第四讲_雷达杂波

雷达海杂波概述Lewis B.Wetzel13.1 引言就一部正在任务的雷达而言，海外表对发射信号的后向散射经常严重地限制了其对舰船、飞机、导弹、导航浮标以及其他和海外表同在一个雷达分辨单元的目的的检测才干。

这些搅扰信号普通被称为海杂波或海外表回波。

由于海外表对雷达来说是一个静态的、不时变化的平面，因此对海杂波的看法不只要寻求一个适宜的模型来描画海外表的散射特性，而且还要深化了解陆地的复杂运动。

幸运的是，在遥感范围内，雷达和陆地学间的联络日益亲密，并已积聚了少量关于海外表散射，以及这些散射是如何与陆地变化相关的有用资料。

在各种雷达参数和环境要素的条件下，直接测量它们对雷达回波的影响，然后依照阅历来描画海杂波的特征似乎是一个复杂的效果。

与雷达或其任务配置相关的参数，如频率、极化方式、分辨单元尺寸和入射余角〔擦地角〕均可由实验者指定，但是环境要素那么全然不同。

这有两个缘由：首先，不清楚哪些环境要素重要。

例如，风速无疑会影响海杂波电平，但是舰船风速计读数和海杂波间的关系并不完全相符。

海外表的搅动形状〔海外表形状〕对海外表散射特性看起来似乎有很大的影响，但这仅是客观的量度，它与外地盛行的天气间的关系通常是不确定的。

其次，人们还发现，所测得的风速与其构成的海浪〔形成杂波的海浪〕有关，而空气和海外表的温度能影响这种关系。

可是，在过去海杂波测量的历史中，这些影响的重要性并没有失掉人们的注重，因此很少记载下空气和海外表的温度。

即使人们曾经看法到某个环境参数的重要性，但是要在实践的陆地条件下准确测量这个要素通常也是十分困难的。

并且要树立恣意一种具有实践意义的海杂波统计模型，还须从不冰封的陆地环境中搜集足够多的各种参数条件下的测量结果，这也遭到实践能够性和经费的限制。

因此，大家不用对海杂波某些特征定义的不完全感到惊讶。

在20世纪60年代末之前，绝大少数的海杂波数据都是从独立的实验中一小段一小段搜集起来的，它们的真实性通常不强或不片面〔可查阅以往的著作，如Long[1]，Skolnik[2]或Nathanson[3]〕。

雷达基础知识：杂波
雷达中的“杂波”通常表示不需要的回波，包括来自地面及建筑物、海洋、雨雪天气、鸟群昆虫等。

虽然这些杂波功率有时会比目标的回波还要强的多，这就使得雷达对目标回波的检测产生了很大的检测困难。

通过天线主瓣进入雷达的杂波称为主瓣杂波，否则称为旁瓣杂波。

杂波通常是随机的，具有类似热噪声的特性。

由于杂波强度往往要比接收机内部噪声大，雷达在强杂波背景下检测目标的能力主要取决于信号杂波比(信杂比SCR)。

杂波通常在一定的空间范围内分布，其物理尺寸比雷达分辨单元要大的多，常分为两大类：面杂波和体杂波。

当然，也有“点”或离散的杂波，例如电视塔、建筑物等特殊结构。

说到“杂波”，你可能想到的就是如何去抑制它，去减少它在雷达回波中的分量，在很多情况是这样的。

但自然环境中的雷达回波并非都是不希望的，我们也可以加以利用。

例如，气象雷达和合成孔径雷达等。

云雨的反射对飞机雷达来说是不希望，但气象雷达喜欢，可以用来测量降雨率，提升天气预报的准确性。

地面上的后向散射杂波或许会干扰很多地面雷达和机载雷达，但是合成孔径雷达喜欢，通过对不同地物回波的分析，可以掌握大量的
信息。

因此，同一种自然环境的回波在一种应用中是不需要的杂波，而在另一种应用中可能就是提取的关键信号。

杂波与雷达目标的回波相似，杂波功率也可以用杂波散射截面积(RCS)来描述，杂波的平均RCS为：
杂波散射系数无量纲，它与雷达系统参数有关，例如雷达波长、极化特性，照射区域和照射方向等；地杂波还与地表面的参数有关，例如地面形状、粗糙度、覆盖层的复介电常数等；海杂波与风速、风向和海面蒸发等参数有关。

雷达杂波抑制关键技术研究摘要：针对防空系统雷达强杂波背景下雷达弱小目标检测问题，在分析传统杂波抑制存在的问题的基础上，梳理了杂波图CFAR检测、检测跟踪联合处理、智能杂波抑制等关键技术，并简要分析其原理及技术途径，并对雷达杂波抑制技术发展趋势进行分析。

关键词：强杂波；CFAR；目标检测1 引言基于雷达信息的探测感知是现代信息化战争中武器装备的核心关键能力，随着低空突防、隐身突防、电磁干扰手段的普遍使用，造成雷达探测感知能力的急剧下降，进而导致防空武器系统的作战效能严重下降。

