CN110703239A - 基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术，以相参接收机为基础，设计合理的信号处理流程，在不改变现有航海雷达的包括天线转速及脉冲重频的工作方式的前提下，利用数据缓存区，采用滑窗FFT的方法进行多普勒处理，形成一幅距离—多普勒二维图，并进行本船运动补偿以使静止目标位于零多普勒通道；然后进行自适应杂波抑制例如海杂波、雨杂波的动杂波；按照多普勒特征分别提取静止目标和运动目标并存储，最后利用双阈值检测和重叠双色图对静止和运动目标的回波图像进行分别调节和综合显示。本发明通过杂波自动抑制大幅度改善海杂波条件下的目标检测能力，并将高威胁的运动目标突出显示，充分发挥相参航海雷达的优越性能。
Description
技术领域：
本发明涉及雷达技术领域，具体涉及一种相参航海雷达信号处理技术。
背景技术：
航海雷达主要用于海上目标的探测与跟踪，辅助船舶导航避碰，保障航行安全。随着船舶航行环境的日益复杂，航海雷达的性能，特别是在海杂波条件下对周围目标的发现能力，直接关系到船舶航行安全与船上人员的生命安危。2004年起，国际海事组织(IMO)开始鼓励使用相参雷达，以在严重的海杂波条件下提高目标检测能力。
相参指雷达发射脉冲之间的初始相位具有确定性，是使用多普勒效应的前提。为了充分发挥相参雷达的优越性能，航海雷达必须设计相适应的信号处理算法与之结合。常规脉冲多普勒雷达的信号处理流程为：天线波束在某一位置驻留，驻留期间发射一串相参脉冲。对于每串相参脉冲，相参处理在每一个距离波门内形成一组多普勒滤波器，产生距离-多普勒图。进而对距离-多普勒单元进行检测，产生一组目标报告。波束在指定空域中进行栅格式的扫描，形成最终的目标检测输出。而现有技术的航海雷达采用固定转速为24或48r/min的机械扫描天线，无法在某一位置进行波束驻留，由于距离量程的需要，脉冲重复频率(PRF)多为500至2000Hz，而且天线波束较窄(通常为 0.8°或1.3°)，直接以N个脉冲为一组进行相参处理，会大幅度降低方位扫描精度。
航海雷达面临的杂波情形复杂多变，以海杂波为例，不同海况、风速和入射角等情况下的海杂波能量沿距离维和多普勒维的分布各不相同，有文献记载，根据斯托克斯的计算，最大可能，定常波的波峰呈120°角，如果再供给波以更多的能量，比如在较大风力的吹动下,它们便开始破碎(冒浪花)，这就更使得杂波的情形复杂，而且具有各向异性，难以采用经验公式。航海雷达要同时关注岛屿、浮筒等静止目标和船舶、小艇等运动目标，要求在获得多普勒信息以后，雷达可以区分两类目标并采用不同的处理方式。此外，相参航海雷达还需要将额外获取的目标多普勒信息以简明的方式显示给用户以辅助决策。
发明内容：
本发明的目的是，提供一种相参航海雷达，可以区分运动目标和静止目标两类目标并采用不同的处理方式，还需要将额外获取的目标多普勒信息以简明的方式显示给用户以辅助航行决策。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术，其特征是，以相参接收机为基础，设计合理的信号处理流程，在不改变现有航海雷达的包括天线转速及脉冲重频的工作方式的前提下，采用滑窗FFT 的方法进行多普勒处理，在每个脉冲的数据到来时均形成一幅距离—多普勒二维图，并进行本船运动补偿以使静止目标位于零多普勒通道；然后，利用临近扇区估计杂波特征并进行自适应杂波抑制，按照多普勒特征分别提取静止目标和运动目标并存储；最后利用双阈值检测和重叠双色图对静止和运动目标的回波图像进行分别调节和综合显示；所述信号处理流程具体是，雷达射频回波信号经过天线接收后进入相参接收机，经过相参接收机放大、下变频和滤波后成为中频信号，再由AD转换为数字信号，经过包括匹配滤波的距离维处理后存入数据缓存区；缓存区存储包含当前脉冲数据在内的一串相参脉冲数据进行相参处理，在每一个距离波门内形成一组多普勒滤波器，生成距离—多普勒图；再经由本船运动补偿模块校正零多普勒通道，并由杂波抑制模块来抑制例如海杂波、雨杂波的动杂波；进而在处理后的距离—多普勒图上进行运动和静止目标提取，在综合显示模块上分别完成运动、静止目标的处理和融合显示。
