现代雷达系统分析与设计(陈伯孝)第6章

16.1概述6.2雷达杂波6.3MTI/MTD性能指标6.4动目标显示(MTI)6.5动目标检测(MTD)6.6杂波自适应控制6.7本章MATLAB程序及函数清单第6章杂波与杂波抑制2雷达工程师常用术语“杂波”表示自然环境中客观存在的不需要的回波。通常杂波的功率比目标回波强得多，“扰乱了”雷达工作，使得对目标回波的检测困难。杂波包括来自地面及地面建筑物体、海洋、天气(特别是雨)、鸟群，以及昆虫等的回波。6.1概述3雷达要探测的目标通常是运动着的物体，例如空中的飞机和导弹、海上的舰艇、地面的车辆等。但在目标的周围经常存在着各种背景，例如各种地物、云雨、海浪、地面的车辆、空中的鸟群等。这些背景可能是完全不动的，如山和建筑物；也可能是缓慢运动的，如有风时的海浪、地面的树木和植被、鸟群的迁徙等，一般来说，其运动速度较慢。这些背景所产生的回波称为杂波(有的教科书上也称为无源干扰或消极干扰)。杂波和运动目标回波在雷达显示器上同时显示时，由于杂波功率太强而难以观测到目标。4如果目标处在杂波背景内，弱的目标淹没在强杂波中，发现目标十分困难，即使目标不在杂波背景内，要在成片的杂波中很快地分辨出运动目标也是十分不容易的。区分运动目标和固定杂波的基础是它们在速度上的差别。其机理是利用目标回波和杂波相对雷达运动速度不同而引起的多普勒差异，通过滤波来抑制掉杂波信号，常用方法是动目标显示(MovingTargetIndicator，MTI)和动目标检测(MovingTargetDetection，MTD)。5雷达在动目标显示和动目标检测过程中可以使用多种滤波器滤除固定杂波而取出运动目标的回波，从而大大改善了在杂波背景下检测运动目标的能力，并且提高了雷达的抗干扰能力。为了减少接收的雷达回波中的杂波分量，采用的主要措施有：(1)把雷达安装在山上，增加雷达天线的倾角，安装防杂波网来阻止杂波进入天线；6(2)通过调整雷达天线的波束形式、降低雷达的分辨单元大小，从而减小杂波的功率；(3)在时域采用CFAR检测、杂波图来抑制杂波；(4)在频域应用MTI、MTD技术，抑制杂波的功率，提高信杂比；(5)地面雷达在低重频工作时，在接收机内采用STC抑制近程杂波(但是中、高重频时不能采用)。7本章首先介绍杂波的类型及其特征；然后主要介绍抑制杂波的MTI滤波器的设计方法；对于气象杂波，介绍杂波图的建立和自适应MTI滤波器的设计方法；介绍多种MTD滤波器的设计方法，并分析杂波抑制的性能；针对慢速目标介绍零多普勒处理方法；最后给出杂波产生、滤波器设计等的MATLAB仿真程序。8杂波被用来描述这样一类物体，即能够产生干扰雷达正常工作的非期望信号的雷达回波。通过天线主瓣进入雷达的寄生回波称为主瓣杂波，否则称为旁瓣杂波。6.2雷达杂波9杂波通常分为两大类：面杂波和体杂波。面杂波包括树木、植被、地表、人造建筑及海表面等散射的回波。体杂波通常指具有较大范围(尺寸)的云雨、鸟及昆虫等，一般教科书上也将金属箔条看做体杂波。杂波是随机的，并具有类似热噪声的特性，因为单个的杂波成分(散射体)具有随机的相位和幅度。在很多情况下，杂波信号强度要比接收机内部噪声强度大得多。10因此，雷达在强杂波背景下检测目标的能力主要取决于信杂比，而不是信噪比。白噪声通常在所有雷达距离单元内产生等强度的噪声功率，而杂波功率可能在一个距离单元内发生变化。杂波与雷达目标回波相似，与雷达利用目标的散射截面积σt来描述目标回波功率类似，杂波功率也可以利用杂波散射截面积σc来描述。杂波的散射截面积定义为由杂波区(面积为Ac)反射造成的等效散射截面积。11杂波的平均RCS由下式给出(6.2.1)其中，σ0(m2m2)为杂波散射系数，为一个无量纲的标量，通常以dB表示。实际上，散射系数与雷达系统参数(波长、极化、照射区域和照射方向)有关，对于地杂波还与地表面的形状、表面粗糙度、表层或覆盖层(趋肤深度之内)的复介电常数不均匀等地面实际参数有关，对于海杂波还与风速、风向和海面蒸发等参数有关。