一种基于中位数估计的自适应雷达海杂波抑制方法与流程

本发明涉及一种基于中位数估计的自适应雷达海杂波抑制方法，属于雷达接收信号处理技术领域。

背景技术：

海面受到风力、浪涌和环境湿度等多种自然因素的影响，因而较为复杂，具有很强的动态特性。海杂波是海表面对雷达发射信号的后向散射回波。它常常严重地限制雷达的探测性能，特别是对于海面附近的小目标，比如小船、导航浮标、低空直升机等。因此，海杂波的抑制技术在雷达海面目标探测领域是一个具有现实意义和亟待解决的难题。

对于相干的高分辨率雷达，经典的杂波抑制方法是动目标指示(movingtargetindication，mti)技术。由于很多杂波都是静止物体的散射回波，所以由这些静止物体散射回波形成的杂波的频谱一般集中在零频附近或脉冲重复频率的整数倍附近。相对于这些杂波，目标多是快速运动的。所以为了将这些慢速运动或固定的目标与快速运动的目标区分开来可以使用特殊的滤波器，这类滤波器称为动目标显示器。实际上，mti滤波器的目的就是抑制慢速运动或固定物体所形成的杂波，并使运动目标回波没有损失的或损失很小的通带滤波器。但是，mti方法并不适用于海杂波的抑制问题：一是海杂波的中心频率是时变的，而且常常偏离零频位置；二是海杂波的形状和谱宽随着时间和空间都会发生变化，固定形态的mti滤波器组不能及时地对这些变化作出反应。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于中位数估计的自适应雷达海杂波抑制方法，能够克服海杂波中动目标回波信号比较微弱、信杂比低的问题，并且能克服海杂波信号的空时非平稳性，实现自适应的杂波抑制方案。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于中位数估计的自适应雷达海杂波抑制方法，用于实现对目标雷达海杂波的抑制，包括如下步骤：

步骤a.采集目标雷达的回波信号，并进行短时傅里叶变换，获得多普勒谱，然后进入步骤b；

步骤b.采用中位数算子估计方法，计算获得多普勒谱中各距离元下、各频率通道的海杂波强度，然后进入步骤c；

步骤c.根据多普勒谱中各距离元下、各频率通道的海杂波强度，构建目标雷达所对应的海杂波抑制滤波器，然后进入步骤d；

步骤d.将目标雷达的回波信号通过目标雷达所对应的海杂波抑制滤波器，实现对目标雷达海杂波的抑制。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤a中，采集目标雷达的回波信号，并进行短时傅里叶变换，获得多普勒谱，若其中多普勒频率域上通道的个数小于2n+1，则重新执行步骤a；反之进入步骤b；其中，式中，表示向上取整，δf表示多普勒谱的分辨率，fb表示目标雷达所对应的布拉格频率。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b中，分别针对多普勒谱中的各个距离元，执行如下步骤b1至步骤b2，获得距离元下各频率通道的海杂波强度，进而获得多普勒谱中各距离元下、各频率通道的海杂波强度，然后进入步骤c；

步骤b1.将距离元下的各个频率通道分别作为待估计频率通道，分别针对各个待估计频率通道，执行如下步骤b1-1至步骤b1-3，获得待估计频率通道所对应的功率值序列，进而获得各个待估计频率通道分别所对应的功率值序列，然后进入步骤b2；

步骤b1-1.判断该距离元下、待估计频率通道之前频率通道的个数是否小于n，是则分别获得待估计频率通道之前各频率通道的功率值、待估计频率通道的功率值、以及待估计频率通道之后n个频率通道的功率值，构成待估计频率通道所对应的功率值序列；否则进入步骤b1-2；

步骤b1-2.判断该距离元下、待估计频率通道之后频率通道的个数是否小于n，是则分别获得待估计频率通道之前n个频率通道的功率值、待估计频率通道的功率值、以及待估计频率通道之后各频率通道的功率值，构成待估计频率通道所对应的功率值序列；否则进入步骤b1-3；