雷达通过向目标辐射电磁波，然后接收从目标反射回来的电磁波信号，再通过先进的信号处理技术，将有用目标信号从杂波和干扰中提取处理，进而完成目标检测、位置估计、分类识别等功能。

巡航导弹等低空目标可通过超低空自主飞行，利用地球曲率限制或复杂的地理环境实施攻击，雷达对其进行探测时，面临严重的地海杂波问题，为保证武器系统对低空目标的有效作战能力，必须解决强杂波背景下低小慢目标探测问题。

2 强杂波背景下目标检测面临的问题当前，雷达探测面临复杂的地理环境，导引头下视探测以及地基雷达低空或下视探测时不可避免会受到地理环境的制约以及地海杂波干扰。

这些背景杂波强度大，按照实际的测量可得，幅度最强的地杂波可比系统内部的噪声大70 dB 以上。

另外由于地貌变换（如山区）、地表反射特性变化、离散强杂波点等使得杂波出现严重的非均匀/非平稳现象等，给杂波抑制等来严重挑战。

雷达杂波抑制技术经多年发展，目前常用的处理方法主要包括MTI、MTD、PD、STAP及相应的改进设计等，同时也提出了多种目标检测方法，包括CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR、OS-CFAR等。

然而，由于当前雷达系统处理中环境的认知有限，杂波抑制滤波器的选择和设计缺乏针对性，目标检测处理仍主要采取针对均匀平稳杂波的方法，多数情况下不满足实际情况，使得杂波剩余较强，目标检测困难。

3 杂波抑制主要关键技术3.1 杂波图CFAR检测技术利用恒虚警检测[1]方法，对杂波背景功率的估计大致有两类，一类是空域检测技术，也称为距离恒虚警检测技术，它将邻近参考单元处理器的输出均值作为检测门限的背景值，主要应用在杂波分布比较均匀的雷达杂波背景中。

1.雷达系统中杂波信号的建模与仿真目的雷达的基本工作原理是利用目标对雷达波的散射特性探测和识别目标。

然而目标存在于周围的自然环境中,环境对雷达电磁波也会产生散射,从而对目标信号的检测产生干扰，这些干扰就称为雷达杂波。

对雷达杂波的研究并通过相应的信号处理技术可以最大限度的压制杂波干扰，发挥雷达的工作性能.雷达研制阶段的外场测试不仅耗费大量的人力、物力和财力，而且容易受大气状况影响,延长了研制周期。

随着现代数字电子技术和仿真技术的发展,计算机仿真技术被广泛应用于包括雷达系统设计在内的科研生产的各个领域，在一定程度上可以替代外场测试，降低雷达研制的成本和周期。

长期以来，由于对杂波建模与仿真的应用己发展了多种杂波类型和多种建模与仿真方法。

然而却缺少一个集合了各种典型杂波产生的成熟的软件包，雷达系统的研究人员在需要用到某一种杂波时，不得不亲自动手，从建立模型到计算机仿真,重复劳动，造成了大量的时间和人力的浪费.因此，建立一个雷达杂波库，就可以使得科研人员在用到杂波时无需重新编制程序,而直接从库中调用杂波生成模块,用来产生杂波数据或是用来构成雷达系统仿真模型，在节省时间和提高仿真效率上的效益是十分可观的。

从七十年代至今已经公布了很多杂波模型，其中有几类是公认的比较合适的模型。

而且，杂波建模与仿真技术的发展己有三十多年的历史,己经有了一些比较成熟的理论和行之有效的方法，这就使得建立雷达杂波库具有可行性。

为了能够反映雷达信号处理机的真实性能，同时为改进信号处理方案提供理论依据,雷达杂波仿真模块输出的杂波模拟信号应该能够逼真的反映对象环境的散射环境。

模拟杂波的一些重要散射特性影响着雷达对目标的检测和踉踪性能,比如模拟杂波的功率谱特性与雷达的动目标显示滤波器性能有关;模拟杂波的幅度起伏特性与雷达的恒虚警率检测处理性能有关。

因此，杂波模拟方案的设计是雷达仿真设计中极其重要的内容,杂波模型的精确性、通用性和灵活性是衡量杂波产生模块的重要指标。

机载相控阵雷达杂波及干扰抑制技术研究当机载相控阵雷达工作在下视状态进行运动目标检测时,会收到功率很强的杂波,这些杂波会降低机载相控阵雷达的运动目标检测性能。

空时自适应处理(Space-Time Adaptive Processing,STAP)技术通过空域和时域的二维联合处理,在保证目标增益一定的情况下抑制杂波,提高机载相控阵雷达的动目标检测性能。

常规的STAP需要由满足独立同分布的训练样本来估计待处理单元的杂波协方差矩阵,并且为了保证STAP的性能,训练样本的数量要大于系统自由度的两倍,然而,非均匀环境中的训练样本通常并不满足独立同分布条件,这就会引起STAP的性能下降。