它的变化十分复杂，实际测量获得的曲线很少和理想曲线一样。126.2.1面杂波面杂波包括地杂波和海杂波，又被称为区域杂波。在机载雷达下视模式下，区域杂波会十分明显。对于地基雷达，当搜索低擦地角目标时，杂波是影响目标检测的主要因素。擦地角ψg是地表与波束中心之间的夹角，如图6.1所示。13图6.1擦地角的定义14影响雷达杂波散射系数的因素主要有：擦地角、表面粗糙度及其散射特性、雷达波长。一般来说，波长越短，杂波散射系数σ0越大。σ0与擦地角有关，图6.2描述了σ0与擦地角的关系示意图。根据擦地角的大小分为三个区域：低擦地角区、平坦区和高擦地角区。低擦地角区又称干涉区，在这个区域一般情况下散射系数随着擦地角的增加而迅速增加。在平坦区，杂波变化基本是缓慢的，以非相干散射为主，散射系数随擦地角的变化较小。高擦地角区，也称为准镜面反射区。该区域以相干的镜向反射为主，散射系数随擦地角增大而快速增大，并且与地面的状况(如粗糙度和介电常数)等特性有关。15图6.2杂波散射系数与擦地角的关系示意图16低擦地角的范围从0到临界角附近。临界角是由瑞利(Rayleigh)定义为这样的一个角度：低于此角的表面被认为是光滑的；高于此角的表面即可认为是粗糙的；在高擦地角区，σ0随擦地角增大的变化较大。设表面高度起伏的均方根值为hrms，根据瑞利准则，当式(6.2.2)满足时可认为表面是平坦的，即(6.2.2)17假设电磁波入射到粗糙表面时，如图6.3所示。由于表面高度的起伏(表面粗糙度)，“粗糙”路径的距离要比“平坦”路径长2hrmssinψg，这种路径上的差异转化成相位差Δj，即(6.2.3)当Δj＝π(第一个零点)，临界角ψgc(6.2.4)18或者等价地，(6.2.5)以海杂波为例，在不同海情下表面高度起伏的均方根值可近似为(6.2.6)19其中，Sstate为海情，海情包括海浪高度、周期、长度、海流速度和风速等。例如，Sstate＝3表示中等海情，在这种海情下，浪高大约在0.9144~1.2192m，海浪的周期为6.5~4.5s，波浪的长度为1.9812~33.528m，浪速为20.372~25.928kmh，风速为22.224~29.632kmh。20图6.3粗糙表面的定义21在低擦地角的杂波一般称为漫散射杂波，在此区域的雷达波束内有大量的杂波回波(非相干反射)。在平坦区域，σ0和擦地角的依赖关系较小；而在高擦地角区域，杂波更多的是镜面反射(相干反射)，此时漫散射杂波成分消失，这与低擦地角情形正好相反。221.机载雷达区域杂波的雷达方程考虑如图6.4所示的下视模式下的机载雷达。天线波束与地面相交的区域形成了一个椭圆形状的“辐射区”。辐射区的大小是关于擦地角和3dB波束宽度θ3dB的函数，如图6.5所示。辐射区被分为多个地面距离单元，每个单元的长度为即一个距离单元在地面的投影，这里c是光速，τ是脉冲宽度或脉压后的脉冲宽度。23图6.4机载雷达下视模式的主波束杂波区24图6.5辐射区的概念25由图6.5知，杂波区域的面积Ac(6.2.7)雷达从该杂波区接收到的杂波功率是(6.2.8)26其中，Pt是峰值发射功率，G是天线增益，λ是波长，σc＝σ0Ac为该杂波的RCS，下标c表示区域杂波。而从该区域接收到一个RCS为σt的目标的回波功率为(6.2.9)将式(6.2.9)除以式(6.2.8)就可以得到该距离单元的信杂比为(6.2.10)27［例6-1］考虑如图6.4所示的机载雷达。假设天线3dB波束宽度为0.02rad，脉冲宽度为2μs，目标距离为20km，斜视角为20°，目标RCS为1m2，并且假设杂波反射系数σ0＝0.0136m2m2。计算信杂比SCR。解由式(6.2.10)知，SCR为(SCR)c＝因此，为了可靠地检测目标，雷达应该增加其SCR至少到(32＋X)dB，其中X值一般为13dB至15dB，或者更高的量级。282.