第26卷 第8期
36
2004年8月
现代雷达V ol . 26 N o . 8
M odern Radar August , 2004
舰载雷达数据处理的杂波抑制方法
徐晓群 吕江涛
(南京电子技术研究所 南京210013)
【摘要】 舰载雷达所处的环境杂波现象比较严重。雷达工程人员发现, 无论信号处理采用哪些反杂措施, 雷达数据处理阶段总是或多或少地存在虚假点迹。因此, 有必要研究如何在数据处理阶段进一步消除杂波干扰。文中分别就数据处理的预处理模块、相关滤波模块、雷达控制模块以及雷达显示控制提出了有效的方法。
【关键词】 舰载雷达, 雷达数据处理, 点迹, 杂波干扰, 杂波图中图分类号:TN 959 文献标识码:A
Method of Clutter Suppression in Data Processing for Shipborne Radars
XU Xiao -qun LU Jiang -tao
(Nanjing Research Institute of Electronics Technology Nanjing 210013)
【Abstract 】 Shipbo rne radars o perate in a severe clutter environment . No matter w hat measures of clutter suppression are adopted in sig nal processing , radar engineers discover there are more or less false plots in the stage of radar data processing . So it is necessary to research for anti -clutter methods in the stage of radar data processing . T his paper proposes some effective me thods in the stage of data processing including echo pretreatment , cor relatio n filter , radar control and radar display control .
【Key words 】 shipborne radar , radar data processing , plot , clutter interference , clutter map
0 引 言
舰载雷达由于其特殊的工作环境, 面临严重的杂
波干扰, 包括地杂波(地面、海岸、海岛) , 海杂波和气象杂波(云、雨、雪、冰雹、大气湍流) 。低空海面的大气异常传播现象给掠海目标的检测和跟踪带来困难。抑制杂波干扰传统的思路是在雷达信号处理分系统中采取相应的措施, 普遍采用的是动目标显示技术(MTI ) 、动目标检测技术(MTD ) 、数字脉冲压缩技术以及恒虚警检测(CFAR ) 等, 这些方法起到了一定效果。但事实证明, 不论采取哪种方法仍有剩余杂波漏到雷达数据处理分系统中。尤其是在雷达工作环境恶劣时会出现大量的虚假点迹, 给数据处理的航迹起始和跟踪滤波造成很大困难, 严重时会导致计算机饱和。因此有必要探讨在雷达数据处理阶段抑制杂波干扰的问题。
图1 雷达数据处理分系统各组成模块相互关系
平台修正、波束内点迹凝聚等功能; 相关滤波模块完成波束间点迹凝聚、航迹起始、点迹-航迹相关、航迹滤波预测和航迹管理等功能; 雷达控制模块完成对雷达覆盖空域、作战任务、反干扰、信号处理、雷达资源等的调度和控制。与数据处理相连的显示控制分系统完成雷达工作状态、航迹等信息的显示, 并人工控制雷控参数、各种区域数据处理参数和接口参数。通信模块完成与串口、并口、网络等各种接口的数据通信。
数据处理分系统杂波抑制的特点:
(1) 信息积累性。雷达数据处理基于软件平台,
1 数据处理抑制杂波的原理
