雷达信号处理及目标识别分析系统方案

雷达信号处理及目标识别分系统方案西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室二○一○年八月-1-一信号处理及目标识别分系统任务和组成根据雷达系统总体要求，信号处理系统由测高通道目标识别通道组成。它应该在雷达操控台遥控指令和定时信号的操控下完成对接收机送来的中频信号的信号采集，目标检测和识别功能，并输出按距离门重排后的信号检测及识别结果到雷达数据处理系统，系统组成见图1-1。测高通道信号处理识别通道信号处理中频信号稳压电源定时控制………50Hz220v定时信号目标指示数据目标输出1目标回波谱输出输出接口目标检测结果输出目标识别结果输出识别结果工作模式…图1-1信号处理组成框图二测高通道信号处理测高信号处理功能框图见图2-1。接口A/D正交变换脉冲压缩求模CFAR融合处理目标输出中频信号sf………按不同距离门分别MTD处理图2-1测高通道信号处理功能框图-2-接收机通道送来中频回波信号先经A/D变换器转换成数字信号，再通过正交变换电路使其成为I和Q双通道信号，此信号经过脉冲压缩处理，根据不同的工作模式及杂波区所在的距离单元位置进行杂波抑制和反盲速处理，最后经过MTD和CFAR处理输出检测结果。三识别通道信号处理识别通道信号处理首先根据雷达目标的运动特征进行初分类，然后再根据目标的回波特性做进一步识别处理。目标识别通道处理功能框图见图3-1所示。图3-1识别通道处理功能框图四数字正交变换数字正交变换将模拟中频信号转换为互为正交的I和Q两路基带信号，A/D变换器直接对中频模拟信号采样，通过数字的方法进行移频、滤波和抽取处理获得基带复信号，和模拟的正交变换方法相比，消除了两路A/D不一致和移频、滤波等模拟电路引起的幅度相对误差和相位正交误差，减少了由于模拟滤波器精度低，稳定性差，两路难以完全一致所引起的镜频分量。接口A/D正交变换脉冲压缩中频信号sf目标回波目标距离目标运动参数识别处理目标识别结果输出高分辨距离像-3-A/D变换器数字鉴相器低中频信号（f0，B）IQsf图4-1数字正交变换的原理我们希望得到的复包络信号，即数字鉴相器输出信号的频谱，正交插值实现原理图如图4-1，数字鉴相器的任务就是如何使频谱为图4-2(a)所代表的信号转换成频谱为图4-2(f)所示的信号，方法有四种：(f)0期望频谱(d)X中频频谱BBf0(a)0信号频移后的频谱图0理想低通滤波器特性sf(b)f0X~频谱sffX采样后频谱(c)0sfsf(e)sfsf图4-2正交插值实现原理图低通滤波器法数字乘积检波器法-4-Hilbert变换法Bessel插值法这些方法实现过程特点各有不同，但在基本原理上是一致的。下面以低通滤波法为例来进行设计。采用低通滤波法的数字正交变换原理框图见图4-3。带通滤波A/D}0,1,0,{1,2sin0ntf}0,1,0,{1,2cos0ntfFIR低通滤波器FIR低通滤波器1/2抽取1/2抽取IQfs=2Bf0=B图4-3采用低通滤波器法的数字正交变换原理图经过数字正交换后，I(n)和Q(n)的数据速率可以通过抽取降低下来，在80MHzsf的情况下如果按16:1抽取，这时I(n)和Q(n)的速率为5MHz，即200tns。下面以仿真的形式验证中频数字正交插值的有效性。低通滤波器的参数：B＝5MHz，F0=60MHz，Fs＝80MHz。设计的低通滤波器为32阶，阻带-50dB。