0 引言
在雷达目标检测中,特别是实战情况下,常会遇到大目标遮挡小目标的问题。一般地,大型民航客机的RCS在一二百平方米以上,小型战斗机的RCS在1～2 m2之间。如果两者的距离很近,则回波的强度比则在20 dB以上。如果考虑到隐身飞机等更小的RCS(其RCS只在0.02 m2左右)目标,回波强度相差40 dB以上,遮挡问题将更加严重。
在民用航空机场管理领域,通过采用非线性调频超低副瓣脉压技术[1],并辅之以严格的管理措施,来解决大型客机对小型客机的遮挡问题。然而,在军用领域,在更加复杂的空情处理上,这种问题更加复杂——敌机可能是故意躲在民航机下造成遮挡,也难以使用空管措施。如果抬高门限,则会将小目标剔除。如果降低门限,则大目标会出现多个连续的过门限值,一般采用点迹凝聚技术或杂波图,小目标往往会被视作大目标的副瓣而匿隐掉,如果采用CFAR技术,小目标也将会被门限遮掉。此时,将会出现漏情。在复杂的军事斗争条件下,应解决这种利用大型目标遮挡效应的突防问题。
1 大目标遮挡效应分析
图1为两个相距2个距离单元的目标回波仿真图。从图中可以看出,由于目标回波具有一定的宽度,两个目标的回波幅度相差较远。在进行距离凝聚时,目标2会被当成目标1的副瓣而凝聚掉,检测结果只有目标1出现,而目标2造成漏警。局部放大图如图2所示,假定目标1与目标2的信噪比差距为25 d B——普通战斗机与大型民航客机的回波幅度差异(假定民航客机的雷达截面积为300 m2,战斗机的雷达截面积为1 m2)。目标1是一个大型目标,目标2是一个小型目标。雷达发射的信号为线性调频信号。在正常情况下,必然会将目标2当作目标1的副瓣,目标2将被凝聚掉,因而会造成漏警。
图1 两个相距2个距离单元的目标
图2 大小目标相近时的回波信号
造成这种问题的原因是常规检测不考虑相位,仅利用幅度信息。另外在检测过程中存在一个点迹凝聚步骤。点迹凝聚[2]是在距离项上的距离凝聚处理、方位项上的方位凝聚处理、仰角项上的目标测高处理、速度上的解模糊处理等。凝聚的主要原理为对幅度过门限的单元判别连续性,取包络峰值。主要完成相同极值点的提取,产生极值点的代码、极值幅度。总之,传统的凝聚算法利用的核心信息是幅度。显然,这对原始信号的信息进行了删减,幅度信息必然会受到信噪比效应的影响,对目标的检测造成损失。如果采用CFAR处理也达不到检测目标的目的,因为小目标位置与大目标的距离太近。试验结果如图3～图5所示。
图3 回波CFAR门限图
图4 目标相距2个距离门过CFAR门限信号
图5 回波过CFAR门限信号(局部,距离2个单元)
当小目标距离大目标距离单元为10个以上时,目标可以通过CFAR提取出来,如图6所示。图7为局部放大图。
产生这个问题的根本原因是:两目标的信噪比相差太大,且距离太近。在如此近的条件下,如果两回波幅度存在数量级的差别,必然会造成小目标被“忽视”的问题。
如果严格限制信号的副瓣电平,当信号主要能量集中在主瓣时,则需要进行深度加权,此时会造成主瓣显著加宽,对小目标的遮挡更加严重。同时,这种处理办法需要信号的时宽带宽积很大,加大了工程实现难度。如果采用非线性调频进行优化设计,则会由于多普勒效应、噪声等影响,难以实现[1]。
图6 回波过CFAR门限信号(距离10个单元)
图7 过CFAR门限信号(局部,距离10个单元)
造成上述问题的主要原因是幅度差异太大,如果仅考虑幅度信息比较必然会造成遮挡。根据理论分析,对于目标而言,不仅有幅度信息,而且还有相位信息,并且主瓣的相位与副瓣的相位特性差别很大。这将为目标检测提供一个新的途径。
