闫冯军，汪永军，朱德智

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088）

0 引 言

民用船用雷达主要安装在港口船舶交通管理系统及各种类型的船舶上，主要用来对海上目标进行检测与跟踪、视频图像显示，执行船舶航行导航、航道避碰辅助和航行管理等［1］。船用雷达视频回波中包含了目标、杂波和噪声等信息，信号处理的任务是从其回波中最大程度地抑制海浪杂波、雨雪杂波、同频干扰以及噪声，保留航行中海面上的船舶、岛屿、浮标和灯塔等目标信息，实时提供目标数据供终端系统显示导航和避碰管理［2］。

为了更好地进行杂波抑制和目标检测，先对目标视频回波进行信号预处理。早期传统的船用雷达视频回波信号处理都是基于模拟电路实现，而且通常没有信号预处理，其电路可靠性和灵活性差。借助数字信号处理和计算机技术的高速发展，基于全数字化设计的信号处理技术成为了可能，为此，积极开展视频回波的预处理方法研究，探索预处理的关键技术和数字化实现，为后续的信号处理打下坚实的基础。

1 视频回波描述

1.1 视频回波模型

船用雷达天线接收到的射频回波信号首先进入接收机，经过混频后得到中频信号，中频信号进入对数放大器进行对数放大和包络检波，然后输出对数视频信号，模型如公式（1）所示：

式中：s（t）为目标；c（t）为杂波；n（t）为噪声［3］。

由于雷达为低分辨率，目标呈现点目标特性，基于固定载频的窄脉冲发射信号，s（t）可表示为：

式中：f0、φ0和U分别为发射信号的载频、相位和幅度；K r为反射系数；T r为发射信号的脉冲重复周期；τ为发射脉冲宽度；τr为目标的时延；φr为目标反射引起的相移；f d为目标的多普勒；其中K r和τr为距离r的函数。

射频回波x（t）进入接收机后，经过混频、对数放大和检波，忽略了载频、相位和多普勒等信息，输出对数包络视频信号为：

式中：a、b为对数放大器的运算因子；abs为求模函数。

图1所示为船用雷达在复杂海面环境下典型的视频回波图，横坐标为距离，纵坐标为幅度。零距离单元附近为雷达发射主波泄漏信号，近区为强海浪等杂波，群山、岛屿和船舶等目标信号叠加在全程的噪声中。

图1 船用雷达视频回波

1.2 目标起伏模型

由于天线的扫描，造成每个脉冲重复周期幅度上的调制效应。特别对于船用雷达，由于是运动载体平台，船舶航行过程中的上下左右摇摆晃动会引起连续多次脉冲重复周期的目标回波幅度具有一定的起伏闪烁。可以用Swerling模型来描述幅度起伏，目标起伏特性用雷达散射截面积（RCS）来表征。

当装载雷达的船舶驻留在港口或者在海况较好的近海区航行时，目标呈现慢起伏特性，脉冲与脉冲间相关，帧与帧间独立，目标模型一般为SwerlingⅠ型，考虑到船用雷达为低分辨率雷达，以及海面目标的多散射点特性，其幅度统计分布服从瑞利分布；当船舶航行速度较快，或者位于远海区等海情恶劣的情况下，目标还会部分呈现快起伏特性，即脉冲与脉冲间独立，此时目标模型可认为是SwerlingⅡ型，概率密度函数也服从瑞利分布［4］：

式中：x为目标的散射截面积为目标起伏截面积的平均值。

图2所示为船舶在近海区探测时的多周期目标回波图。可以看出，目标呈现慢起伏特性，连续多周期信号是相关的。对于恶劣海洋环境下的快起伏目标，基于单次脉冲的信号检测漏警率和虚警率都很高，采用后续介绍的多周期非相参脉冲积累处理，可提高目标的检测概率。

2 信号预处理技术

2.1 脉冲噪声抑制技术

为了消除由微波电路带来的信号毛刺，即剔除脉冲噪声对回波的影响，必须采取相应的抑制措施。考虑到目标在距离上占据一定的宽度，采用基于视频回波过采样数据脉冲噪声抑制技术。

脉冲噪声抑制技术功能实现如图3所示，微波单元下行的模拟回波数据，经过模拟数字转换器转换为数字序列si（j），其中i表示脉冲重复周期序号，j表示过采样距离维序号。为了预处理以及回波细节显示的需要，这里采用高于信号自身带宽的时钟进行高速数字过采样，即f s≥K·fmax，其中K≥8。对于不同的量程，根据其工作模式在相应的雷达休止区时域开窗，选取噪声样本得到多周期噪声均值N i，关联多周期N i值得到噪声均值N，其中N是时间的函数。依次对si（j）通过延迟线，按距离进行数据对齐，则基于周期i的j单元的数据得到新的序列A i（j）＝ ｛si（j），si（j＋1），… ，si（j＋M－1）｝，其中M为数据相关参数，取值与采样率和目标距离分辨率有关。对Ai（j）进行判决，如果序列中元素过噪声门限且任一元素大于噪声均值不成立，即 min［Ai（j）］＜ （N＋T h）且Si（j）］＞ （N＋T h），则判决为脉冲噪声，输出为噪声均值N上叠加随机值R and，否则判决为目标或者普通噪声，T h为判决的二次门限。然后再根据工作模式，对非近程模式的目标进行后续的距离滑窗积累处理，近程模式的目标直接输出原值。

