第２５卷第３期 ２００４年５月
宇 航 学 报
Ｊｏｕｒｎａ１ ｏｆ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ ＶｏＩ．２５ ＮＯ．３
Ｍａｙ ２００４
超视距雷达中的目标检测问题 孟祥伟，关键，何友 （海军航空工程学院电子工程系，烟台２６４００１）
摘要：工作在高频波段（３—３０ＭＨｚ）的超视距雷达能够探测和跟踪视距以外飞机、舰船等目标，它在民用和军 事上均有重要的应用价值。但超视距雷达的目标信号会埋没在强海杂波中，使得目标信号的检测极为困难。本文先 讨论了一阶和二阶Ｂｒａｇｇ海杂波特性，然后针对强海杂波中目标检测的特点，讨论了距离一频率维的目标恒虚警检 测方案，并提出了一些有意义的建议。 关键词：超视距雷达；海杂波；恒虚警率；检测 中图分类号：ＴＮ９５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１３２８（２００４）０３—０２７３—０５
０ 引言 随着新型舰用武器装备技术的发展，现代海战 中在远距离上实施突然、隐蔽的舰对舰导弹攻击已 成为各国海军最为关心的攻击手段之一。目前中远 程反舰导弹作为现代海上作战的重要手段，各主要 国家海军已普遍装备。这些中远程反舰导弹的出现 极大地扩展了海上作战半径，使过去在常规雷达能 够相互探测到的范围内进行的“面对面”的海战模式 逐渐演变成依靠先敌发现、突然地发动远程攻击来 争取海上作战主动权的“隐蔽作战”模式。为了能为 各种中远程反舰导弹提供超视距目标指示的有效手 段，解决超视距探测已成当务之急。高频超视距雷达 在军事上可探测和跟踪飞机、导弹和舰船等运动目 标，它有以下几方面优势：（１）可以突破地球曲率的 限制，实现远距离、大面积、全高度探测；（２）具有反 隐身能力，由于ＯＴＨＲ工作在常规雷达波段之外而 依靠谐振效应探测目标，几乎不受现有雷达吸波涂 料的影响，从而使得舰船和飞机目标通常采用的外 形设计、吸波涂料等隐身手段难以奏效；（３）具有抗 反辐射导弹（ＡＲＭ）能力；（４）抗电子干扰能力强。本 文先分析了高频地波超视距雷达的一阶、二阶海杂 波特性，然后针对高频地波超视距雷达的杂波背景 特点研究了距离一频率维雷达目标恒虚警处理方案。 １ 高频地波超视距雷达中的海杂波特性 高频无线电波在海面传播时可引起一阶、二阶 收稿日期：２００３—０１—１６，修回日期：２００３—１１－２５ 海杂波，一阶海杂波是入射无线电波与海浪一次作 用时引起的无线电反射，其作用机理可由Ｂｒａｇｇ谐 振散射过程解释，当海浪相邻波峰反射的无线电波 波长满足Ｂｒａｇｇ谐振条件时，发生相干散射或谐振 散射，Ｂｒａｇｇ谐振条件为
Ｌ·ｃ。ｓ△一 （１） 式中Ｌ——海浪波长， ——无线电波长，△——无线 电波擦地角。擦地入射（△一０）的无线电波，唯有波 长为无线电波长一半的海浪才满足相干散射条件， 其它波长的海浪不会产生相干散射，其回波基本可 以忽略。从水力学的理论可知，对于重力波浪，其特 征速度与其波长有下列关系：
ＶＢ：√ （２） 这样，由重力波产生的多普勒频率为 ±Ｔ２ＶＢ一± √ （３）
以Ｌ一 代入上式，则有 ±√ （４） 式中±号表朝向与背离雷达的重力波产生的正负多 普勒频移。高频无线电波与海浪的一阶作用会在回 波的多普勒频谱中产生两个尖峰——一阶Ｂｒａｇｇ 峰，其位置由（４）式确定。 高频无线电波不仅与海流存在一阶作用，而且 还与海浪存在高阶作用，高频无线电波与海浪的二 ２７４ 宇航学报 第２５卷 阶作用机理主要为：（１）沿雷达波束方向传播的海 浪，可以认为它由基波及其高次谐波组成，高频无线 电波与各次谐波也会产生Ｂｒａｇｇ谐振，形成高阶海 杂波；（２）高频无线电波与两列相互垂直的海洋波依 次产生“镜面”反射，形成连续的二阶谱；（３）高频无 线电波与两列交叉传播的海洋波形成的第三列海洋 波发生Ｂｒａｇｇ谐振，形成连续的二阶谱。