01020304050607080-80-70-60-50-40-30-20-100幅频特性频率(MHz)幅度/dB图4-4低通滤波器的幅频特性仿真信号条件:信号形式为线性调频信号，信号参数为带宽B＝5MHz，信号中心频率f0＝60MHz，采样率fs＝80MHz，AD采样之后的数据的时域波形和频-5-谱如下图所示：0100200300400500600700800900-1-0.500.51采样单元幅度01020304050607080-2002040频率（MHZ）幅度（dB）图4-5AD采样的中频数字信号020406080100120-1-0.500.51采样单元实部及虚部012345678910-1001020频率（MHZ）幅度（dB）图4-6数字正交变换后的基带信号五数字脉冲压缩1、脉冲压缩信号形式如下表5.1信号形式序号信号种类时宽（us）带宽（MHz）1线性调频1052线性调频205-6-2、不同时宽下的脉冲压缩结果（加海明窗）：0510152025303540-80-70-60-50-40-30-20-100us图5-1时宽＝10us、带宽＝5MHz脉压结果01020304050607080-80-70-60-50-40-30-20-100us图5-2时宽＝20us、带宽＝5MHz脉压结果3、三种脉冲宽度下脉冲压缩处理所得的噪声改善因子：表5.2脉压处理噪声改善因子时宽（us）带宽（MHz）理论改善因子（dB）加窗处理损失（dB）实际改善因子（dB）105171.115.9205201.118.9-7-六动目标检测1、固定重复频率的工作模式：固定重频分别为：800Hz和400Hz，动目标检测按照目标所处区域是否含有杂波分别采用不同的滤波器进行处理。表6.1不变T工作模式的重复周期表脉冲模式（PRT1M）脉冲模式（PRT2M）1250μs2500.0μs杂波谱的分布情况：假定：地物杂波：v0.3米/秒气象杂波：v2m/s雷达杂波谱宽：2vf（6.1）在0.0318m(f=9432MHz)的情况下可以计算得到：20.318.90.0318f地Hz（6.2）22125.80.0318f气Hz（6.3）考虑到雷达天线扫描会引起杂波谱的展宽，实际的杂波谱会比上述值略宽一些，同时考虑雷达的重频较低，气象杂波的谱较宽，而且存在多普勒模糊，因此我们将在分析雷达回波气象杂波特性的基础上，优化滤波器凹口来实现对气象杂波的抑制。2、MTD滤波器的设计（1）重复频率为800Hz，积累脉冲数为16a．对不含有杂波区域的MTD滤波器组采用均匀多普勒组和海明加权，实际处理中可采用FFT处理来实现。16个滤波器组的特性如下图所示：-8--400-300-200-1000100200300400-60-50-40-30-20-100多普勒频率（Hz）图6-116个均匀脉冲多普勒滤波器组特性b．对含有杂波区的MTD滤波器组特性（要求凹口深度≤-60dB，凹口宽度±30Hz），需要分别设计不同的滤波器组在实现杂波抑制的同时实现动目标检测。0100200300400500600700800-80-70-60-50-40-30-20-100多普勒频率（Hz）图6-216个均匀脉冲带凹口的MTD滤波器组特性（2）重复频率为400Hz，积累脉冲数为8a．对不含有杂波区域的MTD滤波器组采用均匀多普勒组和海明加权，实际处理中可采用FFT处理来实现。8个滤波器组的特性如下图所示：-9--200-150-100-50050100150200-60-50-40-30-20-100多普勒频率（Hz）图6-38个均匀脉冲多普勒滤波器组特性b．对含有杂波区的MTD滤波器组特性（要求凹口深度≤-45dB，凹口宽度±30Hz），需要设计一个MTD滤波器在实现杂波抑制的同时实现动目标检测。050100150200250300350400-80-70-60-50-40-30-20-100多普勒频率（Hz）图6-48个均匀脉冲MTD滤波器特性表6.2变T工作模式的重复周期表：工作模式（标识）脉冲模式（PRT1M）脉冲模式（PRT2M）变T模式T11333.375μs(750.0Hz)1190.475μs(840.0Hz)T22877.7μs(347.5Hz)2364.075μs(423.0Hz)-10-七恒虚警处理(CFAR)1、杂波背景下的CFAR检测杂波可以看作是许多独立照射单元回波的叠加，杂波包络的分布也接近瑞利分布，如果检测背景中存在此类杂波，检测门限可以通过计算杂波的均值得到，但是因为杂波在空间分布的未知性，求杂波均值的样本只能从被检测目标邻近单元来获得，这就是目前比较常用的单元平均CFAR检测器。