基于MTI技術(shù)改善雷達(dá)識別目標(biāo)性能方法

摘要 為提高雷達(dá)對低空或海面快速運動目標(biāo)的檢測和連續(xù)跟蹤測量的能力，論述用基于MTI技術(shù)對固定目標(biāo)、海雜波進(jìn)行相位對消，以在最大程度上對其進(jìn)行衰減，使運動目標(biāo)的回波得以保留，從而實現(xiàn)對運動目標(biāo)的快速檢測與跟蹤測量。
關(guān)鍵詞 動目標(biāo)指示；目標(biāo)識別；脈沖對消器

1 多普勒處理和運動目標(biāo)指示概述
    多普勒處理是指對接收到來自某一固定距離單元、一段時間內(nèi)的信號進(jìn)行濾波或譜分析處理。一般來說，來自一個距離單元的慢時間信號的頻譜包含著噪聲、雜波以及一個或多個目標(biāo)信號。接收機(jī)噪聲在整個頻譜范圍內(nèi)均勻分布。雜波占據(jù)了譜的一部分。譜中以雜波作為主要干擾的部分通常稱為雜波區(qū)，以噪聲作為主要干擾的譜區(qū)稱為清潔區(qū)。雜波區(qū)和清潔區(qū)之間的過渡部分被定義為過渡區(qū)。在過渡區(qū)內(nèi)，噪聲和雜波都是主要的干擾源。靜止目標(biāo)出現(xiàn)在零多普勒頻率處，而運動目標(biāo)出現(xiàn)在譜的任何位置，這個位置取決于目標(biāo)相對于雷達(dá)的徑向速度。多普勒處理用于在多普勒域分離目標(biāo)和雜波信號。雜波信號可以被直接濾除，保留下來的目標(biāo)信號便成為最強(qiáng)的信號，或把多普勒譜直接計算出來，而位于雜波區(qū)外的目標(biāo)信號就可根據(jù)超過噪聲電平的頻率分量被檢測出來。
    運動目標(biāo)指示(MTI)是指完全在時域?qū)β龝r間信號進(jìn)行處理。而脈沖多普勒處理是指在多普勒域?qū)π盘栠M(jìn)行處理。MTI處理只需較低的運算量，但其獲得的信息較為有限。脈沖多普勒處理要求較大的運算量，但能獲得更多信息和更高的信干比。為便于把高速目標(biāo)從靜止目標(biāo)和相對低速的目標(biāo)中分離出來，以利于快速準(zhǔn)確捕獲和測量目標(biāo)運動參數(shù)，需要采用MTI+多普勒處理的方式對接收機(jī)所接收的信號進(jìn)行處理。

2 MTI的基本原理
    雷達(dá)接收到的由M個連續(xù)脈沖組成的回波信號，經(jīng)相干解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)形成的一個二維數(shù)據(jù)矩陣，此矩陣對應(yīng)雷達(dá)三維數(shù)據(jù)塊的一個二維水平切面。也就是說，對每個天線，相位中心都接收一個類似的數(shù)據(jù)矩陣。對于一個單孔徑天線系統(tǒng)或陣列天線的某一固定波束形成輸出，只能形成單個二維數(shù)據(jù)矩陣。
    二維數(shù)據(jù)矩陣中的每個列對應(yīng)于對一個脈沖的連續(xù)采樣，即連續(xù)的距離門。列中的每個元素都是一個復(fù)數(shù)，代表一個距離單元的實部和虛部分量。因此，二維數(shù)據(jù)矩陣中的每一行代表對同一個距離單元的一連串脈沖測量?？鞎r間或距離維的采樣率至少為發(fā)射脈沖的帶寬，因此其量級為幾百kHz到幾十甚至幾百MHz之間。慢時間或脈沖數(shù)維按雷達(dá)的脈沖重復(fù)間隔進(jìn)行采樣。因此慢時間維的采樣率為PRF，其量級為幾kHz到幾十kHz，有時達(dá)到幾百kHz。多普勒濾波是對矩陣的行數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。
    MTI處理器對慢時間數(shù)據(jù)序列執(zhí)行一個線性濾波處理，以抑制數(shù)據(jù)中的雜波分量。利用平臺運動和場景的幾何信息把雜波多普勒譜中心搬移到零多普勒譜頻率處。然后利用高通濾波完成雜波衰減，保留了位于多普勒清潔區(qū)中的運動目標(biāo)。MTI濾波和目標(biāo)檢測過程如圖1所示。