总之，高频 无线电波与海浪相互作用产生的海杂波，其多普勒 频谱中主要包含两种成分：一种是由一阶Ｂｒａｇｇ谐 振产生的窄带成分，另一种是由电磁波与海浪二阶 作用产生的宽带成分。当舰载ＯＴＨＲ平台运动时， 阶Ｂｒａｇｇ峰还会产生类似于机载雷达下视杂波谱 展宽的现象。图１为超视距雷达中的海面回波多普 勒频谱示意图，从图中可以清晰地看出在零多普勒 频率两侧存在着较强的Ｂｒａｇｇ一阶峰。 馨 安 Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎ（ ｙ（Ｈｚ） 图１ 超视距雷达的海面回波多普勒频谱示意图 ２高频地波超视距雷达中的ＣＦＡＲ目标检测 超视距雷达（ＯＴＨＲ）相对于常规雷达，在目标 检测和识别方面存在许多差别：（１）由于ＯＴＨＲ工 作在短波ＨＦ波段，必然存在大量干扰信号源，如短 波电台的广播、通讯信号等都会对实际探测产生严 重的干扰；（２）从目标反射回来的信号通常低于背景 噪声，多普勒零频率附近两侧存在着前面所述的 Ｂｒａｇｇ一阶回波及二阶回波。（３）ＯＴＨＲ由于波段和 带宽有限，距离分辨率为数千米左右，方位分辨率则 更低。由于超视距雷达目标检测信号的这些特点，造 成超视距雷达目标的检测极为困难。但超视距雷达 所发射的脉冲是相干的，频率和相位极为稳定，可利 用因目标运动产生的多普勒频移在频域将目标信号 分辨出来。 通常超视距雷达在目标检测过程中，首先利用 动目标滤波消除固定目标（杂波），保留动目标信息， 减少后续处理器动态范围。然后对运动目标的差拍 信号实现第一次快速傅里叶变换（ＦＦＴ），求出目标 的射线距离，同时实现能量集中。由于发射信号是相 干的，在同一距离波门下对Ｍ次扫描输出进行相干 积累，即再用一次ＦＦＴ在频域提取目标多普勒信 息。回波脉冲列经相干积累后，同一距离波门下频率 轴上动目标的多普勒谱与背景杂波谱将会被区分 开，通常的做法是在每一个距离上沿着多普勒频率 实施检测ｌ＿１］。从图１可看出其分布并不平稳，无论采 用何种恒虚警检测方法都不能有效地将目标检测出 来。但是，雷达目标回波信号经过两次快速傅里叶变 换后可以得到距离一频率二维平面，考虑到相近雷 达距离分辨单元中相同多普勒频率的分布会相对平 稳，可在相同多普勒频率上选取相近的距离分辨单 元信号形成检测参考滑窗，进行目标信号的检测。为 了保证相近雷达距离分辨单元中相同多普勒频率的 分布相对平稳，而超视距雷达的距离分辨单元较大， 在相同多普勒频率上的相近雷达距离分辨单元可取 的参考单元数目会受到限制，以下对适用于距离 频率维检测的恒虚警方法进行分析，并对这些方法 的选取提供一些有意义的建议。 雷达回波信号经ＦＦＴ变换后，其频谱中包含大 气噪声、海杂波和目标信息，大气噪声各向同性，其 频谱为高斯分布，海杂波的一阶与二阶Ｂｒａｇｇ谱分 布也是高斯分布 ］，本文假定平方率检波，这样，距 离 频率平面的分辨单元信号分布服从负指数分 布，假设目标模型为ＳｗｅｒｌｉｎｇⅡ型，检测单元的二 元假设检验对为 ｒ １ ， ｌ （ ）一 ｅｘｐ（一 ）Ｈｏ
Ｊ／１ ／１ （ ＞０） ～１ （ ｏ
Ｉ ｆ （ ）一 １ ｅｘｐ（一 Ｈ
（５） 其中ｂ＝１＋ ， 是单脉冲平均信噪比，／＿ｔ代表噪声 强度平均值，Ｈ 表示有目标，Ｈ。表示没有目标。 在相同多普勒频率上利用相近距离分辨单元附 近的Ｎ个杂波样本设置一参考滑窗，将来自杂波样 本 ，（ ∈一Ｎ）的有序统计量 ∽加权求和，作为对杂 波功率水平的估计，可表示为
Ｘ一∑ｈ ） （６） 第３期 盂祥伟等：超视距雷达中的目标检测问题 ２７５ 从而求得Ｘ的矩产生函数（ｍｇｆ）为 ）一 Ｎ （ｆ，一 ）