在传统的雷达信号处理中,为了减轻处理的负荷,仅考虑目标回波的幅度信息,如果要考虑相位信息,则系统的存储、处理的负担会大大增加。随着现代信号处理,特别是存储技术、软件化技术的发展,处理器的速度及容量都得到了显著的提升,将相位信息引入到目标检测中来,已完全可行。利用目标回波的主瓣与副瓣相位性质的不同来检测目标的存在,可以改善大目标对小目标的遮挡问题。
2 基于联合幅相信息的目标检测算法
现代雷达主要采用的是匹配滤波[3]。在信号处理中利用的是匹配滤波器。该种滤波器为白噪声背景中检测信号的最佳线性滤波器,其准则为信噪比最大原则。
假定雷达发射信号的s(t),其频谱为S(ω),则匹配滤波器的频响为H(ω),回波的频域表示为
式中,t0为信号达到最大的时刻。
匹配滤波的响应输出可由下式给出[4]:
当信号与滤波器完全匹配时,式(3)可以写成
式(4)表明,当信噪比达到最大时,相位为零。反之,如果离开了t0位置,则信号的能量会急剧减小。由于噪声的影响,其相位不会为零,并表现出随机性。如果采用脉压的形式,则副瓣的相位也将表现为随机变化性。如下:
根据式(6),在信号噪声比较大的情况下,在匹配滤波器与回波完全匹配时(距离完全对齐时),可以得到y(t)的相位为趋于0。当信号与噪声相当时,相位趋于26.5°,因此,建议当目标起伏小于30°时,可鉴定为主瓣。对于数字化的线性调频信号,由于相位为二次型,在序列未完全对齐时相位变化极大,图8为线性调频的相位曲线图。通过图8可以看出如下特点:
1)调频信号的相位是对称的,在反转条件下,相位图形不变;
2)卷积的本质为乘加,当匹配滤波器与信号完全匹配时,其结果是相位相加,幅度相乘,故而相位为0,幅度最大;
3)在相位绝对值最大时,相位变化率为0,即幅度最大值附近的相位是平坦的。
因此,在最大值左右两侧的相位变化必然很小。脉压后的相位平坦点至少有连续3个。幅度加权不影响该性质。
同样,脉压波形在最大值3点以内,目标的回波相位基本不变,起伏较小,在信噪比足够大时,近似一条水平线,而在此之外,相位呈现随机变化的情况。本文采用相位差分的方法进行相位起伏性评估。所谓相位差分指的是相邻两点的相位相减。
图8 线性调频波形与匹配滤波器相位
图9为某雷达时宽带宽积为500时,采用Taylor窗进行脉冲压缩的幅度响应;图10为相位响应。图11为图10的局部放大图。
从图11可以看出,在脉冲压缩信号的主瓣处一定有一段相位平坦区。一般这个平坦区集中在主瓣3 d B宽度附近,根据采样率情况,一般为3点以上。另外,由于幅度加权造成脉压信号的一部分出现相位变化较慢区域,但这一部分是在远离主瓣的地方,同时,也不会出现连续多点相位基本不变的情况,因此,可以通过幅度信息将其滤掉。
图9 线性调频信号脉压幅度输出
图10 线性调频信号脉压相位输出
图11 线性调频信号脉压相位输出(主瓣附近)
综上所述,基于幅相联合凝聚的算法,引入了相位指示的办法,具体如下:
1)检测时,除了需保留回波的幅度以外,还应保留回波的相位信息,特别是当某一目标强度很大,则对其脉压结果主瓣左右两侧可取若干个点进行相位检测,评估其平坦度,一般采用行相位差分办法。
2)幅相联合检测算法中,在利用相位差分评估目标相位变化时。相位起伏可采用前后求差分的方式,一般大目标主瓣有两个平坦值(差分值很小),被遮挡的小目标主瓣只有一个平坦值(如果小目标离大目标较远,则有两个平坦值)。
3)相位检测算法为相位窗口,窗口长度一般取3个,如果为超采样应相应延长,如为两倍采样时,窗长度取为5个,依次类推。
4)相位窗内目标的相位起伏(一般应小于30°)较小时,则该点即可能是个小目标,应予保留。
5)如果目标回波较小,不建议采用幅相联合检测方法,以防止虚警增加。
3 仿真分析