    經(jīng)過高通MTI濾波器的輸出成為一個新的慢時間信號，它包含噪聲以及可能存在的一個或多個運動目標(biāo)信號。此慢時間信號再經(jīng)過一個門限檢測器。如果MTI濾波輸出的信號幅度超過檢測門限，則表明目標(biāo)的存在。在MTI處理中只能給出目標(biāo)是否存在的判決信息，并沒有提供任何關(guān)于目標(biāo)多普勒頻率的估計信息，也沒有提供目標(biāo)徑向運動方向的正負(fù)號信息。也就是說，它能夠判斷目標(biāo)的存在，但不能確定目標(biāo)多普勒頻率的大小和方向。而且，它也不能提供目標(biāo)存在的數(shù)目信息。如果多個運動目標(biāo)同時存在于某個特定距離單元的慢時間信號中，MTI處理結(jié)果也僅給出“目標(biāo)存在”的判決。另一方面，MTI處理簡單、運算量較低。盡管處理形式簡單，但一個精心設(shè)計的MTI處理器還是能夠使信雜比(SNR)改善幾dB到20dB。對于某些雜波環(huán)境，如海雜波影響強(qiáng)烈的區(qū)域，甚至能改善更多。

3 MTI設(shè)計的主要任務(wù)與仿真分析
    MTI設(shè)計的主要任務(wù)是選擇所要使用的特定濾波器。典型的MTI濾波器是一個低階、簡單的形式。實際上，許多普通的MTI濾波器都是基于簡單的探索式設(shè)計方法。假設(shè)一個固定雷達(dá)照射一個被理想靜止雜波包圍的運動目標(biāo)。對于每個脈沖，其回波信號中的雜波分量都相同，而運動目標(biāo)分量的相位會隨距離的變化而改變。對連續(xù)脈沖對的回波進(jìn)行相減，就可以完全對消雜波分量，而目標(biāo)信號由于其相位的改變，通常不被對消掉或不被完全對消掉。因此，實現(xiàn)MTI的關(guān)鍵是設(shè)計合適的脈沖對消器。
3．1 脈沖對消處理原理
    當(dāng)固定目標(biāo)、海雜波與運動目標(biāo)處于同一距離單元時，前者的回波通常較強(qiáng)，以至于運動目標(biāo)的回波被“淹沒”其中，故必須設(shè)法對二者進(jìn)行區(qū)分。因固定目標(biāo)回波中的多普勒頻率為零，慢速運動的雜波中所含的多普勒頻率也集中在零頻附近，它們的回波經(jīng)相位檢波后，輸出信號的相位將不隨時間變化而變化或僅隨時間作緩慢變化，反映在幅度上則為其幅度不隨時間變化而變化或隨時間緩慢變化。相反，運動目標(biāo)回波經(jīng)相位檢波輸出后，因其相位隨時間變化較大，反映在幅度上也是其幅度隨時間變化而變化。因此，若將同一距離單元在相鄰重復(fù)周期內(nèi)的相位檢波輸出作相減運算，則固定目標(biāo)回波將被完全對消，慢速雜波也將得到很大程度的衰減，只有運動目標(biāo)回波得以保留。顯然這樣便可將固定目標(biāo)、慢速雜波與運動目標(biāo)區(qū)別開。這就是MTI對消的基本原理。
3．2 脈沖對消器
    為便于對脈沖對消器的基本原理進(jìn)行理解，下面分別以二脈沖對消器和三脈沖對消器為例進(jìn)行分析。圖2為二脈沖對消器的流程圖。

    圖2中，輸入數(shù)據(jù)為對同一距離單元連續(xù)脈沖采樣的基帶復(fù)數(shù)據(jù)序列。x[n]是一個離散時間序列，其有效采樣時間間隔t等于脈沖重復(fù)間隔。此線性有限沖激響應(yīng)濾波器的系統(tǒng)函數(shù)為H(z)=1-z-1。把z=ej2πft代入系統(tǒng)函數(shù)中，得到以模擬頻率F為變量的頻率響應(yīng)函數(shù)，即
   