矩产生函数定义为 （“）一Ｉ厂ｒ（ｆ） ～ ｄｔ，其中 （ｆ）为Ｘ的概率密度函数。 检测器将估计出的杂波强度Ｘ乘以满足恒虚 警要求的门限因子丁，去设置自适应检测门限，若检 测单元的目标信号超过它，判为目标出现，若低于 它，则无目标。检测器的平均虚警概率和平均检测概 率分别为 Ｐ 一 （“）Ｉ 一 （“）Ｉ （８） 可求得检测器的平均判决门限ＡＤＴ［３］的解析表达式 ＡＤＴ—Ｔ｛ ｝ （９） 对于超视距雷达的距离一频率维恒虚警目标检 测来说，在相同的多普勒频率上选取相近的距离单 元信号为参考滑窗，强杂波边缘引起的影响较小，这 样可以不考虑最大选择逻辑类的恒虚警检测方法如 ｆ ２’… 一 『 ∑（ 一 ） 去１一 ＋ｆ＋ ＋ —ｆ 【
＋ — 这就是最佳线性无偏（ＢＬＵ）方法；若式（６）中的加 权系数取为
ｈ．一 １ —ｔ＋１，…，Ｎ一５—１ ５＋１ ｉ—Ｎ一５ ０ 其余 （１１） 可得到准最佳加权恒虚警（ＱＢＷ）方法。将以上这些 加权系数分别代入（８）和（９）式，可得ＣＡ、ＣＭ、ＯＳ、 ＴＭ、ＢＬＵ和ＱＢＷ检测器的平均判决门限ＡＤＴ和 恒虚警损失。表１给出了这几种检测器在Ｐ ： １０一，Ｐ ：０．５情况下当杂波样本总数Ｎ分别取为 ８、１０、１２、１４、１６、１８、２０、２２和２４时的ＡＤＴ和恒虚 警损失数值。从表１中可看出，在均匀背景中ＣＡ的 检测性能最好，尤其在杂波样本的总数目小于１２时 其恒虚警损失与ＣＭ、ＴＭ、ＯＳ、ＢＬＵ和ＱＢＷ方法 有较大的差别，这时应优先考虑ＣＡ方法，因超视距 选大（Ｇｏ）等，避免它们引起的恒虚警损失。在恒虚 警算法的选择上，主要考虑的是对各种有源或无源 刺状干扰的鲁棒性问题，这样恒虚警方法如单元平 均（ＣＡ）、筛选平均（ＣＭ）、有序统计（０Ｓ）、剔除平均 （ＴＭ）、最佳线性无偏（ＢＬＵ）［４ 和准最佳加权 （ＱＢＷ）＿５ 等可应用到超视距雷达中的目标检测上 来。ＣＡ、ＣＭ、ｏＳ、ＴＭ、ＢＬＵ和ＱＢｗ方法均可通过 对（６）式中的加权系数取特定值得到，它们的性能分 析可通过（８）式和（９）式得到。若（６）式中有序统计样 本的加权系数取为ｈ 一１／Ⅳ（ 一１，…，Ⅳ），可得到单 元平均（ＣＡ）检测器的数学模型；若将有限个高端有 序统计样本（ｓ个）的加权系数取为０，剩余的有序样 本的加权系数取为ｈ 一１／（Ⅳ一５）（ 一１，…，Ｎ一５）， 这就是筛选平均（ＣＭ）情形；若将有限个高端有序 统计样本（ｓ个）和有限个低端有序统计样本（ｔ个） 的加权系数取为０，剩余的有序样本的加权系数取 为ｈ，一１／（Ⅳ一５一ｔ）（ —ｔ＋１，…，Ｎ一５），可得到剔 除平均（ＴＭ）检测器的数学模型，若Ⅳ一５一ｆ一１，这 就是有序统计（ｏＳ）情形；若式（６）中的加权系数取 为 （∑（Ｍ一 ）一 ） ＋１（△一Ｍ一５一ｔ一１＋— ————一 ∑（Ｍ一 ）一 Ｊ一１ （１０） 雷达是一种警戒雷达，它的首要任务是尽可能低信 噪比情况下发现目标，况且杂波样本数目比较小的 情况下出现干扰目标的概率也不大，这时采用ＣＡ 方案较为合适。在这几种方法中，０Ｓ的恒虚警损失 最大，ＣＭ和ＴＭ的检测性能比较接近，ＱＢＷ和 ＢＩ Ｕ的检测性能比较接近，ＣＭ、ＴＭ、ＯＳ、ＢＬＵ和 ＱＢＷ检测器由于采用了筛选技术，可以将其它的 刺状干扰目标信号剔除掉避免出现“遮蔽效应”，而 ＣＡ无法保证在有干扰目标的情况下有效地检测出 目标信号来。ＢＬＵ和ＱＢＷ比ＣＭ和ＴＭ的性能有 略微改善，但当干扰目标数目超过剔除的数目时，由 于ＢＬＵ和ＱＢＷ对最大第一个未剔除掉的有序样 本采用了较大的加权系数，其性能会有较大的影响。 因此，当超视距雷达中距离一频率维目标检测方案 的参考单元总数目较大时，ＴＭ方法应是一种优先 选取的方法，尽管ＯＳ方法在脉冲多普勒雷达目标