本发明能够使运动和静止目标均获得N倍相参积累得益(非相参积累改善近似于通过杂波自动抑制大幅度改善海杂波条件下的目标检测能力，并将高威胁的运动目标突出显示，充分发挥相参航海雷达的优越性能。
包括具备现有航海雷达天线以固定转速进行机械圆周扫描装置，利用相参接收机，设计合理的信号处理流程，提取目标多普勒特征，达到抑制杂波、提高小目标观测性能等目的，并通过对运动和静止目标分别进行单独处理和融合显示，在操作者界面实现目标的增强和突出显示。
按照以上设计思路，本发明能够使相参体制航海雷达获得比传统非相参体制更高的信号积累得益和杂波抑制能力，并利用多普勒特征实现目标在操作者界面的增强显示，充分发挥相参体制航海雷达的优越性能。
优选方案，航海雷达每个脉冲的回波数据经过包括匹配滤波的距离维处理后，存入数据缓存模块。数据缓存模块共存储N个脉冲的回波数据，每个脉冲的回波数据到来时，数据缓存模块首先以“先入先出”的方式对存储数据进行更新，然后进行数据重排输出，按照距离单元“由近及远”的顺序，将N个脉冲中对应同一距离单元的数据打包输出。
优选方案，本船运动补偿模块利用本船航向、速度和雷达波束指向计算静止目标所在的多普勒通道，并在“距离-多普勒”图中进行补偿。
优选方案，多普勒滤波器组用来实现对数据缓存模块输出数据的相参积累，并生成“距离-多普勒”图；滤波器组首先对数据进行加权处理(如汉宁窗)以压低副瓣，然后利用快速傅里叶变换(FFT) 计算每个多普勒通道对应的滤波器输出，进而通过线性检波
生成“距离-多普勒”图。
优选方案，杂波抑制模块利用临近扇区估计杂波在距离和多普勒维的能量分布特征并进行自适应抑制，使目标便于观测。
优选方案，目标提取模块对经过本船运动补偿和杂波抑制后的距离-多普勒图进行检测，遍历每个距离单元，提取零多普勒通道信号作为静止目标；提取非零多普勒通道上的最大值信号作为运动目标。
优选方案，综合显示对目标提取模块获取的运动和静止目标信息进行处理和显示。通过对运动目标和静止目标设置单独的可调节检测阈值，在抑制陆地强回波的同时，不影响高速运动的小目标的观测；并采取目标分色显示的方式，在雷达界面上突出显示运动目标。
本发明的有益效果是：
1、将本船与静止目标的相对径向速度引起的频移进行补偿，使得运动目标的多普勒频移检测可以视本船为相对静止作为参照系；
2、多普勒滤波器组用来实现对数据缓存模块输出数据的相参积累，并生成“距离-多普勒”图；
3、设置杂波抑制模块来抑制例如海杂波、雨杂波的动杂波，提高抑制动杂波效果；
4、目标提取模块提取零多普勒通道信号作为静止目标；提取非零多普勒通道上的最大值信号作为运动目标，达到泾渭分明的判别效果；
5、通过对运动目标和静止目标设置单独的可调节检测阈值，并采取目标分色显示的方式，在雷达界面上突出显示运动目标；
6、利用现有航海雷达天线以固定转速进行机械圆周扫描装置，可快速改造升级，且改造成本低。
附图说明：
附图1是本发明实施例基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强算法框图；
附图2是算法数据结构示意图；
附图3是相对速度计算示意图；
附图4是“距离-多普勒”图；
附图5是杂波抑制曲线示意图；
附图6是杂波抑制效果对比示意图；
附图7是目标提取流程示意图；
附图8是综合显示处理流程示意图；
附图9是最终显示效果示意图；
附图10是全部运动目标显示效果示意图。
