海杂波反射面积的相关参数

海杂波反射面积的相关参数

0从海杂波中提取出目标岸基雷达具有广阔的视野和海上监视模式。在对空警戒模式下,由于空中目标(飞机)的速度与杂波之间的速度差比较大,雷达通过多普勒处理就能从杂波中提取出目标;而对于海面目标,由于它的空中运动速度与海杂波的速度接近,所以从海杂波中提取目标比较困难。岸基雷达在S、C、X等几个波段内的杂波情况都比较严重。频率越高,海杂波越严重,同时海杂波与风速、海情等有关,随气候、季节变化。在岸基雷达设计中,必须充分考虑到各种因素。1不同的海波特性1.1杂波电压的概率密度函数海杂波幅度的统计基本上是在瑞利分布和对数-正态之间。对于不同分辨率的雷达,在不同海情时,杂波的后向散射特性差异很大。对低分辨率雷达,由于波束宽度和发射脉冲宽度较宽,可以认为杂波的射频电压分布为高斯分布,经过线性检波后,输出电压为瑞利分布,可以用下列概率密度函数来描述p(v)=vσ2e−v2/(2σ2)(1)p(v)=vσ2e-v2/(2σ2)(1)式中:σ2为检波前杂波信号的方差(与噪声功率成正比)。分辨单元足够大时,只能在高入射角导致瑞利杂波,而在很低的入射角,由于遮挡效应有可能导致非瑞利杂波。对高分辨率雷达,如果雷达能分辨单个波浪,可以认为概率密度函数不再是瑞利分布,实验数据表明近似符合所谓的对数-正态分布。对于这种分布,杂波电压v的概率密度函数为p(v)=1vu2π√exp[−(lnv−w)22u2](2)p(v)=1vu2πexp[-(lnv-w)22u2](2)式中:w为lnv的平均值;u是它的标准差。1.2不同海波的相关性海杂波的相关性与雷达工作频率、海情级别、极化方式、信号带宽、脉冲宽度等因素有关。1.2.1阵风下雷达发射频率用相关函数表示各次海杂波的相关程度。本文假设R(i,j)为第i个杂波的第j次的归一化相关函数R(i,j)=sin(πτΔf)πτΔf(3)R(i,j)=sin(πτΔf)πτΔf(3)式中:τ为脉冲宽度;Δf为fi-fj,fi和fj分别为第i次和第j次雷达的发射频率。平方律检波后输出的杂波归一化频率相关函数为R2(i,j)=(sin(πτΔf)πτΔf)2(4)R2(i,j)=(sin(πτΔf)πτΔf)2(4)式中:当τΔf=1时为0,而且当τΔf>1时,其值一直小于0.05。也就是说当频率变化大于1/τ时,其回波基本上不相关了。1.2.2杂波去相关时间海杂波的相关时间与多普勒频谱成反比。根据幅度时间取样法,通常归一化的自相关函数P(t)≤0.2的时间为杂波的去相关时间。τr=λ22π√σx(5)τr=λ22πσx(5)式中:σx(m/s)为多普勒频谱标准偏差。1.2.3空间相关空间相关性是指两个相邻回波之间的相关性。根据大量的实验数据证明,当径向距离位移大于一个脉冲宽度时,两个相邻海区回波不相关。1.2.4雷达入射频率的影响海杂波的反射面积可用如下公式表示σ=σ0Rθcτsec(Ψ)2(6)σ=σ0Rθcτsec(Ψ)2(6)式中:σ0为海面杂波的反射率,决定反射率的参数有浪高、雷达视线相对于波的传播方向、雷达波长、雷达的极化方式、入射角;岸基雷达所选频段通常在S、C、X波段,在这几个频段内,杂波的反射率σ0通常与波长成反比,即波长越短,反射率越大。图1是天线水平极化时从L波段到Ka波段海面反射率与入射角之间的关系。R为雷达至杂波反射点之间的距离;θ为天线方位3dB波束宽度;c为光速3×108m/s;τ为脉冲宽度;Ψ为雷达天线中心至杂波反射点之间的入射角。从上式中可以看出,海面杂波的反射率σ0是由海况决定的;距离R由目标位置决定;入射角Ψ是由目标与天线架高决定的;c为常数;系统设计时考虑的参数有天线波束宽度θ和脉冲宽度τ。工程设计时应考虑降低天线波束宽度θ和脉冲宽度τ。1.2.5谱宽与风速的关系海面的运动使得从各个散射体接收到的回波信号产生多普勒频移。由于不同的散射单元的运动方向和速度都在变化,因此总的回波包括一个多普勒频移,其形状和宽度与海面的径向速度和分布程度有关。这个频谱的宽度是影响为了改善S/C而进行信号处理效果的重要因素。许多人通过实验数据表明谱宽与风速或海面状态有关,频谱宽度与海态的近似关系如下Δf=3.6fS(7)式中:f为雷达工作频率,单位为千兆赫兹;S为海态等级,参数如表1所示。2岸基雷达系统的抗杂波考虑2.1波束宽度的选择从式(6)看出,杂波有效反射面积与波束宽度有关。在工程设计时,尽量考虑增加天线口径,减小方位波束宽度,可减少杂波的有效反射面积。2.2杂噪比、信噪比变化在采用脉压系统中,发射脉冲信号带宽越宽,杂波的频谱将被展宽,经过脉压后,目标信噪比不变,而杂噪比下降;同时脉压后的脉冲宽度与带宽成反比,信号带宽越宽,压缩后的脉冲越窄,可对海杂波空间(距离)去相关。2.3脉象选择式(6)中,脉冲宽度与杂波强度成正比,应尽量选择窄的工作脉冲宽度。