CN101937075A - 船用导航雷达的信号处理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用导航雷达的信号处理方法和系统，以解决现有技术中雷达杂波干扰抑制可靠性较低的问题。本发明的船用导航雷达的信号处理方法包括：将雷达采集的模拟信号转换为数字信号；对所述数字信号进行杂波抑制然后输出。采用本发明的技术方案，有助于提高雷达杂波干扰抑制的可靠性。

Description

船用导航雷达的信号处理方法和系统

技术领域

本发明涉及船用雷达技术，特别地涉及一种船用导航雷达的信号处理方法和系统。

背景技术

雷达是用来发现目标并对目标定位的电磁系统。船载导航雷达作为航海船舶必备的导航设备之一，从模拟雷达到数字雷达已经发展了几十年，并普遍安装在各类型船舶上。数字信号处理技术和嵌入式技术发展到今天，给雷达技术的发展带来了新的契机。相对于模拟雷达，数字化雷达具有性能好、功能全、操作方便等优势。利用数字信号处理技术实现雷达信号处理算法更简易、更灵活、更高效。基于高速的数字信号处理器，可以非常高效的对雷达回波信号进行采样和处理，对杂波进行抑制，对目标信息进行提取。并且，利用数字信号处理技术实现的效果明显优于模拟实现方式。

目前雷达很多杂波抑制是通过模拟电路来实现的，比如雨雪抑制、海浪抑制是分别用硬件构建抑制电路。例如：雨雪特别是暴雨能在雷达荧光屏上形成较强的干扰杂波，杂波呈现棉絮状回波亮斑，无明显边缘，在其覆盖区目标回波很难被观测到。抗雨雪干扰电路能有效抑制雨雪干扰，但对目标回波也同样抑制，该电路实际是在视频回波放大电路中接入一个快时间常数的微分电路，也称FTC电路，由于雨雪反射的干扰回波脉冲很窄，经微分后仅剩极窄的尖脉冲，因此不能被显示出来，而目标回波较宽，经微分后仍有一定宽度，可以被显示，但会减弱，若是小物标回波则同样会被抑制掉。抑制的程度由显示器面板上“雨雪干扰抑制”钮来确定，以只去掉雨雪干扰而不丢失物标回波为好。

现有硬件电路搭建的杂波干扰抑制电路，属于模拟电路。模拟电路受时间、环境温度、湿度、振动等外界条件的影响较大。同时，这些模拟电路绝大多数是由分立元器件构成的，电路较复杂，可靠性较低。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种船用导航雷达的信号处理方法和系统，以解决现有技术中雷达杂波干扰抑制可靠性较低的问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种船用导航雷达的信号处理方法。

本发明的船用导航雷达的信号处理方法包括：将雷达采集的模拟信号转换为数字信号；对所述数字信号进行杂波抑制然后输出。

进一步地，将雷达采集的模拟信号转换为数字信号包括通过模数转换(ADC)把雷达采集的模拟信号转换为数字信号。

进一步地，所述杂波抑制包括对雷达回波脉冲进行脉冲累积，以及对脉冲累积的结果进行雨雪抑制、海浪抑制或噪声抑制。

进一步地，所述雨雪抑制的步骤中采用恒虚警率算法，雨雪抑制参数为恒虚警率门限因子。

进一步地，所述海浪抑制的步骤中根据如下公式进行计算：StcOut[StcIndex]＝StcIn[StcIndex]-logdata[StcIndex]×StcParameter；其中，StcIndex表示向量变量，StcOut表示海浪抑制输出，StcIn表示海浪抑制输入，logdata表示对数向量，StcParameter表示海浪抑制参数。