图中，雷达前端1；相参接收机2；A/D3；距离维处理4；数据缓存区5；本船运动补偿6；多普勒滤波器组7；距离-多普勒图8；杂波抑制模块9；目标提取10；惯导11；本船12；静止目标13；运动目标14；综合显示模块15；屏幕16。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：如图1、图2所示，一种基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术，雷达射频回波信号经过雷达前端1的天线接收后进入相参接收机2，经过相参接收机2放大、下变频和滤波后成为中频信号，再由A/D3转换为数字信号，经过包括匹配滤波的距离维处理4后存入数据缓存区5。如图2框1所示，数据缓存区5共存储N个脉冲的回波数据，N为一个相参处理间隔内包含的脉冲总数。当一个新的脉冲的回波数据X(m)到来时，数据缓存区5首先以“先入先出”的方式对存储数据进行更新，即存入新脉冲回波数据X(m)，移出历史脉冲回波数据X(m-N)；然后进行数据重排输出，遍历各距离单元，将N个脉冲中对应同一距离单元的数据打包成长度为N的数组z[n] (n＝0,1,2,…,N)输出。
本船运动补偿6模块从惯导11等设备获取本船12航向θ0(相对正北)和速度ν0等信息，并根据当前雷达波束指向θ(相对正北)，计算由于本船12运动造成的静止目标13相对于航海雷达的等效运动速度v’(见图3)，进而得到静止目标13的多普勒频移f d：
fd＝2v′/λ＝2v0cos(θ0-θ)/λ
利用计算出的多普勒频移f d对z[n]进行补偿，使静止目标13位于零多普勒通道：
z′[n]＝z[n]exp(j2πfd(n-1)T)
此处仅仅对本船12与静止目标13的相对径向速度引起的频移进行补偿，而对于与相对径向速度正交的速度分量由于其不产生多普勒效应而予以忽略。
多普勒滤波器组7首先对补偿后的数组z’[n]进行加权处理(如汉宁窗)以压低副瓣，然后利用快速傅里叶变换(FFT)计算每个多普勒通道对应的滤波器输出，从而实现目标的相参积累以及目标和杂波在多普勒上的区分。进而通过线性检波形成FFT输出信号的包络。所有距离单元上的数据均通过多普勒滤波器组7以后(可以利用单个FFT核序贯处理各个距离单元上的数据以节省资源，也可以利用多个FFT核并行处理各距离单元上的数据以提高效率)，生成如图4所示的距离-多普勒图8。从图4可以看出，目标和杂波的多普勒频率不同，目标能量集中在-9号多普勒通道，而杂波能量集中在7 号多普勒通道附近。
杂波抑制模块9利用当前脉冲回波数据所在方位±7.5°区域内的多普勒数据估计杂波多普勒谱，并设计相应的杂波抑制滤波器，流程如下：1)统计区域内幅值在检测门限以上的极大值点，记录其幅值和所在的多普勒通道；2)计算极大值点所在多普勒通道号的均值μd和方差σd；3)将区域内由近及远划分为多个距离段Rk(k ＝0,1,2,…,K)，计算每个距离段内极大值点幅值的均值μk和方差σk； 4)根据上述计算结果设计杂波抑制滤波器，公式如下：
整个“距离-多普勒”平面上的杂波抑制曲线如图5所示，可以看出杂波抑制滤波器有效利用了杂波能量由近及远衰减以及集中于某一多普勒区间的分布特征，在抑制杂波的同时尽可能保留目标能量。杂波抑制效果对比示意图如图6所示，其中左图显示杂波抑制前的状况，右图显示杂波抑制后的状况。
图7是目标提取10流程示意图。进行杂波抑制后，目标提取10 模块提取零多普勒通道的幅值，作为静止目标13的幅值；提取非零多普勒通道中的幅值最大值，作为运动目标14的幅值，并记录运动目标所在多普勒通道号，图7中回波(0，A0)幅值较大,是固定物反射产生的，而右侧较小幅值的回波(m，A1)由运动目标14产生，运动目标14的多普勒频移显示在右侧为正值，表明该动目标是与本船作接近运动。
综合显示模块15处理流程如图8所示，首先对静止目标13进行多圈积累(同一位置的多圈观测数据求和取平均)，以增强静止小目标并进一步消除海浪残余，根据阈值T1检测静止目标13，以颜色A 显示在屏幕16上；然后根据阈值T2检测运动目标14，以颜色B显示在屏幕上；当某一位置同时存在运动目标14和静止目标13时，优先显示运动目标14。最终显示效果如图9所示，其中原屏幕显示运动目标14为红色，静止目标13为黄色。但由于专利申请文件的规章限定附图不得应用彩色显示，所以将本图作技术性处理为黑白色显示，其中显示静止目标13的黄色修正为白色，显示运动目标14的红色修正为灰色，背景仍为黑色。图中并将较大的三个运动目标分别用数字①、②、③标明，至于较小的运动目标未于标明，作为弥补，图10 将原呈红色的全部运动目标14单独以灰色标出以供对照。