2.4次回波和杂波叠加在脉间进行频率捷变,频率跳变宽度大于脉宽的倒数。脉间频率捷变不仅能解距离模糊(二次回波),而且还能解杂波折叠,改善目标的起伏特性。对X波段雷达,如雷达工作带宽为300MHz,发射机的工作脉冲宽度τ为1μs时,跳频宽度Δf=1MHz,可选Δf为5MHz,跳频点数为60点,保证了相邻两个频差大于临界频率和脉间的独立性。2.5扫描间积累检测对X波段的雷达,按式(5)计算,杂波的相关时间为1～10ms左右。对于一般中近程雷达,两次照射的时间是不能满足这个相关时间要求。在目前信号处理芯片高速发展的今天,已经可以做到隔圈进行时间去相关,即采用剩余杂波图方式,也可叫扫描间积累检测。由于天线的扫描时间远大于杂波的相关时间而远小于目标的相关时间,因此扫描间积累可有效消除尖头海浪引起的杂波干扰。脉间频率捷变可改善视频积累增益。2.6云雪杂波的利用现在很多实验数据及设计产品表明,圆极化对云雨雪和海浪杂波可改善15～20dB。对于X波段岸基雷达,云雨雪杂波是常见的现象,因此工程设计必须考虑的一个因素。在馈线设计采用手控或自动控制变极化措施,可选线极化和圆极化。3抗海洋无序波处理3.1海杂波相关分析脉间非相干积累是抗海杂波干扰的一项有效措施,其原理是利用目标回波与海杂波在脉冲间的统计特性的不同来实现对目标的时域分辨。由海杂波特性可知,海杂波的相关性主要表现为10ms以内的强相关性和延伸至2s左右的弱相关性。由于海杂波的强相关时间小于波束驻留时间,再经过频率捷变的去相关作用之后,短时间强相关的海杂波在脉冲间就变得基本不相关了,通过脉间非相干积累(视频积累)可以得到相当的积累得益。3.2扫描间积累系统海杂波长时间的弱相关性主要是由尖头海浪引起的,一般持续时间为2s左右,在波束驻留时间内是不变的,不能靠脉间积累有效清除。考虑到目标的相关时间比较长,而天线的扫描周期一般大于海杂波相关时间而远小于目标的相关时间,所以通过扫描间积累能有效去除由尖头海浪引起的海杂波干扰。在目标的相关时间内,积累时间越长,积累效果越好。岸基雷达由于作用距离远,数据量大,所以在实现扫描间积累时需要有较大的存储空间,尤其是在提高了系统的带宽及采样率的情况下,存储容量成了主要问题,工程实现困难。目前,随着半导体技术的发展,大容量的静态存储器(SRAM)及动态存储器(DRAM)已十分普遍,价格也越来越便宜,很容易实现扫描间积累。扫描间积累与脉间非相干积累这两种处理方法可根据实际情况组合使用,即可以两种方法都用,也可只用其中一种,操纵员可根据实际回波情况灵活掌握。3.3单元平均fps法恒虚警率(CFAR)处理技术是减小海杂波影响的一个有效措施。在海杂波背景下检测目标采用固定门限检测是不合适的,这必然导致虚警增多。在一般应用中,常采用单元平均CFAR的方法,即用直接计算若干个参考单元平均幅度的方法来估计测试单元的干扰强度,从而实现了对目标的浮动门限检测处理,能够大大降低虚警率。单元平均CFAR的原理框图如图2所示。单元平均选大CFAR处理方法能有效解决非均匀干扰导致单元平均法的虚警率突变的问题。这种选大的方法可以在20dB甚至更高的阶跃杂波情况下时,使虚警概率的增加不到一个数量级,而带来的处理损失较单元平均法相比不超过0.3dB。实践已表明,单元平均选大CFAR对抑制面分布的海杂波效果显著。3.4杂波图的处理杂波图CFAR的原理与距离单元平均CFAR的原理是一样的,都是通过比较判决电路把估值单元间相关的部分消除掉,而将不相关的部分压低到噪声电平。不同的是距离单元平均CFAR是在距离维中处理一次发射脉冲内的回波数据,而杂波图CFAR则是在时间维上处理同一距离单元在不同天线扫描周期回波间的回波幅度。其原理框图如图3所示。若按图2所示的去实现,需要存储多个天线周期的数据,设备复杂,在实际使用中是采用了一种积累反馈的方法,迭代公式为Y(n)=α·X(n-1)+(1-α)·Y(n-1)(8)式中:Y(n)为当前扫描周期的迭代输出;Y(n-1)为存储下来的上一次迭代结果;X(n)为当前扫描周期的输入数据;α为迭代系数。其原理框图如图3所示。对于有一定波束宽度的搜索雷达,在雷达扫描的半功率宽度内同一距离单元的回波相干性很强。另外,对于慢变化的海杂波分量,在很少的距离单元内其统计特性不会有变化。所以,为节省存储量,将整个雷达的照射空间划分成若干个子单元,每个子单元在方位上是雷达半功率波束宽度或更小,距离上则根据实际情况尽量取很少的单元数。因此,在进行运算前需要做一次杂波单元平均的操作。杂波图CFAR在处理海杂波以及气象杂波时有以下优点:1)克服了天线相继的扫掠间强相关的问题;2)采用系数加权反馈积累克服了运动目标进入杂波估值单元而影响杂波单元估值的问题;3)相对于距离CFAR电路,由于参加估值的单元数增加了,CFAR的损失有所下降,性能有所改善。4处理方案设计针对岸基雷达不同用途,可采用不