基于Matlab的机载雷达的地杂波仿真实现及抑制技术.doc
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机载雷达的地杂波仿真实现及抑制技术
摘 要
机载雷达由于架设在运动的高空平台上，具有探测距离远、覆盖范围大、机动灵活等特点，应用范围相当广泛，可以执行战场侦察、预警等任务。
在海湾战争、伊拉克战争中起到关键作用，在现代战争中越来越不可缺少，因此近年来受到广泛重视。
但由于机载雷达的应用面临非常复杂的杂波环境，杂波功率很强，载机的平台运动效应使杂波谱展宽。
此外，飞机运动时，杂波背景的特性会随时间变化。
因此，有效地抑制这种时间非平稳和空间非平均的杂波干扰时雷达系统有效完成地面目标和低空飞行目标检测必须解决的首要问题。
杂波研究经过几十年的发展，仍然是雷达技术的热点。
机载PD雷达地杂波强度大、杂波谱分布广，特别在下视状态下在所有的距离上都成为目标检测的背景。
本文从机载下视雷达地杂波散射机理出发，结合机载下视雷达杂波的特殊性，首先概括了机载雷达常用的杂波信号的特性即空间相关性和时间相干性，讨论了几种常用的相关杂波的模拟方法，做出了有效地模拟结果，并在Matlab平台上仿真实现，仿真结果与理论分析正好吻合，提高了杂波模拟的逼真度。
并对机载雷达波抑制技术进行研究，分析总结了地物杂波频谱的组成特性，系统的阐述了机载雷达杂波抑制的基本理论及其发展动态。
重点讨论了AMTI杂波抑制技术并给出仿真结果。
关键词：
机载雷达；地杂波；杂波抑制；AMTI
GroundClutterSimulationandSuppression
ForAirborneRadar
ABSTRACT
RadarequippedinanairbornehasmanymeritssuchasseeingthingsbeyondthevisibilityofGround-basedradar,flexibilityinapplication.Itplaysanimportantpartandiswidelyusedinnationaldefense.ItsvalueofapplicationhasbeentestifiedinthewarofGulfandIraq.Soitattractsgreatattentionofmanynationsintheworld.Butairborneradarwillfacehighlycomplicatedclutterenvironment.Thecomplexitiesofclutterbackgroundmainlyembodyinlargeamplitudeinterferenceofgroundclutterandclutterspectrumspreadcausedbyplatformmovementeffect.Andthecharacteristicsofthegroundclutterchangeaswellastimechange.ThekeytothesettlementofthequestionofeffectivedetectionofgroundandlowairtargetsliesinadaptiveofeffectivecluttersuppressioninairborneRadar.
Radarclutterisstillahottopicafterdecadesofstudy.Pulse-Dopplerradarclutterisquitestrongwithwidelydistributedpowerspectrum.Especiallywhentheradarisinthe"lookdownmode",itisthebackgroundoftargetdetectioninallrangegates.
Firstly,thesurfaceclutterscatteringmechanismofairborneradarisanalyzed,andthecharacteristicsofclutterincludingspecialcorrelationandtimecorrelationaresummarizedforairborneradarinalookdownmode.ThenallsimulationsarecarriedonMatlabplatformandtheresultsaccordwellwiththeoreticalanalysis.ThisdissertationfocusesonstudyingadaptivecluttersuppressionofairborneRadar.Thecharacteristicsofthegroundclutterareanalyzedandpresented.ThedevelopmentandthetheoriesofcluttersuppressionofairborneRadararedescribedsystematically.