图12(a)为相位差分结果;图12(b)为相位差分结果局部放大图;图12(c)为蒙特卡洛仿真的试验结果[4],仿真次数为10 000。图13为目标距离2个距离门目标的回波的相位差分试验结果。本例中,小目标的信噪比为9 d B,其相位变化为28.6°～41.5°。
图12(b)为存在2个目标时的相位差分图。根据试验情况分析,对于大目标,存在2个距离单元的相位平坦点,对于小目标存在1个相位平坦点,经分析为大目标干扰造成。在图12(b)中,由于左侧处于大目标的相位干扰区,使得小目标的相位受影响。在右侧,大目标的信号小于小目标的信号,因此干扰不会影响小目标在右侧的相位特性(或对右侧的相位特性影响较小),小目标的相位平坦点将减少为2个,差分时仅为一个点,仍可精确获取该位置处的相位差分值。
图12(c)为蒙特卡洛仿真10 000次试验中,对小目标的相位差分的观察结果。
图12 目标附近差分相位图
图13 小目标信噪比从9 dB增加到15 dB时的相位变化率
从图12(b)、图12(c)可以看出,目标所在地方不光相位变化幅度小,而且相位变化基本上是稳定在一个特定值。该值受信噪比影响,当信噪比很大时,目标相位起伏小,反之变大。
图13为目标信噪比从9 dB变化到15 dB(变化1 000次)时,相位差分的变化结果。从图13可以看出,当目标信噪比从9 d B变化到15 dB时,相位差分的变化率为14.5°～34.5°,小目标的信噪比越大,则相位稳定性越强。
4 结束语
本文算法适用于大目标遮挡小目标时对小目标的检测。此时,要求小目标具有一定的信噪比;如果信噪比远小于副瓣,则难以检测。另外,如果小目标处于杂波区中时,也可以利用该办法解算出小目标,由于杂波区很大,可能会存在于目标的左右两侧,因此,此方法对于杂波中目标的检测效果要低于在大目标处的效果[5]。通过加权算法,脉压主瓣点的相位存在一个平坦区,而其余地方相位会出现极大的跳变,即目标主瓣的相位跳变是缓慢的,而副瓣的跳变是剧烈的。可据此判断目标的存在与否。但这种算法会带来新的虚警(取决于个位门限),但会将漏警率大大减小,此时,可以通过逻辑的方法将之消除[6]。
非线性调频信号及相位编码信号满足本文相位检测的前提条件,因此,非线性调频信号可以利用相位检测的方法。未采用脉压技术的信号波形不适用于本算法,但可用超采样技术,获得相位差分值。相位信息的有效性受噪声影响极严重[7],这是由于噪声将会对信号矢量造成干扰使之偏离了初始指向,因此,会带来相位失真[7-8]。该算法的抗噪声性能有待于进一步分析。根据试验仿真,一般信噪比不应低于7 d B。
参考文献:
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[4]PROAKIS J G,SALEHI M,BAUCH G.现代通信系统:MATLAB版[M].2版.刘树棠,译.北京:电子工业出版社,2005.
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[6]CARLSON B D,EVANS E D,WILSON S L.Search Radar Detection and Track with the Hough Transform,Part I:System Concept[J].IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems,1994,30(1):102-108.
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[8]唐小文,李荣锋,戴凌燕,等.自适应副瓣对消与动目标检测的联合使用[J].雷达科学与技术,2014,14(3):273-278.