本发明通过对相参航海雷达回波脉冲进行多普勒处理，利用回波能量的“距离-多普勒”二维分布特征自适应去除杂波干扰，并根据运动特征对目标进行分别处理和分色显示，以提高目标信噪比，增强目标发现能力。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术，其特征是，以相参接收机为基础，设计合理的信号处理流程，在不改变现有航海雷达的包括天线转速及脉冲重频的工作方式的前提下，采用滑窗FFT的方法进行多普勒处理，在每个脉冲的数据到来时均形成一幅距离—多普勒二维图，并进行本船运动补偿以使静止目标位于零多普勒通道；然后，利用临近扇区估计杂波特征并进行自适应杂波抑制，按照多普勒特征分别提取静止目标和运动目标并存储；最后利用双阈值检测和重叠双色图对静止和运动目标的回波图像进行分别调节和综合显示；所述信号处理流程具体是，雷达射频回波信号经过天线接收后进入相参接收机，经过相参接收机放大、下变频和滤波后成为中频信号，再由AD转换为数字信号，经过包括匹配滤波的距离维处理后存入数据缓存区；缓存区存储包含当前脉冲数据在内的一串相参脉冲数据进行相参处理，在每一个距离波门内形成一组多普勒滤波器，生成距离—多普勒图；再经由本船运动补偿模块校正零多普勒通道，并由杂波抑制模块来抑制例如海杂波、雨杂波的动杂波；进而在处理后的距离—多普勒图上进行运动和静止目标提取，在综合显示模块上分别完成运动、静止目标的处理和融合显示。
2.根据权利要求1所述的基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术，其特征是，航海雷达每个脉冲的回波数据经过包括匹配滤波的距离维处理后，存入数据缓存模块。数据缓存模块共存储N个脉冲的回波数据，每个脉冲的回波数据到来时，数据缓存模块首先以“先入先出”的方式对存储数据进行更新，然后进行数据重排输出，按照距离单元“由近及远”的顺序，将N个脉冲中对应同一距离单元的数据打包输出。
3.根据权利要求2所述的基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术，其特征是，本船运动补偿模块利用本船航向、速度和雷达波束指向计算静止目标所在的多普勒通道，并在“距离-多普勒”图中进行补偿。
4.根据权利要求3所述的基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术，其特征是，多普勒滤波器组用来实现对数据缓存模块输出数据的相参积累，并生成“距离-多普勒”图；滤波器组首先对数据进行加权处理(如汉宁窗)以压低副瓣，然后利用快速傅里叶变换(FFT)计算每个多普勒通道对应的滤波器输出，进而通过线性检波
生成“距离-多普勒”图。
5.根据权利要求4所述的基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术，其特征是，杂波抑制模块利用临近扇区估计杂波在距离和多普勒维的能量分布特征并进行自适应抑制，使目标便于观测。
6.根据权利要求5所述的基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术，其特征是，目标提取模块对经过本船运动补偿和杂波抑制后的距离-多普勒图进行检测，遍历每个距离单元，提取零多普勒通道信号作为静止目标；提取非零多普勒通道上的最大值信号作为运动目标。
7.根据权利要求6所述的基于多普勒处理的相参航海雷达目标增强技术，其特征是，综合显示对目标提取模块获取的运动和静止目标信息进行处理和显示。通过对运动目标和静止目标设置单独的可调节检测阈值，在抑制陆地强回波的同时，不影响高速运动的小目标的观测；并采取目标分色显示的方式，在雷达界面上突出显示运动目标。
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