雷达回波经信号处理检测判决后送至数据处理分系统。雷达数据处理分系统各功能框图如图1所示。它包括回波预处理模块、相关滤波模块和雷达控制模块。回波预处理模块完成对雷达回波的测角、测距
、
--
第8期 徐晓群, 等:舰载雷达数据处理的杂波抑制方法
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其实时性要求不如信号处理强, 可对雷达相邻周期的回波信息进行积累和比较。在杂波干扰严重时, 可以对目标积累足够的信息后再进行相应处理。(2) 预处理性。可以运用几个雷达扫描周期收集杂波信息, 储存或更新杂波分布情况。
(3) 可选性。对点迹进行筛选必然会丢失少量真实目标点迹, 所以数据处理抑制杂波的各种方法只有在需要的情况下才被采用, 是可选的。
(4) 局限性。数据处理阶段抑制杂波可以利用的信息很少, 与雷达具体的工作方式和信号处理采取的方法结合紧密, 独立性不强。
图2 点迹在距离-方位图中的分布情况
(3) 多普勒速度判断。首先将径向速度在零附近的点迹予以剔除。其次在点迹凝聚时, 为保证相邻或交叉的目标不被凝聚成一个点迹, 最明显的区别就是多普勒速度。此外, 在点迹-点迹以及点迹-航迹相关时, 通过比较点迹与点迹或点迹与航迹之间的多普勒径向速度, 作为是否相关的一个判断条件。
图3为图2数据经过判宽准则和幅度准则处理后的效果, 可以看出近距离的杂波减少了许多
。
2 舰载雷达数据处理杂波抑制的方法
某型舰载雷达在使用中, 发现来自大气和海洋环境的严重杂波干扰, 尤其在雷达出海工作时, 杂波剩余较多, 影响到雷达系统整体性能。针对这一现象, 进行了一系列有针对性的试验, 采集杂波数据, 观察杂波现象并寻找解决方法。出海试验数据表明, 回波数据中存在地海杂波, 仙波和大气波导现象。信号处理分系统采取相应反杂措施后仍然有杂波剩余, 包括气象现象导致的杂波、环状分布的杂波、近距离低仰角密集杂波以及噪声状杂波。为了消除剩余杂波, 提高点迹质量, 数据处理阶段采取了一系列措施。2. 1 回波预处理模块的杂波抑制方法
回波预处理模块位于数据处理的最前端, 其包含回波的信息也最丰富。一般地, 一个完整的点迹报告包含以下信息:(1) 雷达时间和发射波束位置参数; (2) 该发射波束的回波经采样和检测门限后的点迹个数; (3) 每一个点迹的空间位置参数; (4) 某些体制的雷达点迹还包含目标多普勒速度值。
选取一组出海实测数据进行统计分析。该数据为雷达对约90°方位范围搜索的全部回波, 雷达工作时间共1492s , 全部回波数据在距离-方位图中的分布情况如图2所示。
去除杂波准则:(1) 回波宽度判断。回波信号的幅度和宽度反映目标回波的能量。回波宽度是指回波模拟信号经过采样量化和幅度检测后占据的连续距离单元个数。经过统计发现, 真实目标的回波与杂波在宽度上有明显区别, 利用这一特征可有效剔除大部分杂波。
(2) 幅度判断。对于连续占据两个距离单元的回波加设幅度门限, 根据距离远近调整不同幅度门限值, 幅度低于门限值的点迹予以剔除
。
图3 点迹经判宽准则和幅度准则处理后的分布情况
(4) 杂波图判断。针对该雷达严重的环状杂波现象, 采用特定的杂波图进行处理。该环状杂波集中分布在低仰角的扫描层, 在距离-方位图中呈现环状分布, 距离-仰角图中呈梳状分布, 杂波位置比较固定, 如图4所示。去环杂波图方法是用滑窗统计一定距离范围内相邻若干个扫描周期内的回波总数, 当回波总数超过门限值时, 就认为该距离范围内存在环状杂波现象, 对于落入该距离范围内的点迹视为杂波予以剔除。图4和图5为一组典型数据经去环杂波图处理前后的对比, 可以看出环状杂波现象明显减少了。2. 2 雷达控制模块的杂波抑制方法
2. 2. 1 人工干预的雷达控制
根据舰船所处的工作环境(近海、远海、海情、气象复杂度等) , 通过调整显控分系统的网络命令或显控模块的人工干预命令, 改变整个空域的雷达工作参数。这些参数包括STC 控制、多普勒处理方式(脉冲
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现代雷达26卷