为了减少这类检测器在杂波边缘内侧虚警显著增大问题，一般采用其改进电路——两侧单元平均选大电路，见图7-1。在被检测单元两侧各选L个单元，分别求这L个单元的均值，两者选大后输出，乘以门限乘子1C作为检测门限。图中被检测单元两侧各空出一个单元是为了避免目标本身对门限值的影响。单元个数L一般选8或16。1C由主控台设置确定。1LΣ÷L输入…………231LΣ÷L…………23选大检测输出门限C1被检测单元信号图7-1两侧单元平均选大CFAR检测器MTD滤波器有多路输出。所以，需要采用多路CFAR检测，见图7-2。-11-(N-1)#CFAR检测1#CFAR检测0#CFAR检测多路选大(N-1)#滤波器输出1#滤波器输出0#滤波器输出……检测输出图7-2MTD工作方式时的多路CFAR检测2、噪声恒虚警电路接收机噪声是白色高斯噪声，如果不存在杂波和其它干扰，在接收机的白色高斯噪声中，检测目标可以采用噪声电平恒虚警电路。因为白色高斯噪声经幅度检波器以后，概率密度分布符合瑞利分布，所以只需求得其噪声均值，再乘以一个大于1的门限乘子，作为检测门限就可以将虚警概率控制在允许值以下。求取接收机噪声均值所用的数据一般在雷达休止期内(认为只存在白噪声)获得。但是计算白噪声均值所需的样本数要求很大，而一个休止期内可用的样本数很有限，所以一般需要上百个周期的休止期样本取平均，所以CFAR检测门限的变化是很慢的，一般也称为慢门限CFAR电路。门限产生电路如图7-3所示，单元平均电路在每次发射的休止期内取噪声数据取平均值，递归滤波在发射与发射之间进行，递归滤波器的结构见图7-4。2C为噪声CFAR的门限乘子，它也由主控台送来。单元平均递归滤波检测C2输入输出图7-3噪声恒虚警电路-12-K∑∑Z-1ynyn-1xn图7-4递归滤波器从图7-4可见，11n-11()=ynnnnnnyxyKyKyKx（7.1）这里，K是一个大于0小于1的数，1Z表示跨发射周期的延迟，经过多个周期以后，ny将代表nx的均值。K值越接近于1，求平均的周期数越少，K值越接近于0，求平均的周期数就越多。八窄带识别工作模式在窄带识别工作模式是在知道目标距离和径向速度的条件下工作，雷达工作在固定重频的模式下，为了消除远距离目标的距离盲区，采用两种重复频率，工作时主要工作在其中的一种重频下，当发现识别目标落入该重频的距离盲区时切换到另外一种工作重频，具体雷达参数设置如下：表8.1窄带识别模式下的雷达重频及信号形式雷达重复频率（KHz）时宽（us）带宽（MHz）距离盲区（km）4210n×37.5±0.34.2210n×35.7±0.3窄带信号条件下的信号处理过程首先根据目标的运动速度进行初步的分类，然后再利用目标的回波做进一步分类，目标识别处理的具体流程如下图所示：-13-速度判决杂波抑制特征提取目标分类类别标号（三类目标）V1V2否喷气式飞机直升机目标回波和目标运动特性利用目标运动特性利用目标回波图8-1识别信号处理流程1、速度判决部分处理实际中，三类飞机目标（喷气式飞机、螺旋桨飞机、直升机）在速度上有着明显的差异，理论上螺旋桨飞机、直升机的最大平飞速度要小于喷气式飞机的最大平飞速度，而螺旋桨飞机、喷气式飞机的最小平飞速度又要大于直升机的最小平飞速度。流程图中，V1是螺旋桨类飞机最大平飞速度，V2是螺旋桨类飞机的最小平飞速度，显然目标速度大于V1的只可能是喷气式飞机，小于V2的只可能是直升机。对于目标速度[1,2]VV（即速度大于等于V1且小于等于V2），目标可能是喷气式、螺旋桨、直升机中的任何一类，此时单纯的速度门限不足以区分三类目标。这就需要利用基于目标回波的时域和频域特征对目标进行分类。2、杂波抑制部分处理杂波抑制是雷达信号处理中非常重要的一个环节。雷达探测的目标大多为运动目