根据速度门v排除高频信号的干扰。图5 基于参数m构建的频谱观察窗2.3频谱加窗提取谱峰信息1.2中加窗就是直接在窗幅值为1的部分进行搜索，这里II段的引入使得要用新窗对原始频谱进行幅度调制，有所不同。文献7设计的频谱观察窗为矩形窗，幅值由0和1构成。采用这样的频谱观察窗抑制干扰仅需对幅值为1的频带范围进行目标信号信息提取即可，本文设计的频谱观察窗是非矩形的观察窗，窗的幅值包括0和

15、1以外的数值，因此，采用本文设计的频谱观察窗抑制强海杂波干扰时，需要通过该频谱观察窗对原始信号频谱进行幅度调制以获得新的短时频谱。3仿真验证3.1 估计海杂波频谱上限截止频率参数m的仿真有效估计得到海杂波频谱上限截止频率对应的参数m是构建自适应频谱观察窗的前提。图6给出了通过设定上限的“面积法”估计实测信号中海杂波频谱对应参数m的结果。可以看到，通过设定上限的“面积法”估计得到的参数m有效地将强海杂波背景下引信接收到信号的短时频谱划分为海杂波谱线强度较大部分和海杂波谱线强度较小两部分，并且导弹目标信号谱峰位于海杂波谱线强度较小的部分；当实测信号出现特殊情形时，上限A保障了估计参数m的有效性，使

16、得导弹目标信号的谱峰出现在海杂波谱线强度较小的部分。图6 自适应频谱观察窗参数m的估计结果3.2自适应频谱观察窗抑制海杂波处理结果有效估计得到当前短时信号对应的参数m后即可构建相应的频谱观察窗，通过该自适应频谱观察窗处理当前短时信号频谱得到的结果，可以直观看到本文设计的自适应频谱观察窗抑制海杂波干扰的效果。图7给出了混有强海杂波的2.5m脱靶量导弹目标信号片段的短时谱和经过本文设计的自适应非矩形频谱观察窗以及作为参照的矩形频谱观察窗处理得到的新频谱。验证了通过自适应非矩形频谱加窗处理，海杂波强度较大谱线被有效抑制，导弹目标信号的短时谱谱峰信息可以通过谱峰搜索提取得到。通过图7可以看到，相比于根

17、据参数m构建的矩形频谱观察窗，非矩形频谱观察窗对海杂波的抑制效果更好。图7 混有强海杂波的2.5m脱靶量导弹目标信号片段的频谱和经过自适应加窗处理得到的新频谱3.3自适应频谱观察窗与固定窗处理结果对比对于混有5级海情时探测器距海面5m采集到的海杂波的2.5m脱靶量导弹目标回波信号，本文根据上面设计的自适应非矩形窗处理频谱的方法以及矩形窗处理频谱的方法基于MATLAB进行了仿真处理，得到经过这两种方法处理得到的时间频率曲线如图8所示。可以看到，经过自适应非矩形窗处理的结果优于经过矩形窗处理的结果。图8 经过自适应频谱加窗与频谱加固定窗处理得到的时间频率曲线3.4基于自适应频谱观察窗的强海杂波背景

18、导弹目标检测性能回波信号的信噪比直接影响目标检测的性能。在同一海情级别下，脱靶量的变化会导致目标信号强度的变化，从而影响回波信号的信噪比。本小节基于回波信号频谱经自适应非矩形窗与频谱加矩形窗处理两种方法对混有5级海情时距海面5m的海杂波的不同脱靶量导弹目标回波信号进行导弹目标检测仿真，通过多点联合检测目标方法进行目标检测，统计结果如表1所示。结果表明，基于回波信号频谱经自适应非矩形窗处理进行目标检测的方法可使目标检测概率提高20%，虚警率降低10%，同时该方法运算量相比基于短时频谱加矩形窗进行目标检测的方法增加3%，保证了信号处理的实时性。表2 海杂波背景下不同脱靶量导弹目标回波信号的目标检测性能目标信号时域信号信噪比自适应频谱加窗检测目标的性能频谱加固定窗检测目标的性能虚警率检测率虚警率检测率1.5m脱靶量导弹目标回波信号-8.45 dB5%98%16%87%2.5m脱靶量导弹目标回波信号-11.03 dB6%94%15%73%3.5m脱靶量导弹目标回波信号-12.03 dB5%89%17%68%4结论本文提出了基于自适应频谱观察窗的强海杂波背景下检测导弹目标信号的方法。该方法在实时估及得到的海杂波频谱上限截止频率和理论上弹目最大交会速度的基础上，构建了频带范围及形状适应于当前频