2. 4 结合人工干预的雷达控制
根据杂波空间上的不同分布, 在雷达威力范围内划出几个特定的雷达区域, 采取不同的控制和处理方法。这些特定区域包括寂静区、屏蔽区、人工区和图控区。寂静区主要用于雷达控制模块, 该区域内只接收
图4 环状杂波在距离-
方位图中的分布情况
不发射雷达波束, 用于对付干扰, 也可用于抑制杂波。屏蔽区主要用于回波预处理模块, 该区域内只发射不接收, 用以对付强杂波。人工区主要用于相关滤波模块, 区域内的回波采用非常规的航迹起始和跟踪维持算法。图控区主要用于雷达控制模块和回波预处理模块, 雷达控制模块根据图控区杂波图的特性控制雷达波束的工作参数, 回波预处理模块根据图控区杂波图
图5 环状杂波经去环杂波图处理后的分布情况
的特性滤除杂波点迹。
基于电子地图背景的雷达显示控制模块可显示雷达威力范围内的海岸线、岛屿和钻井平台等地理信息, 这些地理信息可作为杂波判断的依据, 也可由此对雷达工作状态和区域进行控制。
数、凹口宽度、滑窗数) 、运动补偿参数、杂波门限、脉冲对消控制参数、增益控制参数和检测控制参数等。2. 2. 2 结合区域控制的雷达控制
观察显示控制分系统PPI 显示器上的一次杂波分布情况, 人工建立若干杂波区, 对杂波区内的雷达工作参数进行人工设置和修改。2. 2. 3 结合杂波图的自适应雷达控制
设置专用的杂波图建图雷达工作方式, 采用特殊工作参数的雷达波束探测地海杂波区和气象杂波区, 根据回波建立地海杂波图和气象杂波图。在正常工作时对搜索回波中的剩余杂波进行处理建立剩余杂波图。3种杂波图存储空域内的杂波统计特性, 包括空间位置、分布密度、幅度和多普勒信息。在雷达控制模块进行发射波束编排时, 根据波束中心指向查寻杂波图中相应位置的杂波分布特征, 并结合相应的杂波控制准则决定发射波束的工作参数, 其中杂波控制准则的确定与作战任务、雷达资源等多种因素相关。2. 3 相关滤波模块的杂波抑制方法
如果上述的措施仍未能有效的抑制杂波, 则给相关滤波模块带来很大困难。由于在某个区域内连续多个周期出现密集杂波点迹, 自动航迹起始和相关处理将耗费大量计算机资源, 严重时无法正常工作, 为此必须采取特殊的航迹起始和跟踪滤波准则。
在杂波剩余严重的区域建立特殊区, 特殊区内的点迹采用较为严格的航迹起始准则, 变一般的3/5起始为4/5或5/5起始。在点迹-航迹相关时除考虑点迹的位置信息外, 兼顾幅度和多普勒速度信息。对起始后的航迹增加速度滤波, 撤消虚假航迹。
对杂波剩余特别严重的区域建立人工区, 根据操作员的观察, 采用半自动和手动相结合的航迹起始和3 结束语
在实际工程中, 在数据处理阶段进行杂波抑制有其必要性。不同的雷达工作方式和工作环境有着不同的杂波分布特性, 需要数据处理采取不同的方法。雷达信号处理和数据处理是两个密切结合的部分, 性能良好的抑制杂波干扰系统应该是二者相互配合协调工作的自适应系统。随着DSP 技术和微机运算速度的飞速发展, 将给二者的结合创造了良好的条件。上述方法运用于某型舰载雷达系统证明是有效的。
参 考 文 献
1 张光义. 雷达系统. 北京:国防工业出版社, 1994
2 费利那A , 斯塔德F A . 雷达数据处理(第1卷) . 北京:国
防工业出版社, 1992
3 陈志坚. 雷达数据处理中非真实目标点迹的处理. 现代雷
达, 1995, 17(3) :43～48
4 杨文琳, 方志宏, 阮信畅, 等. 雷达点迹凝聚处理技术及其
数据分析. 信号处理, 2001(4) :130～138
徐晓群 男, 1968年生, 1993年获东南大学计算机应用专业学士学位, 工程师, 现主要从事雷达数据处理系统的设计和研究工作。
吕江涛 男, 1977年生, 1999年毕业于南昌大学电子科学工程系, 获学士学位。现为在读硕士研究生, 研究方向为雷达数据处理。
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2004年8月
现代雷达V ol . 26 N o . 8