此外,转发式干扰也会污染STAP的训练样本,使得STAP的性能下降。

转发式干扰还会引起虚警,并抬高目标检测的门限,导致雷达系统的目标检测性能下降。

如何有效抑制非均匀环境中的杂波和干扰是机载相控阵雷达的一个重要研究课题。

本文针对以上问题展开研究,具体内容如下。

1.研究了道路密集环境中的STAP。

主波束中的车辆回波信号会污染STAP的训练样本,导致STAP时目标自相消,引起漏警。

针对这一问题,我们提出一种基于道路信息的知识辅助STAP方法。

本方法首先根据主波束中道路相对于雷达的位置估计道路上车辆相对于雷达的径向速度;然后得到可能含有主波束车辆回波信号的距离-多普勒单元;接着根据训练样本与杂波导向矢量和主波束内道路导向矢量的匹配程度判断这些训练样本是否包含主波束车辆回波信号;最后在进行STAP估计杂波协方差矩阵时剔除被主波束车辆回波信号污染的训练样本。

所提方法利用先验道路信息改进STAP性能,解决了道路密集环境中训练样本被车辆信号污染的问题。

可以防止STAP时由主波束车辆回波信号引起的目标自相消现象的发生,从而改进雷达的动目标检测性能。

2.研究了基于先验地型和高程数据的STAP。

非均匀环境中用于估计STAP杂波协方差矩阵的训练样本可能与待处理单元的杂波具有不同的分布特性,这就会引起所估计的杂波协方差矩阵不准确,从而导致STAP性能下降。

机载相控阵雷达杂波及干扰抑制技术研究机载相控阵雷达杂波及干扰抑制技术研究引言：相控阵雷达是一种将大量天线阵列组合使用，通过改变波束指向实现快速目标探测和跟踪的先进雷达技术。

然而，随着时间和距离的增加，相控阵雷达所接收到的信号会受到众多杂波和干扰信号的影响，影响雷达系统的性能。

因此，研究机载相控阵雷达杂波及干扰抑制技术对于提高雷达的弱目标探测性能和抗干扰能力具有重要意义。

一、机载相控阵雷达杂波抑制技术1. 杂波的来源和特点杂波是指雷达接收到的非期望信号，主要来源于地面反射、气象条件、环境噪声等。

杂波的存在极大干扰了雷达接收到的目标信号，降低了雷达系统的灵敏度和探测距离。

因此，杂波抑制成为机载相控阵雷达研究中的重要方向。

2. 空时抗干扰技术空时抗干扰技术通过设计相控阵天线阵列结构和优化波束形成算法来提高系统的抗杂波能力。

常用的方法包括剔除目标后方杂波、通过波束自适应控制增加对目标的接收增益等。

3. 时频分析技术时频分析技术通过将雷达接收到的信号进行时域和频域分析，识别出杂波信号和目标信号的不同特征，从而实现对杂波的抑制。

常用的方法包括小波变换、短时傅里叶变换等。

二、机载相控阵雷达干扰抑制技术1. 干扰信号的特点和分类干扰信号是指非目标信号中的有害信号，可以是有意的敌对干扰，也可以是无意的干扰，如杂散辐射等。

干扰信号的特点是其功率往往远高于目标信号，且频谱位置相邻。

基于这些特点，进行干扰抑制的关键是对干扰信号进行准确的识别和消除。

2. 空时域干扰抑制技术空时域干扰抑制技术主要通过相控阵雷达的天线相位调控和波束形成算法来减小对干扰的敏感度。

常用的方法包括差波束法、信号子空间法等。

3. 频域干扰抑制技术频域干扰抑制技术基于干扰信号和目标信号在频域上的差异，通过设计相应的滤波器和算法来实现对干扰信号的抑制。

常用的方法包括频域采样插值法、相关滤波法等。

结论：机载相控阵雷达杂波及干扰抑制技术是提高雷达系统性能的重要途径。

雷达杂波抑制方法有多种，包括消原理、数字对消器设计、空时自适应处理技术等。

1. 消原理利用固定目标、地杂波等与运动目标处于同一距离单元时，前者的回波通常较强，以至于运动目标
的回波被淹没其中。

通过将同一距离单元在相邻重复周期内的脉冲做相减运算，可以消除固定目标回波和慢速运动的杂波，保留运动目标回波。

2. 数字对消器设计本质上是数字滤波器，根据所设计滤波器的幅频响应特性，可以滤除相应频率的信号分
量。

常用的MTI滤波器为延迟线对消器，根据对消次数的不同，可分为单延迟线对消器、双延迟线对消器和多延迟线对消器。

其中，单延迟线对消器结构简单，性能较差；双延迟线对消器性能较好，但结构复杂；多延迟线对消器性能最好，但结构最复杂。

3. 空时自适应处理技术是一种优化的处理方法，在空时二维域联合处理，能够在杂波处自适应地形成深凹
口，从而滤除杂波，获得较高的输出信杂噪比(SCNR)。

此外，还有一些新的方法，如基于面阵的特征值分解法、基于Hankel矩阵的SVD方法以及海杂波距离相关抑制法等。

在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的雷达杂波抑制方法。