KeyWords:
airborneradar;groundclutter;cluttersuppression;AMTI
目 录
第一章绪论 1
1.1课题背景与研究意义 1
1.2杂波仿真技术的发展和研究现状 1
1.3主要研究内容 2
第二章机载雷达地杂波的特性分析及仿真原理 5
2.1机载雷达地杂波回波谱分析 5
2.1.1主瓣杂波频谱 5
2.1.2主瓣杂波频谱分析 7
2.2机载雷达地杂波仿真原理 8
2.2.1基本雷达方程 8
2.2.2杂波信号的特性 10
第三章机载雷达地杂波仿真实现 12
3.1高斯分布统计模型 12
3.2非高斯分布统计模型 14
3.2.1对数正态（Lognormal）分布 14
3.2.2韦布尔（Weibull）分布 16
3.2.3K分布和gamma分布 18
3.3机载雷达杂波特性 21
3.4机载雷达不确定场地地面杂波仿真 23
3.4.1模型假设及输入参数 23
3.4.2散射单元的划分 24
3.4.3杂波散射单元回波信号 26
3.4.5回波叠加 29
3.4.6机载雷达杂波仿真结果 30
第四章机载雷达地杂波抑制技术 31
4.1动目标显示（MTI） 31
4.2单延迟线对消器 32
4.3双延迟线对消器 34
4.4反馈延迟线对消器（递归滤波器） 36
第五章结论与展望 39
参考文献 40
附录A 42
致 谢 48
天津理工大学中环信息学院2011届本科毕业设计说明书
第一章绪论
1.1课题背景与研究意义
机载雷达是探测陆地或海面飞行的轰炸机、攻击机、巡航导弹、武器直升机等利用地物地形屏障作掩护的超低空突防武器系列的有利武器之一，在现代战争中起着举足轻重的作用。
从理想雷达系统设计过程中知道，雷达设计的目的提出之后，首先要考虑的是环境的影响，地海杂波环境对雷达性能的发挥是一个严重的负担，尤其是机载下视雷达，会遇到更加恶劣的杂波环境，能否正确估计杂波对雷达性能的影响，是雷达系统成败的关键之一。
杂波特性研究室一项重要的基础性的研究工作。
它不仅是雷达，特别是机载雷达的需要，也是微波遥感等新兴技术发展的需要。
机载雷达遇到的地面杂波不仅强度大，多普勒频谱宽，而且可能在所有的距离上成为目标检测的背景；另一方面，雷达机载飞行地域广、地形地貌多种多样，仅使用一些简单的、典型的杂波数据已不能满足需要。
因此，机载雷达杂波的研究和计算已经成为机载雷达最基本和最关键的课题之一。
只有弄清楚地面/海面杂波的特性，才能够正确地确定机载雷达方案，选择主要的技术参数。
例如：
1.只有根据各种地形和海面杂波的主要特征参数，并经过严格的杂波计算，才能得到比较准确的杂波强度和频谱数据，从而在这个基础上确定雷达的技术方案，对信号质量、系统动态范围、天线副瓣电平等指标提出要求。
2.只有弄清楚杂波的分布特性及参数，才能恰当的设计杂波抑制器的频率响应特性和恒虚警处理器，更加有效地消除主瓣杂波，并在一定的副杂波背景中检测目标。
3.雷达信号模拟器是调整和检验机载雷达性能的必要手段，但只有在弄清楚杂波的特性参数以后，才能够对信号及杂波模拟器提出合理的、准确的要求。
1.2杂波仿真技术的发展和研究现状
杂波研究与模拟经过几十年的发展，目前仍是十分活跃的话题。
杂波的数字模拟对于测试雷达性能以及雷达系统的设计、分析以及调试具有非常重要的意义。
雷达的作用距离、分辨能力、测量精度和单值性等性能指标对信号处理技术提出越来越高的要求。
在实现最佳处理并保证一定信噪比的前提下，测量精度和分辨力对信号形式的要求是一致的。
我们通常根据不同的情况，结合雷达截面积及其起伏特性，对目标信号进行建模仿真。
真实的世界是错综复杂的，要为其建立精确的数学模型是一件极其困难的事情，而建立的这些数学模型通常是近似的、片面的，对雷达杂波的研究过程也是如此。
雷达杂波仿真技术在几十年的发展过程中，经过了一个由浅到深、由简到繁、由粗到细的过程。
目前使用杂波模型主要有三种方式：
描述杂波幅度和功率谱的统计模型，描述杂波散射单元机理的机理模型，描述由试验数据拟和与频率、极化、俯角、环境参数等物理量之间依赖关系的关系模型。
从二十世纪七十年代以来，人们一直致力于雷达统计模型的研究。
在早期的工作中，认为杂波是一种高斯噪声，为杂波提供了一种结果非常简单的模型。