M odern Radar August , 2004
舰载雷达数据处理的杂波抑制方法
徐晓群 吕江涛
(南京电子技术研究所 南京210013)
【摘要】 舰载雷达所处的环境杂波现象比较严重。雷达工程人员发现, 无论信号处理采用哪些反杂措施, 雷达数据处理阶段总是或多或少地存在虚假点迹。因此, 有必要研究如何在数据处理阶段进一步消除杂波干扰。文中分别就数据处理的预处理模块、相关滤波模块、雷达控制模块以及雷达显示控制提出了有效的方法。
【关键词】 舰载雷达, 雷达数据处理, 点迹, 杂波干扰, 杂波图中图分类号:TN 959 文献标识码:A
Method of Clutter Suppression in Data Processing for Shipborne Radars
XU Xiao -qun LU Jiang -tao
(Nanjing Research Institute of Electronics Technology Nanjing 210013)
【Abstract 】 Shipbo rne radars o perate in a severe clutter environment . No matter w hat measures of clutter suppression are adopted in sig nal processing , radar engineers discover there are more or less false plots in the stage of radar data processing . So it is necessary to research for anti -clutter methods in the stage of radar data processing . T his paper proposes some effective me thods in the stage of data processing including echo pretreatment , cor relatio n filter , radar control and radar display control .
【Key words 】 shipborne radar , radar data processing , plot , clutter interference , clutter map
0 引 言
舰载雷达由于其特殊的工作环境, 面临严重的杂
波干扰, 包括地杂波(地面、海岸、海岛) , 海杂波和气象杂波(云、雨、雪、冰雹、大气湍流) 。低空海面的大气异常传播现象给掠海目标的检测和跟踪带来困难。抑制杂波干扰传统的思路是在雷达信号处理分系统中采取相应的措施, 普遍采用的是动目标显示技术(MTI ) 、动目标检测技术(MTD ) 、数字脉冲压缩技术以及恒虚警检测(CFAR ) 等, 这些方法起到了一定效果。但事实证明, 不论采取哪种方法仍有剩余杂波漏到雷达数据处理分系统中。尤其是在雷达工作环境恶劣时会出现大量的虚假点迹, 给数据处理的航迹起始和跟踪滤波造成很大困难, 严重时会导致计算机饱和。因此有必要探讨在雷达数据处理阶段抑制杂波干扰的问题。
图1 雷达数据处理分系统各组成模块相互关系
平台修正、波束内点迹凝聚等功能; 相关滤波模块完成波束间点迹凝聚、航迹起始、点迹-航迹相关、航迹滤波预测和航迹管理等功能; 雷达控制模块完成对雷达覆盖空域、作战任务、反干扰、信号处理、雷达资源等的调度和控制。与数据处理相连的显示控制分系统完成雷达工作状态、航迹等信息的显示, 并人工控制雷控参数、各种区域数据处理参数和接口参数。通信模块完成与串口、并口、网络等各种接口的数据通信。
数据处理分系统杂波抑制的特点:
(1) 信息积累性。雷达数据处理基于软件平台,
1 数据处理抑制杂波的原理
雷达回波经信号处理检测判决后送至数据处理分系统。雷达数据处理分系统各功能框图如图1所示。它包括回波预处理模块、相关滤波模块和雷达控制模块。回波预处理模块完成对雷达回波的测角、测距
