杂波环境下雷达信号处理分析

张冉

江苏金陵机械制造总厂 江苏 南京 211100

摘要：为解决杂波环境下雷达系统难以提取目标信号的问题，本文引入一种共轭相乘方法进行原目标信号提取方法的优化，通过生成目标信号的复高分辨一维像，对一维像进行慢时间差分处理，在此基础上引入共轭相乘方法提取处理结果的实部，经由积分处理即可最终提取待测目标的微振动信号，实现对目标信号的高精度提取，为非接触式测量领域提供有效方法。

关键词：雷达信号；杂波环境；回波信号；信号提取

引言：雷达装置集成化发展引领装备、重工与机械制造行业的技术革新，在路桥质量监测、工程探测等多个领域收获广泛应用价值。当前受复杂电磁环境的影响，在雷达信号处理过程中常面临杂波、噪声等干扰因素，难以保证从回波信号中快速准确提取目标信号，对于雷达信号处理与干扰屏蔽机制的研究提出现实要求。

1雷达信号处理方法建模

1.1回波信号接收原理

考虑到雷达探测环境中存在杂波、噪声与其他干扰因素，导致获取的回波信号质量较差，难以获得有效信息，对于雷达信号处理机制的改进提出迫切需求^[1]。雷达目标探测的基本原理是以目标回波信号作为接收对象，待发射机向自由空间发出电磁波后，与待测目标接触发生散射现象，将产生的目标回波信号S(t)经由收发转换开关反向传递至接收机端，在此过程中电磁环境中的噪声N(t)、杂波C(t)均会对目标回波信号产生干扰，影响到接收信号x(t)质量，增加延迟时间τ、多普勒频移、角闪烁以及RCS起伏σ等干扰信息J(t)^[2]。将信号传播过程中的衰减设为A，自由空间内传播常数为k，载频为f_c，多普勒频率为f_d，目标与雷达的初始距离为R₀，则雷达接收信号与目标回波信号分别表示为：

根据上述公式，可完成目标距离、速度等参数的计算。在后续信号处理环节，需对噪声、杂波、干扰进行有效抑制，保证最终接收信号质量。

1.2雷达信号提取方法

结合回波信号接收原理，将待测目标因位置移动或自身振动产生的位移变化量设为M(t)，且位移变化量小于系统工作波长，对于伴随时间推移杂波环境发生的变化可忽略不计。对雷达探测目标的回波信号进行高分辨处理，从距离像中提取分辨单元，在不考虑杂波环境中噪声、干扰影响的条件下，将该分辨信号单元的复信号设为s_r(t)，一维像的幅度、相位分别为K_r、Φ_r，与其距离一致的分辨单元中杂波幅度、相位分别为K_c和Φ_c,目标移动后的幅度、相位分别为K_d和Φ_d，目标回波的初始相位、等距离分辨单元内合成杂波初始相位分别为Φ_d0和Φ_c0，因雷达探测系统工作频率失稳使回波、杂波产生的噪声相位分别为Φ_dn和Φ_cn，则由此可建立目标回波的相位及其位移量间的函数关系式，表示为：

在信号杂波比的计算分析上，分别围绕以下两种情况进行讨论：其一是在不涉及到杂波的情况下，可借助高通滤波将回波相位中的静止相位滤除，基于4π/λ的倍数进行振动调制相位的计算，而噪声相位因其功率谱密度与全多普勒带宽重合使其覆盖范围涉及到目标位移涵盖的频率范围，由此对最终提取的雷达信号产生干扰，影响到雷达信号处理效果。其二是在杂波强度超过目标信号强度，在此情况下回波相位的组成仍保持不变，但调制系数大幅缩小、信噪比明显恶化，说明电磁环境中存在的强杂波将使振动调制信号的信噪比大幅下降。