后来通过对窄脉冲雷达的测量发现用高斯分布来描述杂波是不够的，杂波的分布函数表现出一个较长的拖尾，明显长于高斯分布模型。
因此，在八十年代，人们又提出了对数正态（lognormal）分布和weibull分布来拟合数据。
随着研究的深入，一种半实验化模型K分布被提出，并逐渐成熟起来。
目前国内外对杂波的仿真方法主要有零记忆非线性变化法（ZeroMemoryNonlinerity，ZMNL）、球不变随机过程法（SphericallyInvariantRandomProcess，SIRP）和随机微分方程法（SDE）。
雷达杂波的研究始于第二次世界大战期间，科学家经过半个多世纪的努力，已将其发展成为雷达技术中一个单独的领域，而不再是当初“杂波”概念。
目前国外此项研究实验设备较多，手段先进，全波段覆盖，通过大量实测地、海背景的散射数据，建立了大型数据库，针对不同用途，研究其统计规律，建立与地物参数和雷达参数有关的散射模型，并向着全频、多极化及相位信息综合利用的方法发展。
我国的此项研究可以说始于八十年代初，从1981年开始，建立了小型“X波段地物散射系数数据库”，一些高校和研究部门也做了一些有关的研究工作。
但由于对杂波研究缺乏协作与配合，背景杂波的研究在我国还没有形成一个整体力量。
正是由于缺乏这种大型试验数据，目前国内的杂波模拟技术也是建立在国外对杂波模型研究的基础之上的。
1.3主要研究内容
机载雷达因为雷达处在一个运动平台上，它面对的是更为复杂的杂波环境杂波是雷达信号检测和处理的固有环境，通常其强度远远超过目标信号，并且杂波谱常接近于目标功率谱。
这些因素增大了机载雷达杂波处理的难度。
地面上静止不动的景物相对于雷达有一个径向速度，再加上雷达波束指向和地形的
不断变化，杂波的频谱发生了明显变化。
因此，机载雷达杂波频谱的研究是机载雷达地杂波建模的主要内容。
为了有效地在杂波背景下检测目标信号，学者们对杂波的性质进行了大量研究，目前常用的杂波模型主要有以下三种方式：
1.描述杂波散射单元机理的机理模型
杂波机理模型的研究是属于杂波雷达截面的理论分析范畴，即根据各种电磁散射理论研究杂波单元产生散射场的各种机理，并利用各种计算方法和计算机技术定量预估各种情况下杂波单元的雷达散射截面特征。
散射过程的讨论必须同特定的结构单元结合起来，这是机理模型分析的基本点。
在散射单元的物理结构方面，对于现有的一些比较成功的地杂波和海杂波模型（如组合表面模型）一般都只是对于特定的地貌、海情，或者是信号形式提供了某些参考，缺乏通用的、非常成功的模型。
研究杂波性质的困难可以归结为缺乏对散射单元构成特性及其散射过程的定量描述，这种描述应当能够反映出散射机理以及各种因素的影响，而这些困难也正是当今杂波机理模型研究的前沿。
2.描述杂波后向散射系数的概率密度分布模型
雷达杂波是来自雷达分辨单元内的许多散射体回波的矢量和。
由于机载雷达分辨单元内一般包括许多随机分布的散射体，它们的介电常数和几何特性等都是随机变量，同时散射体或雷达的运动也将引起回波振幅和相位的变化，这些原因导致杂波的雷达散射截面具有随机起伏的性质，此随机起伏性可以用。
其通过雷达接收机的包络检波器后的幅度概率密度函数描述。
常用的概率密度分布有瑞利（Rayleigh）分布、对数正态分布、Weibull分布和K分布等。
3.描述由试验数据拟和与频率、极化、俯角、环境参数等物理量依赖的关系模型杂波的关系模型机载雷达地面杂波模型不仅和环境有关，而且还和雷达平台位置、系统工作参数、天线特性有关。
随着雷达技术的不断发展以及人们对雷达杂波认识的不断深入，研究人员先后建立了一系列的杂波统计模型。
主要分为两类：
一是幅度分布模型，二是功率谱（相关性）模型，其中相关特性是从时域和空域两个方面展开研究的。
地杂波
地杂波，除由人造建筑物所产生的点杂波外，是一种分布散射现象。
这种分布杂波用散射系数来描述。
是雷达截面积的密度，单位为地面上每单位面积的雷达截面积。
设地面上一个单元的面积为，则此单元上的雷达截面积为。
点杂波和点目标一样，可以用雷达截面积来描述。
可以采用不同的方法来建立地杂波的模型。
对于地面雷达，我们往往感兴趣的是该雷达在特定的场地上工作性能如何，在这种情况下，实际的地形特征是很重要的。
而对于机载雷达，通常我们对雷达在某一个特定场地上的工作性能完全不感兴趣，因为该场地也许并不代表雷达所可能遇到的平均情况或最坏情况。