进一步地，所述噪声抑制的步骤中采用中值滤波算法。

为实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种船用导航雷达的信号处理系统。

本发明的船用导航雷达的信号处理系统包括：模数转换装置，用于将雷达采集的模拟信号转换为数字信号；处理输出装置，用于对所述数字信号进行杂波抑制然后输出。

进一步地，所述模数转换装置为模数转换(ADC)。

进一步地，所述处理输出装置中包括现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)。

进一步地，所述现场可编程门阵列(FPGA)中包含先入先出队列(FIFO)，用于实现所述模数转换装置输出的数据到所述DSP之间的数据缓存。

根据本发明的技术方案，通过将雷达采集的模拟信号转换为数字信号以及对所述数字信号进行杂波抑制然后输出，系统可控性和抗干扰性能好，提高了雷达杂波干扰抑制的可靠性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例中的船用导航雷达的信号处理方法的示意图；

图2是根据本发明实施例的船用导航雷达的信号处理系统的基本结构的示意图；

图3是根据本发明实施例的船用导航雷达的信号处理系统的模块结构的示意图；

图4A、图4B和图4C依次为门限因子增大的雨雪抑制效果的示意图；

图5是STC增益示意图；

图6A、图6B和图6C依次为STC增益调节系数α增大的海浪抑制效果的示意图；以及

图7是根据本发明实施例中的中值滤波算法的计算机仿真结果的示意图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

图1是根据本发明实施例中的船用导航雷达的信号处理方法的示意图。如图1所示，本发明实施例中的船用导航雷达的信号处理方法主要包括如下步骤：

步骤S11：将雷达采集的模拟信号转换为数字信号。

步骤S12：对所述数字信号进行杂波抑制然后输出。

在步骤S11中，具体可以是通过模数转换(ADC)把雷达采集的模拟信号转换为数字信号。在步骤S12中，具体可以是先对雷达回波脉冲进行脉冲累积，然后根据需要，对脉冲累积的结果进行雨雪抑制、海浪抑制或噪声抑制。另外也可以依次采取上述三种算法中的多种算法，视具体情况而定，例如在下雨或下雪时采用雨雪抑制算法，在大风情况下采取海浪抑制算法。

图2是根据本发明实施例的船用导航雷达的信号处理系统的基本结构的示意图。本实施例中的船用导航雷达的信号处理系统可以采用图2所示的结构，包括模数转换装置21和处理输出装置22，其中模数转换装置用于将雷达采集的模拟信号转换为数字信号；处理输出装置用于对所述数字信号进行杂波抑制然后输出。

模数转换装置21可以采用ADC来实现。处理输出装置22中可以包括现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)。其中，FPGA中可以包含先入先出队列(FIFO)，用于实现模数转换装置21输出的数据到DSP之间的数据缓存。

图3是根据本发明实施例的船用导航雷达的信号处理系统的模块结构的示意图。在图3中，FPGA与DSP及控制总线、FIFO连接，DSP与数据地址总线连接，DA、运算放大器(运放)和AD串连，FIFO与AD连接，DA与数据地址总线连接。其他主要连接如图3中所示。在图3所示的系统中，通过ADC把模拟信视频号转换为数字信号，在FPGA内部开一个FIFO用来实现ADC采样数据到DSP之间的数据缓存，通过DSP来完成雷达的信号处理算法，包括各种杂波抑制算法，包括雨雪抑制、海浪抑制和同频干扰抑制，然后通过以太网向显示单元发送处理后数字视频数据。

其中，DSP可选用TI公司的TMS320C6416作为核心处理器，所有的杂波抑制算法都在DSP内实现。DSP外接EEPROM和SRAM。EEPROM存放程序代码用于DSP的bootloader，SRAM作为数据空间的扩展用于存储多次回波数据。雷达上单元发出的视频信号，经过80MHz的高速AD采样后送入FPGA内部的FIFO缓存，然后雷达根据处理情况读取FIFO中的采样数据。而雷达上单元发出的BZ、BP、TI等信号经过FPGA逻辑转换以后接到DSP的外部中断，DSP根据中断作相应的数据处理。FPGA作为DSP的辅助器件，协助DSP控制其外设器件。另外，在数字信号处理模块测试板上设置了串口(RS-232)模块和网卡模块用于调试和测试。

雷达杂波干扰一直以来都是雷达设计人员和使用人员最关心的问题之一。对于船用导航雷达来说，雨雪干扰、海浪干扰、雷达同频干扰和雷达内部噪声干扰都会对目标的检测识别带来不利影响，我们统称这些干扰信号为雷达杂波。