图2 多周期慢起伏目标回波

图3 脉冲噪声抑制流程图

图5所示为基于图4所示的回波进行上述脉冲噪声抑制处理后的回波图，可以看出噪声区箭头附近处的脉冲噪声被显著抑制。

图4 脉冲噪声抑制前回波图

图5 脉冲噪声抑制后回波图

2.2 距离滑窗积累技术

为了更好地显示回波的边缘，提高回波显示的饱满度，同时最大程度地提高回波距离分辨率，如图3所示，基于去脉冲噪声抑制处理后的数据s′i（j），在距离维进行滑窗积累处理得：

式中：1≤j≤Rmax－M＋1，Rmax为基于数字过采样后最大距离对应的单元序号。

对周期i的距离维j单元数据，关联相邻M个距离维单元的数据进行积累后求平均，处理在距离维上滑窗进行。

图6所示为基于图5所示回波进行上述距离滑窗积累处理后的仿真图，可以看出目标回波在距离维的边缘变得更平滑，反映到显示画面上就是目标回波距离更饱满和连续，同时由于在距离维也进行了积累，所以噪声方差变小，检测信噪比增加。

2.3 非相参积累技术

为了进一步提高检测信噪比，同时提高目标回波在方位上的边缘连续和饱满显示效果，在雷达多个脉冲重复周期内，即方位维进行非相参积累。

图6 距离滑窗积累仿真图

一般来说经过N次非相参积累后信噪比提高了倍，同时由于海杂波的时间相关性，即相邻脉冲重复周期间的海杂波并不是完全独立的，其相关性与时间呈反比，所以多周期的处理减弱了其相关性，故也能部分提高检测信杂比。其次，N个周期回波按距离维单元多周期非相参积累后，在方位维目标的边缘变得更平滑，反映到显示画面上即为目标方位更饱满和连续。再次，基于相邻脉冲重复周期间的参差性，多周期非相参积累对同频干扰也能起到好的抑制效果。

非相参积累宽度，即积累的脉冲周期数的选择要与波束扫描过目标期间内收到的回波总数k相匹配：

式中：θα为雷达波瓣水平宽度角；θscan为天线扫描速率；fPRFi为雷达脉冲重复频率；i为多周期参差脉冲的序号；min为求小函数。

考虑到回波方位显示的连续性［5］，并没有采用k个周期出一个积累结果，而是每个周期出一个结果，采用类似先进先出的多周期滑窗处理，滑窗宽度内始终保持同一距离维单元内当前k个周期信号：

图7所示为较好海况情况下近海区域探测的回波波形，图7（a）表示进行非相参积累处理前的回波图，方框内为渔船小目标信号。通过公式（7）所描述的方法，并取k＝8，通过仿真可得进行非相参积累处理后的回波图。如图7（b）所示，对比可以看出0.8 nm附近处的小目标经过多周期非相参积累后，信噪比显著提高。同时，积累也使得噪声方差进一步变小，检测性能更加提高。

图7 多周期回波非相参数积累仿真图

3 结束语

本文对船用雷达的海面目标视频回波的预处理方法进行了研究，提出了脉冲噪声抑制技术、距离维滑窗积累技术和方位维非相参积累技术等综合预处理方法。通过船用雷达航行探测中的实际视频回波数据，对上述方法进行了仿真和分析，验证了其有效性。本文提出的视频回波综合预处理方法，已成功应用于民用领域的船用雷达中，实际使用效果很好，具有很大的实用价值，满足了技术发展对船用雷达的最新要求［6］。

［1］李海凤.船舶通信与导航［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.

［2］张润泽.船舶导航雷达［M］.北京：人民交通出版社，1990.

［3］Briggs John N.Target Detection by Marine Radar［M］.席泽敏译.北京：电子工业出版社，2009.

［4］伊伏斯·杰里L，里迪·爱德华K.现代雷达原理［M］.卓荣邦译.北京：电子工业出版社，1991.

［5］Fesenko L D，Nechiporenko A N.Small－sized ship navigating radar for the purposes of short－range navigation［J］.Journal of Jiangsu Teachers University of Technology，2011，17（6）：12－19.

［6］彭祥龙.船用导航雷达的技术发展及最新应用 ［J］.电讯技术，2013，53（9）：1247－1252.