1.3差分共轭相乘法优化方法

为实现对目标信号处理方法的优化，拟引入一种差分共轭相乘方法进行信噪比优化，利用1阶泰勒进行目标距离分辨单元复信号的近似处理，经由求解时间导数、去除直流分量，建立两路盲信号混叠矩阵，将位置系数的2×2混叠矩阵设为M，通过对混叠矩阵进行求逆获得伴随矩阵W。在此基础上，对均值为0、独立存在非高斯随机过程Φ^’_m(t)进行估计，完成复信号时间均值与复共轭运算求解，经由积分处理后即可生成动信号输出量，并且为便于实际处理环节提升雷达信号提取效率，可运用瞬时值进行时间平均值的替代，将一个相参积累周期设为Δt，用于指代第n个脉冲重复周期，最终完成振动信号的提取，表示为：

通过运行上述流程，完成基于差分共轭相乘法的雷达信号提取方法建构，在实际信号处理环节分两种情况进行讨论：一方面，假设杂波的等效散射中心恰好位于雷达探测目标所处位置，由于雷达系统的工作波长往往小于距离分辨率，杂波等效散射中心等同于某一距离单元中各散射中心叠加结果，由此可知在雷达实际工作环境中不存在上述情况；另一方面，假设杂波的等效散射中心与待测目标的距离为二分之一工作波长的倍数，该情况在雷达实际工作中存在发生的可能性，对此需获取回波信号的短时功率谱，完成峰值信噪比的计算与比较，并依据该数值进行工作波长的调整，如采用双载波交替发射机制进行雷达发射方案设计等，避免间距恰好为二分之一工作波长的整数倍，保证最终成功提取高精度目标信号。

结合上述方法建构思路，可将最终目标信号提取流程总结为：原始回波→距离高分辨合成→慢时间差分、复共轭→取实部→判断功率谱峰值信噪比是否小于Th，是则调整载波中心频率，重复距离高分辨率合成后续流程，否则将提取目标信号输出。

2基于System Vue建立雷达信号处理模型

2.1脉冲压缩模型

利用System Vue仿真软件，基于快速傅里叶变换（FFT）算法进行雷达信号的脉冲压缩处理，分别设置FFT参数、雷达信号带宽、基带采样率等参数，并根据窗口函数类型进行幅度加权函数的针对性选择，用于抑制处理结果的旁瓣，保证脉冲压缩模型精度。

2.2 MTD模型

利用该模块可实现对不同PRI回波差拍数据的FFT处理，根据频域加权结果进行多普勒域的自定义，设置脉冲重复间隔、脉冲数、频率域权重等参数，并完成时域窗口函数的定义，便于选择时间窗口。

2.3 CFAR模型

该软件可提供一维、二维恒虚警模型，两种模型仅在数据选择、参数设置上存在差别，其中一维恒虚警模型主要采集速度、距离两类数据窗信息，二维模型适用于距离-多普勒阵列雷达的检测单元。

2.4雷达信号处理效果

通过整合上述模块进行雷达信号处理模型的总体设计，将其应用于杂波环境下进行动目标处理时，可选用MTI、MTD两种技术类型，其中MTI主要依托杂波抑制滤波器发挥对杂波的抑制作用、增强雷达显示能力，MTD基于多普勒滤波器进行分组检测、增强雷达检测能力。基于信号间的速度差进行回波信号多普勒差异的比较分析，实现对动目标、杂波信号的有效区分，依托滤波器将杂波滤除，即可获取更加精确的动目标回波信号，借此优化信号杂波比。在此基础上，为进一步实现对杂波环境下目标的确认，控制虚警概率，还可引入CFAR方法进行待检测单元中噪声、干扰的预估，完成阈值的设计与信号比较，即可实现对待测目标的有效判断。

结论：通过引入差分共轭相乘法进行杂波环境下雷达信号提取方法的优化，可使动提取信号的输出信噪比明显提升，实现对目标信号的有效提取。但在实际信号测试中还需考虑虚警概率，引入恒虚警模块进行雷达自动检测门限的求解，通过基于门限值与检测单元信号进行对比，即可完成对检测单元中目标信号值的判断，有效滤除杂波，提高雷达系统探测精度。

参考文献：

[1]刘代,赵永波,郭敏,等.一种杂波环境下机动目标跟踪算法[J].电子科技大学学报,2020,(02):6.

[2]周寒瑜,祝怡翔,陆龙.一种基于逆高斯纹理的MIMO雷达AMF检测算法[J].电子测量技术,2020,(17):4.