机载雷达的性能与非均匀地面杂波的特性有密切的关系。
大多数这样的雷达，具有某种自适应的功能，以适应从一个区域到另一个区域时地面杂波强度的变化。
假若想要模拟这种适应性，就有必要在地面杂波模型中包含非均匀特性。
点杂波可以用如下的方法模拟：
将这些点按照某种模型随机地配置在地面坐标系上，一种类型的地形与另一种类型的地形之间的交界处，可以按照确定性的但仍然是假想的方法来处理。
机载雷达地面环境复杂，在分析时通常采用等距-等多普勒划分网格单元的方法计算地杂波功率谱以及网格单元的地面后向散射系数。
第二章机载雷达地杂波的特性分析及仿真原理
在机载下视雷达中，地面杂波的影响是十分严重的，它不仅强度大，而且不同方向的地杂波相对于载机的速度各异，从而使杂波谱大大展宽。
为了克服这种强杂波环境，从中提取有用信息，产生了各种各样的杂波抑制技术。
在讨论这些技术之前，我们先对机载雷达下视情况的地杂波进行分析。
2.1机载雷达地杂波回波谱分析
机载雷达下视工作时，天线波束照射区内地面散射体的回波通过天线进入接收机，即地杂波。
由于雷达平台运动，即使地面固定不动的散射体，也因具有一定的相对径向速度而使回波有一定的多普勒频移，在波束照射区内，各个散射体的回波各自具有不同的多普勒频移，幅度按天线双程方向图加权，就构成了机载雷达的地杂波谱。
典型的机载下视雷达回波经接收机单边带滤波后的频谱如图2.1所示，它由主杂波、高度线杂波、旁瓣杂波谱和目标的回波谱组成。
由于副瓣杂波和主瓣杂波相比要小得多，因此对杂波谱的研究主要放在主瓣杂波上。
图2.1通过单边带滤波后的频谱
Fig.2.1SpectrumafterfilteringthroughtheSSB
2.1.1主瓣杂波频谱
与地球半径相比，载机高度及其探测距离都很小，因此地球曲率的影响可以忽略不计，我们完全可以认为雷达发射主波束的散射区域是一个平面。
根据网格分析法，这一平面区域可以看成由很多散射单元组成。
散射单元的划分由方位角分辨率和距离波门的宽度决定。
因为这样的散射单元的回波是雷达抑制的杂波，所以又把他们称为杂波分辨率单元，简称杂波单元。
对于机载雷达，地面某杂波单元与雷达平台的几何位置关系可用图2.2表示为
图2.2杂波单元与雷达平台的位置关系
Fig.2.2Therelationshipofclutterunitandthelocationoftheradarplatform
图2.2中为载机的高度，为载机的水平飞行速度，为照射区中间距离波门的中心点，为方向角，为俯仰角，为主瓣宽度，为载机到的距离，假定雷达发射脉冲宽度为，则（是光速），所以面积为：
（2.1）
只要知道参数，H，，，就能求出杂波单元的面积。
通常是一较大区域，由许许多多散射体组成，这些散射体的回波的合成，就是区域内的杂波回波，而很多类似的网格单元的回波就构成了该波门内的杂波回波。
下面我们以中间距离波门为例，将看成一个散射体来分析该波门的回波频谱。
在中间距离波门，位于偏于主波束中心角的散射体，根据多普勒效应，它所对应的多普勒频移用公式求得（是散射体相对载机的径向速度，为雷达的工作波长）。
由图可知，，所以该散射体对应的多普勒频移为：
（2.2）
，为主瓣波束宽度。
所以，中间距离波门的平均多普勒频移为：
（2.3）
因很小，与近似相等，所以：
（2.4）
则位于角的某一散射体单元相对于该波门的平均多普勒频移的相对多普勒频移为：
（2.5）
一般很小，满足，，故
（2.6）
由上式可得中间距离波门的杂波谱宽为：
（2.7）
当俯仰角不变时，可以得出下面两个结论：
1.中间距离波门的地杂波平均多普勒频移随扫描方位角的增大而增加。
时，平均多普勒频移最小，；时，平均多普勒频移最大。
2.在相控阵雷达中，有（是天线主波束指向方位角为时的主瓣波束宽度），把此关系带入式中得：
，可见，相控阵雷达地杂波多普勒谱在扫描过程中保持不变。
2.1.2主瓣杂波频谱分析
下面来分析一下影响杂波谱形状的几个因素：
1.观察时间的影响
观察时间有限，即回波脉冲的个数有限，造成回波谱的谱线展宽，每根谱线都成为一个谱瓣，其宽度约为观察时间的倒数。
我们用表示由于观察时间有限引起的回波谱瓣展宽的偏差均方根差，则，式中是回波脉冲个数。