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第8期 徐晓群, 等:舰载雷达数据处理的杂波抑制方法
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其实时性要求不如信号处理强, 可对雷达相邻周期的回波信息进行积累和比较。在杂波干扰严重时, 可以对目标积累足够的信息后再进行相应处理。(2) 预处理性。可以运用几个雷达扫描周期收集杂波信息, 储存或更新杂波分布情况。
(3) 可选性。对点迹进行筛选必然会丢失少量真实目标点迹, 所以数据处理抑制杂波的各种方法只有在需要的情况下才被采用, 是可选的。
(4) 局限性。数据处理阶段抑制杂波可以利用的信息很少, 与雷达具体的工作方式和信号处理采取的方法结合紧密, 独立性不强。
图2 点迹在距离-方位图中的分布情况
(3) 多普勒速度判断。首先将径向速度在零附近的点迹予以剔除。其次在点迹凝聚时, 为保证相邻或交叉的目标不被凝聚成一个点迹, 最明显的区别就是多普勒速度。此外, 在点迹-点迹以及点迹-航迹相关时, 通过比较点迹与点迹或点迹与航迹之间的多普勒径向速度, 作为是否相关的一个判断条件。
图3为图2数据经过判宽准则和幅度准则处理后的效果, 可以看出近距离的杂波减少了许多
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2 舰载雷达数据处理杂波抑制的方法
某型舰载雷达在使用中, 发现来自大气和海洋环境的严重杂波干扰, 尤其在雷达出海工作时, 杂波剩余较多, 影响到雷达系统整体性能。针对这一现象, 进行了一系列有针对性的试验, 采集杂波数据, 观察杂波现象并寻找解决方法。出海试验数据表明, 回波数据中存在地海杂波, 仙波和大气波导现象。信号处理分系统采取相应反杂措施后仍然有杂波剩余, 包括气象现象导致的杂波、环状分布的杂波、近距离低仰角密集杂波以及噪声状杂波。为了消除剩余杂波, 提高点迹质量, 数据处理阶段采取了一系列措施。2. 1 回波预处理模块的杂波抑制方法
回波预处理模块位于数据处理的最前端, 其包含回波的信息也最丰富。一般地, 一个完整的点迹报告包含以下信息:(1) 雷达时间和发射波束位置参数; (2) 该发射波束的回波经采样和检测门限后的点迹个数; (3) 每一个点迹的空间位置参数; (4) 某些体制的雷达点迹还包含目标多普勒速度值。
选取一组出海实测数据进行统计分析。该数据为雷达对约90°方位范围搜索的全部回波, 雷达工作时间共1492s , 全部回波数据在距离-方位图中的分布情况如图2所示。
去除杂波准则:(1) 回波宽度判断。回波信号的幅度和宽度反映目标回波的能量。回波宽度是指回波模拟信号经过采样量化和幅度检测后占据的连续距离单元个数。经过统计发现, 真实目标的回波与杂波在宽度上有明显区别, 利用这一特征可有效剔除大部分杂波。
(2) 幅度判断。对于连续占据两个距离单元的回波加设幅度门限, 根据距离远近调整不同幅度门限值, 幅度低于门限值的点迹予以剔除
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图3 点迹经判宽准则和幅度准则处理后的分布情况
(4) 杂波图判断。针对该雷达严重的环状杂波现象, 采用特定的杂波图进行处理。该环状杂波集中分布在低仰角的扫描层, 在距离-方位图中呈现环状分布, 距离-仰角图中呈梳状分布, 杂波位置比较固定, 如图4所示。去环杂波图方法是用滑窗统计一定距离范围内相邻若干个扫描周期内的回波总数, 当回波总数超过门限值时, 就认为该距离范围内存在环状杂波现象, 对于落入该距离范围内的点迹视为杂波予以剔除。图4和图5为一组典型数据经去环杂波图处理前后的对比, 可以看出环状杂波现象明显减少了。2. 2 雷达控制模块的杂波抑制方法
2. 2. 1 人工干预的雷达控制