在雷达完成一次扫描的过程中，任何目标的回波脉冲一般都不止一个。通过将所有回波脉冲叠加的方式，就可以使雷达回波的信噪比增加，改善雷达检测性能。回波次数和雷达扫描率与雷达脉冲重复频率相关，并可以用式(1)计算出来：

其中θ_α是雷达波瓣宽度角，T_SG是扫描时间，f_r是雷达脉冲重复频率。返回脉冲数可以用(2)式描述：

$n_p=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{\α}}{f}_r}{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{scan}}}---\left(2\right)$

其中，θ_scan是雷达天线扫描率，单位是度/秒。将多次脉冲回波叠加的处理过程叫做雷达脉冲积累。脉冲积累在包络检波之前进行，这种积累方式叫做相关积累或者检波前积累。相关积累保留了回波脉冲中的相位关系，相反的是，在包络检波后进行脉冲积累就会破坏相位关系，这种积累被称为非相关或者检波后积累。非相关积累通常在包络检波之后进行，也被称为二次检波。非相关积累的效率不如相关积累，准确的说，非相关积累增益值比相关积累小。如果单个脉冲的信噪比不变，n个脉冲通过理想的相关积累器，信噪比可以提高n倍，而通过理想的非相关积累器，信噪比的改善却达不到n倍，这是因为检波器的非线性作用，使一部分信号能量在检波过程中转化为噪声能量，引起积累效率损失。

按照雷达的脉冲重复频率对VD信号的采样，可以得到每次回波的数据序列。相对于噪声和杂波而言，单一发射方向上目标在短时间内不会发生明显变化，因此通过将该方向上多次回波进行叠加求平均的方法实现脉冲积累。序列为s_l(t)+n_l(t)，脉冲积累的结果y(t)可用(3)式表示：

$y\left(t\right)=\frac{\underset{l=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(s_l\left(t\right)+n_l\left(t\right))}{N}---\left(3\right)$

在模拟雷达中，一般使用快速时间常数控制FTC电路抑制雷达回波中的雨雪杂波，提取雷达回波信号的上升沿，达到显示目标、抑制杂波的目的。在数字化雷达中，本实施例采用恒虚警率CFAR算法对雨雪杂波进行抑制，提高目标检测能力。雨雪抑制参数即CFAR门限因子，随门限因子的增大，雨雪抑制增强。图4A、图4B和图4C依次为门限因子增大的雨雪抑制效果的示意图。

从图4A、图4B和图4C可以明显的看出，随CFAR门限因子的增大，整个雷达显示区域内的回波信号幅度明显降低。未开启雨雪抑制之前的目标信号被大范围杂波淹没，以至于无法区分和观察，通过CFAR算法处理后，目标信号逐渐清晰的显示出来，雨雪杂波得到较好的抑制。

海浪杂波主要是雷达发射脉冲从船舶近距离的海面反射造成的，会影响到识别船体附近的真实目标。在模拟雷达中，一般使用灵敏度时间控制STC电路进行抑制。STC的基本思路是降低在较近距离内回波信号的增益，随距离的增加逐步提高增益。如图5所示，图5是STC增益示意图。

可以采用TMS320C6416为定点DSP，因为增益曲线为对数函数，若采用实时计算的方法则会消耗DSP大量的运算时间，为提高DSP性能，完成多种数字处理运算，在本实施例中采用查表的方法求取增益曲线。在STC函数中根据回波序号查表求得增益，对回波进行STC处理，具体方式为：StcOut[StcIndex]＝StcIn[StcIndex]-logdata[StcIndex]×StcParameter。其中，StcIndex表示向量变量，StcOut表示海浪抑制输出，StcIn表示海浪抑制输入，logdata表示对数向量，StcParameter表示海浪抑制参数。