可以看出：
观察时间引起的杂波功率谱谱瓣的展宽与观察时间成反比。
2.杂波源本身运动的影响
杂波源本身运动也会影响杂波谱瓣的形状。
引起杂波源运动的主要原因是风，如风吹动植物枝叶的运动等，它们会使杂波产生多普勒频率分布，从而展宽杂波谱的谱线，由于杂波源之间运动的随机性，谱线展宽的形状可以认为是高斯的，若以表示杂波源之间运动的视在径向速度的均方根值，是雷达波长，则由于杂波源运动引起的杂波谱谱瓣展宽的偏差均方根值为：
。
可以看出：
杂波谱瓣展宽的程度决定于杂波源本身运动的速度和雷达波长，速度越大或者波长越短，则谱线展宽越多。
3.雷达本身运动的影响
若雷达安装在运动平台上，则会产生两种影响:
首先由于雷达与被照射的杂波源之间有相对径向速度，会使杂波回波产生多普勒频移，第二个影响是杂波单元有一定宽度，使得杂波谱的谱线展宽。
谱线展宽的偏差均方根值为：
。
其中是雷达运动速度，是天线主波束指向方位角，是散射单元的尺寸。
可以看出:
雷达载体本身运动所引起的杂波谱的展宽与载体的运动速度、杂波单元的尺寸成正比，载体的运动速度越高或者杂波单尺寸越大，则谱线展宽越多。
综合上述几种因素，杂波单元回波谱的形状近似为高斯形，方差为每个单独分量方差之和：
。
2.2机载雷达地杂波仿真原理
杂波模拟是调试雷达和测试雷达性能不可缺少的一部分，杂波模型的复杂程度直接影响着模拟效果。
杂波模拟系统大都采用软硬件相结合的方法，由计算机产生杂波数据库，目标和杂波环境的描述数据由主机提供，将数据加载至信号产生电路，实时产生中频信号。
2.2.1基本雷达方程
在输入功率相同的条件下，天线在最大辐射方向上的某一点的功率通量密度与理想点源天线在同一处的功率通量密度之比：
（2.8）
天线的有效接收面积：
当天线以最大接收方向对准来波方向接收、且负载与天线完全匹配时,天线向负载输出的功率假定为，设想此功率是由一块与来波方向垂直的面积所接收，这个面积就称为接收天线的有效面积：
（2.9）
天线波束宽度（Beamwidth）：
（2.10）
雷达辐射能量：
全向天线:
在距离天线R远处的功率密度等于辐射功率除以表面积,
（2.11）
定向天线:
若增益为,则
（2.12）
天线接收到的功率为：
（2.13）
计入各种衰减损耗时，天线接收到的功率为：
（2.14）
以功率形式表示的最基本的雷达方程：
（2.15）
2.2.2杂波信号的特性
杂波统计模型的相关性包括时间相关性和空间相关性。
杂波的时间相关性是指来自同一区域杂波回波信号间的相关性，即来自同一杂波距离分辨单元的不同回波脉冲间的相关性,常用杂波功率谱来描述。
杂波信号空间相关性是指从径向的两块分离区域杂波回波信号间的相关性，也即来自不同杂波距离分辨单元均值的相关性。
杂波信号的典型概率分布模型为高斯分布、瑞利分布、对数正态分布、Weibull分布、K分布等。
以雷达杂波幅度分布为例：
气象杂波、箔条干扰、低分辨力雷达的地杂波符合瑞利分布，当在一个杂波单元内含有大量相互独立、没有明显贡献的散射源时，雷达杂波包络也服从瑞利分布；低入射角、复杂地形的杂波数据或者平坦区域高分辨率的海杂波数据服从对数-正态分布；Weibull分布的动态范围介于瑞利分布与对数正态分布之间，能在更宽广范围内精确表示实际的杂波分布，通常，在高分辨力雷达、低入射角的情况下一般海情的海浪杂波能够用Weibull分布精确地描述，地物杂波也能用Weibull分布描述；K分布适用于描述高分辨力雷达的非均匀杂波，多见于对海杂波的描述，K分布是一种复合分布模型，它可由一个均值是慢变化的瑞利分布来表示，其中这个慢变化的均值服从K分布。
此外如不规则海浪信号等各种可以根据其不同环境下的不同情况用以上五种概率分布模型来描述。
雷达杂波信号概率分布特性仿真的技术途径是：
采用球不变随机过程法（SIRP）、零记忆非线性变换法（ZMNL）、随机微分方程法（SDE）。
其中ZMNL法的基本思想是：
首先产生相关高斯随机过程，然后经过某种非线性变换得到所要求的相关随机序列，相关高斯随机过程可以通过高斯白噪声信号通过一个具有杂波相关特性（功率谱）的FIR数字滤波器获得。
雷达杂波信号的相关特性仿真的技术途径是：
对
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