根据舰船所处的工作环境(近海、远海、海情、气象复杂度等) , 通过调整显控分系统的网络命令或显控模块的人工干预命令, 改变整个空域的雷达工作参数。这些参数包括STC 控制、多普勒处理方式(脉冲
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2. 4 结合人工干预的雷达控制
根据杂波空间上的不同分布, 在雷达威力范围内划出几个特定的雷达区域, 采取不同的控制和处理方法。这些特定区域包括寂静区、屏蔽区、人工区和图控区。寂静区主要用于雷达控制模块, 该区域内只接收
图4 环状杂波在距离-
方位图中的分布情况
不发射雷达波束, 用于对付干扰, 也可用于抑制杂波。屏蔽区主要用于回波预处理模块, 该区域内只发射不接收, 用以对付强杂波。人工区主要用于相关滤波模块, 区域内的回波采用非常规的航迹起始和跟踪维持算法。图控区主要用于雷达控制模块和回波预处理模块, 雷达控制模块根据图控区杂波图的特性控制雷达波束的工作参数, 回波预处理模块根据图控区杂波图
图5 环状杂波经去环杂波图处理后的分布情况
的特性滤除杂波点迹。
基于电子地图背景的雷达显示控制模块可显示雷达威力范围内的海岸线、岛屿和钻井平台等地理信息, 这些地理信息可作为杂波判断的依据, 也可由此对雷达工作状态和区域进行控制。
数、凹口宽度、滑窗数) 、运动补偿参数、杂波门限、脉冲对消控制参数、增益控制参数和检测控制参数等。2. 2. 2 结合区域控制的雷达控制
观察显示控制分系统PPI 显示器上的一次杂波分布情况, 人工建立若干杂波区, 对杂波区内的雷达工作参数进行人工设置和修改。2. 2. 3 结合杂波图的自适应雷达控制
设置专用的杂波图建图雷达工作方式, 采用特殊工作参数的雷达波束探测地海杂波区和气象杂波区, 根据回波建立地海杂波图和气象杂波图。在正常工作时对搜索回波中的剩余杂波进行处理建立剩余杂波图。3种杂波图存储空域内的杂波统计特性, 包括空间位置、分布密度、幅度和多普勒信息。在雷达控制模块进行发射波束编排时, 根据波束中心指向查寻杂波图中相应位置的杂波分布特征, 并结合相应的杂波控制准则决定发射波束的工作参数, 其中杂波控制准则的确定与作战任务、雷达资源等多种因素相关。2. 3 相关滤波模块的杂波抑制方法
如果上述的措施仍未能有效的抑制杂波, 则给相关滤波模块带来很大困难。由于在某个区域内连续多个周期出现密集杂波点迹, 自动航迹起始和相关处理将耗费大量计算机资源, 严重时无法正常工作, 为此必须采取特殊的航迹起始和跟踪滤波准则。
在杂波剩余严重的区域建立特殊区, 特殊区内的点迹采用较为严格的航迹起始准则, 变一般的3/5起始为4/5或5/5起始。在点迹-航迹相关时除考虑点迹的位置信息外, 兼顾幅度和多普勒速度信息。对起始后的航迹增加速度滤波, 撤消虚假航迹。
对杂波剩余特别严重的区域建立人工区, 根据操作员的观察, 采用半自动和手动相结合的航迹起始和3 结束语
在实际工程中, 在数据处理阶段进行杂波抑制有其必要性。不同的雷达工作方式和工作环境有着不同的杂波分布特性, 需要数据处理采取不同的方法。雷达信号处理和数据处理是两个密切结合的部分, 性能良好的抑制杂波干扰系统应该是二者相互配合协调工作的自适应系统。随着DSP 技术和微机运算速度的飞速发展, 将给二者的结合创造了良好的条件。上述方法运用于某型舰载雷达系统证明是有效的。
参 考 文 献
1 张光义. 雷达系统. 北京:国防工业出版社, 1994
2 费利那A , 斯塔德F A . 雷达数据处理(第1卷) . 北京:国
防工业出版社, 1992
3 陈志坚. 雷达数据处理中非真实目标点迹的处理. 现代雷
达, 1995, 17(3) :43～48
4 杨文琳, 方志宏, 阮信畅, 等. 雷达点迹凝聚处理技术及其
数据分析. 信号处理, 2001(4) :130～138
徐晓群 男, 1968年生, 1993年获东南大学计算机应用专业学士学位, 工程师, 现主要从事雷达数据处理系统的设计和研究工作。
吕江涛 男, 1977年生, 1999年毕业于南昌大学电子科学工程系, 获学士学位。现为在读硕士研究生, 研究方向为雷达数据处理。