基于最小功率準(zhǔn)則的自適應(yīng)MTI濾波器的設(shè)計(jì)

摘要 在雷達(dá)接收回波信號(hào)過程中，雜波信號(hào)的存在對(duì)有用信號(hào)的檢測(cè)和提取會(huì)產(chǎn)生干擾。因此，必須抑制雜波。文中提出了一種基于最小功率準(zhǔn)則的自適應(yīng)MTI濾波器的設(shè)計(jì)，通過仿真波形看出，該方法可以有效地抑制動(dòng)雜波。

現(xiàn)代雷達(dá)面臨的任務(wù)日益復(fù)雜，這就要求提高雷達(dá)在復(fù)雜多變環(huán)境中的檢測(cè)性能，然而在雷達(dá)工作的過程中，可能會(huì)碰到諸如地物、海浪、云雨及敵人施放的金屬箔等雜波。雜波分為固定雜波和動(dòng)雜波。對(duì)于固定雜波，需要采用凹口位于零頻附近的濾波器來抑制。然而對(duì)于頻譜位置有相應(yīng)多普勒頻移的動(dòng)雜波，就需要濾波器的凹口對(duì)準(zhǔn)雜波平均多普勒頻率位置才能得到良好的抑制效果。

1 相關(guān)理論介紹

MTI技術(shù)是最早用于雜波抑制的技術(shù)之一。MTI的設(shè)計(jì)思路是使濾波器止帶凹口盡量對(duì)準(zhǔn)雜波譜的中心頻率。典型的MTI系統(tǒng)通常采用非遞歸的有限沖擊響應(yīng)(FIR)濾波器來實(shí)現(xiàn)對(duì)雜波的抑制，設(shè)輸入信號(hào)為x(t)，每級(jí)延遲線的延遲時(shí)間為Tr，則MTI濾波器的輸出為

通常用一次對(duì)消和二次對(duì)消來作MTI處理，但這樣的處理對(duì)靜止雜波有較好的效果，但對(duì)動(dòng)雜波的處理則不甚理想。隨著自適應(yīng)信號(hào)處理的發(fā)展，可用自適應(yīng)技術(shù)來設(shè)計(jì)最佳濾波器。本文采用最小功率準(zhǔn)則，自適應(yīng)估計(jì)雜波的中心頻率，使得濾波器的凹口對(duì)準(zhǔn)雜波的中心頻率從而達(dá)到抑制雜波的目的。

假定雜波比目標(biāo)和噪聲大得多，當(dāng)濾波器加權(quán)系數(shù)為最佳時(shí)，雜波被大量濾出，輸出主要為信號(hào)分量。但當(dāng)權(quán)系數(shù)不是最佳時(shí)，由于雜波沒有被大量濾出，而由于雜波強(qiáng)，則輸出總功率較大。所以只要保證輸出功率最小，就能使信號(hào)雜波比達(dá)到最大。

由圖1可以看出

2 多普勒相位估計(jì)補(bǔ)償?shù)腁MTI方法

基于以上雜波對(duì)消方法的缺點(diǎn)，文中介紹了一種基于最小功率多普勒相位系數(shù)補(bǔ)償對(duì)消的AMTI方法。首先，采用自適應(yīng)雙門限進(jìn)行雜波位置的判定，然后對(duì)所確定的雜波位置信號(hào)進(jìn)行雜波多普勒相位估計(jì)，最后采用最小功率準(zhǔn)則選擇雜波多普勒相位補(bǔ)償系數(shù)并進(jìn)行雜波的自適應(yīng)對(duì)消，實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

3 仿真結(jié)果

對(duì)上述理論進(jìn)行仿真，雷達(dá)參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)射信號(hào)波長0.1 m，脈沖重復(fù)頻率1 kHz，脈沖寬度42μs，帶寬2 MHz，雜波譜采用瑞利分布來描述，假設(shè)在雷達(dá)的探測(cè)范圍中都有強(qiáng)雜波的影響，而在距離16 km，30 km和80.25 km有3個(gè)動(dòng)目標(biāo)，其多普勒頻率分別為800 Hz，500 Hz和300 Hz。仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可以看出，目標(biāo)完全淹沒在強(qiáng)雜波中，如果僅用上述處理方法，很難檢測(cè)出目標(biāo)信號(hào)。

通過對(duì)圖3和圖4的對(duì)比，可以看出，最小功率準(zhǔn)則的AMTI處理可以有效地抑制強(qiáng)雜波，較好地檢測(cè)出了目標(biāo)信號(hào)。

假設(shè)在雷達(dá)的探測(cè)范圍里，分別在60 km和93 km處，有兩段雜波區(qū)，其寬度分別為39μs和20μs，其多普勒頻率分別為800 Hz和570 Hz，仿真結(jié)果如下所示。

通過圖5和圖6對(duì)比可知，在有兩段雜波區(qū)雜波抑制過程中，基于最小功率準(zhǔn)則的AMTI處理效果不明顯，而在整個(gè)雷達(dá)探測(cè)范圍里有強(qiáng)雜波的雜波抑制過程中，效果明顯。

通過式(2)看出，通過前一回波與后一回波與系數(shù)W相乘相消來達(dá)到抑制雜波的目標(biāo)的，系數(shù)W的作用相當(dāng)于將在雜波區(qū)已經(jīng)偏轉(zhuǎn)的相位重新偏轉(zhuǎn)回來，再相消從而抑制雜波。由于雜波是動(dòng)雜波，假設(shè)兩段雜波區(qū)的多普勒頻率為f1，f2，且均在回波信號(hào)的相位上，假設(shè)多普勒頻率給相位帶來的變化為φ1，φ2，即在回波信號(hào)在的相位分別偏轉(zhuǎn)了φ1，φ2。如圖7所示。

然而如式(5)所示，用前一回波和后一回波所有的點(diǎn)來計(jì)算W，假設(shè)W的相位為φW，當(dāng)后一回波與系數(shù)W相乘時(shí)，理想狀況是在雜波區(qū)使回波的相位分別偏轉(zhuǎn)φ1，φ2，這樣才能在前一回波的相消過程中消去雜波，然而W的求解注定其相位φw不可能在兩段雜波區(qū)分別為φ1和φ2，而只能為一個(gè)中間值，所以，得到了圖6的仿真結(jié)果。

要完全抑制雜波，通過上述分析可以得到啟示，如果能在兩段雜波區(qū)分別求出兩個(gè)系數(shù)，使其在雜波區(qū)一的相位為φ1，在雜波去二的相位為φ2，則在與后一回波相乘時(shí)，就可以使相位偏轉(zhuǎn)到所希望的位置，且可通過基于雜波多普勒相位估計(jì)補(bǔ)償?shù)姆椒▉砬蠼庀禂?shù)W。

由圖8可知，改進(jìn)后的AMTI算法可以較好地抑制雜波，效果良好。

4 結(jié)束語

在雷達(dá)接收回波信號(hào)的過程中，雜波信號(hào)的存在對(duì)有用信號(hào)的檢測(cè)和提取一直起著干擾的作用，所以必須抑制雜波，而動(dòng)目標(biāo)顯示(MT I)技術(shù)對(duì)靜止雜波有較好的抑制能力，但對(duì)動(dòng)雜波則顯得無能為力，采用自適應(yīng)技術(shù)則可有效抑制動(dòng)雜波。本文提出了一種抑制動(dòng)雜波的方法，并且給出了相應(yīng)的Matlab仿真波形，通過仿真波形可以看出，該方法可以有效地抑制雜波。