    式(1)中，二脈沖對消器確實在零多普勒頻率處起到了抑制雜波能量的作用，使得運動目標(biāo)的譜分量或被部分衰減，或被放大，被衰減或被放大最終取決于譜分量在多普勒軸中的準(zhǔn)確位置。
    二脈沖對消器是一個簡單的濾波器。它的實現(xiàn)不需乘法運算，每一個輸出采樣只需一次減法運算。然而，與理想的高通濾波器相比，它只是近似，但效果差。二脈沖對消器的一個常規(guī)改進(jìn)就是三脈沖對消器，由兩個二脈沖對消器級聯(lián)得到。圖3給出了二脈沖／三脈沖對消器歸一化頻率響應(yīng)，三脈沖對消器能夠明顯地改善零多普勒附近的凹口寬度，但并不能改善非零多普勒頻率處運動目標(biāo)的響應(yīng)。三脈沖對消器的每一個輸出采樣只需兩次減法運算。

    盡管結(jié)構(gòu)簡單，但對于具有中等到較高脈沖相關(guān)性的雜波，二脈沖和三脈沖對消器是有效的。通過對雜波序列進(jìn)行仿真研究可以得出以下結(jié)論：一個白噪聲序列通過一個具有高斯功率譜的低通濾波器，在歸一化頻率上的標(biāo)準(zhǔn)差為整個頻譜寬度的5％。雜波序列通過二脈沖對消器后，其功率衰減了13．4dB，而對于三脈沖對消器，輸出功率衰減了21．9dB。
3．3 系統(tǒng)仿真分析
    基于Matlab的雷達(dá)系統(tǒng)仿真框圖，如圖4所示。由于本系統(tǒng)只為仿真雷達(dá)系統(tǒng)處理部分，輸入的是中頻段回波。雷達(dá)發(fā)射采用線性調(diào)頻信號，回波信號中包括2個速度為50 m／s和110 m／s運動目標(biāo)回波，一個固定目標(biāo)的回波用來檢驗MTI性能，信號淹沒在系統(tǒng)噪聲當(dāng)中。接收信號首先經(jīng)過數(shù)字正交解調(diào)得到I，Q兩路信號，分別對這兩路信號進(jìn)行頻域脈沖壓縮處理，之后進(jìn)行一次二脈沖對消，將對消后的信號進(jìn)行多普勒濾波。濾波后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理就可得到速度和距離信息。

    圖5是正交解調(diào)后的波形，這時的信號脈沖和噪聲混疊在一起無法分辨出有用信息。

    由圖6可見，在接收信號進(jìn)行脈沖對消之前，運動信號與固定目標(biāo)和噪聲幅值大小難以區(qū)分，而經(jīng)過MTI處理后，多數(shù)干擾被抵消掉，運動目標(biāo)清晰的顯示出來。對這樣的信號進(jìn)行多普勒濾波可以得到正確的目標(biāo)信息。

    圖7是沒有經(jīng)過MTI處理的多普勒濾波結(jié)果，從圖中可以看出，接收回波中的固定目標(biāo)被誤判為低速運動目標(biāo)。

    圖8顯示的是經(jīng)過MTI處理的多普勒濾波結(jié)果，與圖7相比，固定目標(biāo)經(jīng)脈沖對消處理后被抵消，得到正確的運動目標(biāo)信息。經(jīng)計算速度信息有1．4％的誤差，如果增加濾波器的組數(shù)，可以減小速度誤差。MTI技術(shù)在雷達(dá)目標(biāo)的識別、探測和跟蹤過程中起著關(guān)鍵的作用。

4 MTI技術(shù)運用實際
    為改善復(fù)雜海雜波條件下雷達(dá)捕獲被測目標(biāo)的性能，某新型脈沖雷達(dá)采用4個二脈沖對消器級聯(lián)的方式來消除海雜波對被測目標(biāo)回波信號的影響。經(jīng)過230 h對海雜波的特性錄取和分析，提取出海雜波的平均多普勒功率譜，并以此作為門限，可極大地提高在強(qiáng)雜波干擾條件下捕獲并連續(xù)跟蹤被測目標(biāo)的概率。對于徑向速度>3m·s-1的目標(biāo)，可達(dá)到99．9％以上的捕獲概率。

5 結(jié)束語
    在監(jiān)視雷達(dá)或測量雷達(dá)中引入MTI技術(shù)，可在較大程度上衰減固定目標(biāo)回波和雜波，從而大大改善運動目標(biāo)回波信號的強(qiáng)度，使運動目標(biāo)從固定目標(biāo)和雜波中分離出來，這樣雷達(dá)就可以快速發(fā)現(xiàn)外來運動目標(biāo)，并對其進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的跟蹤測量。