地基雷达区域杂波的雷达方程地基雷达的杂波包括从主瓣和旁瓣进入的杂波，因此RCS的计算可描述为(6.2.11)其中，σMBc是主瓣杂波RCS，σSLc是旁瓣杂波RCS，如图6.6所示。29图6.6地基雷达杂波几何关系图30为了计算式(6.2.11)给出的总的杂波的RCS，首先需要分别计算主瓣和旁瓣对应的杂波区域的面积。为了便于计算，设几何关系如图6.7所示。角度θA和θE分别表示方位和垂直维的3dB波束宽度；雷达高度(从地面到天线相位中心)由hr表示，目标高度由ht表示；目标斜距是R，其在地面上的投影为Rg；距离分辨率是ΔR，其在地面的投影为ΔRg；主瓣杂波区的面积由AMBc表示，旁瓣杂波区的面积由ASLc表示。31图6.7地基雷达杂波几何图(侧视图和下视图)32由图6.7可以导出如下关系：(6.2.12)(6.2.13)(6.2.14)33其中，ΔR是雷达距离分辨率，斜距R在地面的投影为(6.2.15)因此，主瓣和旁瓣对应的杂波区的面积为(6.2.16)(6.2.17)34假设雷达天线波束方向图函数G(θ)为高斯型，即(6.2.18)此时主瓣杂波和旁瓣杂波的RCS分别为(6.2.19)35和(6.2.20)其中，SLrms为天线旁瓣电平的均方根值。36最后，为了说明杂波RCS与距离之间的变化关系，可以把总的杂波RCS作为距离的函数来计算，由式(6.2.21)给出(6.2.21)其中，Rh是雷达到地平面的视线距离，为地球等效半径。根据雷达方程，在距离为R处的目标，雷达SNR为(6.2.22)37其中，Pt是峰值发射功率，G是天线增益，λ是波长，σt是目标RCS，k是波尔兹曼常数，T0是标准噪声温度，B是雷达工作带宽，F是噪声系数，L是总的雷达损耗。雷达的杂噪比CNR为(6.2.23)38［例6-2］MATLAB函数“clutter_rcs.m”：画出杂波RCS和CNR与雷达斜距之间的关系图，其输出包括杂波RCS(dBsm)和CNR(dB)。函数调用如下：function［sigmaC，CNR］＝clutter_rcs(sigma0，thetaE，thetaA，SL，range，hr，ht，pt，f0，b，t0，F，L，ant_id)其中，各参数定义如表6.1所述。39表6.1clutter_rcs.m参数定义40使用表6.1中参数设置，可以得到图6.8所示的杂波RCS和CNR与斜距的关系图。注意，在对应于主瓣与第一旁瓣间零点的擦地角，在非常近的距离会在杂波RCS上产生凹陷(dip)。41图6.8杂波RCS和CNR与斜距的关系图426.2.2体杂波体杂波具有较大的范围，包括云雨、金属箔条、鸟群和昆虫等的散射回波。体杂波散射系数通常用单位体积分辨单元内的RCS平方米的dB数表示(dBm2m3)。鸟、昆虫及其它飞行生物的回波被称为仙波(angelclutter)或生物杂波(biologicalclutter)。如前所述，金属箔条是敌方的一项ECM技术。它由大量具有大的RCS值的偶极子反射体组成。43早期的金属箔条由铝箔组成，然而近年来，多数金属箔条由表面具有导电性且刚性更好的玻璃纤维构成。当偶极子反射体长度L是雷达波长的一半时，由于谐振效应使得金属箔条具有非常大的RCS值。气象或雨杂波要比金属箔条杂波更容易抑制，因为雨滴可以被认为是理想的小球。44对散射特性处于瑞利区的雨滴，可以用理想小球的瑞利近似式来估计雨滴的RCS。若不考虑传播媒介的折射系数，雨滴的RCS的瑞利近似为(6.2.24)其中，k＝2π/λ，r为雨滴的半径。设η为每单位体积的RCS，它可用单位体积内所有独立散射体RCS的和来进行计算，(6.2.25)45其中，N是在单位体积内散射体的总数目。因此，分辨单元VW内的总RCS是(6.2.26)如图6.9所示的一个空间分辨单元的体积可以近似为(6.2.27)46其中，θa和θe分别是以弧度表示的天线方位和仰角波束宽度，τ为脉冲宽度，c是光速，R是距离。与式(6.2.8)类似，雷达接收到的气象杂波功率为(6.2.28)将式(