随STC增益调节系数α的增大，海浪抑制增强。如图6A、图6B和图6C所示，图6A、图6B和图6C依次为STC增益调节系数α增大的海浪抑制效果的示意图。

从图6A、图6B和图6C中可以看出，和雨雪抑制不同的是，随STC增益调节系数的增大，雷达显示区域内靠近中心的回波信号幅度明显降低，图像中心附近的海浪杂波信号被有效抑制，同时，雷达中心附近的目标信号强度也出现一定程第四章数字信号处理模块的软件设计度的减弱。但是可以通过适当的调节STC系数，观察离中心较近的目标。海浪抑制的效果与操作人员的雷达使用经验有较大关系。

本发明实施例中采用中值滤波，是由于中值滤波在信号边缘保持上具有良好的特性，既可去除噪声又能保护信号边缘，对于信号的恢复具有较好的效果。

Tukey在1971年提出中值滤波算法，该算法具有良好的边缘保持特性和清除脉冲噪声的能力，在处理雷达回波中的脉冲噪声、保持回波特性方面有较好的效果，有利于在准确识别目标的同时保证目标距离的精确性。

例如：对于一个长度为L＝2N+1(N为正整数)的滤波窗口，设在第n时刻输入信号序列在窗口内的样点为x(n-N)…x(n)…x(n+N)。那么此时中值滤波的输出被定义为：y(n)＝med[x(n-N)…x(n)…x(n+N)]，其中med[]表示窗口内所有的数按从小到大的秩序排列后，取其中值的运算。中值滤波可以保护信号的边缘，使其不被模糊；当窗口的宽度为2N+1时，信号序列中宽度不大于N的脉冲便会被中值滤波清除。

图7是根据本发明实施例中的中值滤波算法的计算机仿真结果的示意图。如图7所示，本实施例中，分别采用不同大小的滤波窗口对回波信号进行中值滤波。其中，s(t)为原始信号，n(t)为加性高斯白噪声，回波信号为x(t)＝s(t)+n(t)。

从图7可以看出，中值滤波在滤除噪声的同时很好的保持了信号回波的边缘，这对于本发明实施例中实现中进行目标的识别和精确定位有很大帮助。

本发明实施例的技术方案可带来如下的有益效果：

可控性好，对于以DSP处理器为核心的数字系统而言，只要设计一个硬件平台，然后用各种软件来执行各种数字信号处理任务，当改变系统功能和性能时，只需要改变相应的软件或软件中的参数，数字系统受时间、环境温度、湿度、振动等外界条件的影响小得多；

抗干扰性能好，迅速发展的各种数字纠错编解码技术，能够在极为复杂的噪声环境中，正确的识别和恢复原有信号；

实现自适应算法，基于数字信号技术的自适应算法，可以根据确定的法则，实时改变系统参数，从而实现实时自适应。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种船用导航雷达的信号处理方法，其特征在于，包括：

将雷达采集的模拟信号转换为数字信号；

对所述数字信号进行杂波抑制然后输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将雷达采集的模拟信号转换为数字信号包括通过模数转换(ADC)把雷达采集的模拟信号转换为数字信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述杂波抑制包括对雷达回波脉冲进行脉冲累积，以及对脉冲累积的结果进行雨雪抑制、海浪抑制或噪声抑制。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述雨雪抑制的步骤中采用恒虚警率算法，雨雪抑制参数为恒虚警率门限因子。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述海浪抑制的步骤中根据如下公式进行计算：

StcOut[StcIndex]＝StcIn[StcIndex]-logdata[StcIndex]×StcParameter；其中，

StcIndex表示向量变量，StcOut表示海浪抑制输出，StcIn表示海浪抑制输入，logdata表示对数向量，StcParameter表示海浪抑制参数。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述噪声抑制的步骤中采用中值滤波算法。

7.一种船用导航雷达的信号处理系统，其特征在于，包括：

模数转换装置，用于将雷达采集的模拟信号转换为数字信号；

处理输出装置，用于对所述数字信号进行杂波抑制然后输出。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述模数转换装置为模数转换(ADC)。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述处理输出装置中包括现场可编程门阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述FPGA中包含先入先出队列(FIFO)，用于实现所述模数转换装置输出的数据到所述DSP之间的数据缓存。

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