步骤b1-3.分别获得待估计频率通道之前n个频率通道的功率值、待估计频率通道的功率值、以及待估计频率通道之后n个频率通道的功率值，构成待估计频率通道所对应的功率值序列；

步骤b2.分别针对该距离元下的各个待估计频率通道，针对待估计频率通道所对应功率值序列中的各个功率值进行排序，获取排序中的中位数，作为该待估计频率通道的海杂波强度，进而获得该距离元下、各频率通道的海杂波强度。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤b2中，分别针对该距离元下的各个待估计频率通道，针对待估计频率通道所对应功率值序列中的各个功率值进行排序，并按如下公式：

获取排序中的中位数，作为该待估计频率通道的海杂波强度进而获得该距离元下、各频率通道的海杂波强度；其中，1≤m≤m，m表示多普勒谱中距离元的个数，fr表示目标雷达的脉冲重复频率，表示多普勒谱中第m个距离元下、f频率通道的海杂波强度；plw表示按步骤b1所获待估计频率通道之前对应各频率通道的功率值，pproc表示待估计频率通道的频率值，prw表示按步骤b1所获待估计频率通道之后对应各频率通道的功率值，[plw,pproc,prw]表示plw、pproc、prw各频率通道频率值所构功率值的排序序列，median{}表示中位数获取。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤c中，根据多普勒谱中各距离元下、各频率通道的海杂波强度按如下公式：

获得多普勒谱中各距离元下、各频率通道所对应的海杂波抑制滤波器hm(f)，进而构成目标雷达所对应的海杂波抑制滤波器，其中，hm(f)表示多普勒谱中第m个距离元下、f频率通道所对应的海杂波抑制滤波器，min{}表示最小值获取。

作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤d中，将目标雷达的回波信号通过目标雷达所对应的海杂波抑制滤波器，通过回波信号与目标雷达所对应海杂波抑制滤波器相乘，实现对目标雷达海杂波的抑制。

本发明所述一种基于中位数估计的自适应雷达海杂波抑制方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明所设计基于中位数估计的自适应雷达海杂波抑制方法，通过实数序列构造海杂波抑制滤波器，不改变抑制前后的多普勒谱的相位，仅利用一个脉冲累积时间的数据进行估计和处理，操作简单易行，具有很强的实时性；实际应用中，对于每个距离元和每个时间元(即脉冲累积时间)都是自适应的，克服了海杂波在时域和空域上的非平稳性；而且能有效抑制海杂波，改善信杂比，从而使微弱目标突显出来。

附图说明

图1是本发明所设计基于中位数估计的自适应雷达海杂波抑制方法的流程图；

图2是本发明中利用滑窗和中位数实现海杂波功率估计的示例图；

图3a是利用本发明设计方法对应各多普勒通道的功率衰减情况示意图；

图3b是利用本发明设计方法对应各多普勒通道进行海杂波抑制前后的示意图；

图4a是原始实测数据的距离-多普勒谱示意图；

图4b是针对图4a应用本发明设计方法之后的效果示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

理论分析和实测数据表明，当微波雷达以低掠射角探测海面时，海面回波的多普勒谱表现为一个具有较大能量密度的宽峰，其谱中心和谱宽度随着时间和空间而快速变化。上述现象启发我们设计一个时变的高通滤波器来抑制海杂波，即利用邻近多普勒通道的功率值来估计海杂波的功率。但是，目标信号或偶尔出现的异常变化将导致估计值偏离正常的海杂波功率谱。采用中位数算子能够在实时估计杂波的功率谱时自动剔除野点的影响。因此，采用基于中位数估计的杂波抑制滤波器，能够实时实现海杂波的自适应抑制，并且操作简单易行。

基于上述，本发明设计了一种基于中位数估计的自适应雷达海杂波抑制方法，用于实现对目标雷达海杂波的抑制，实际应用当中，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤a.采集目标雷达的回波信号，并进行短时傅里叶变换，获得多普勒谱，若其中多普勒频率域上通道的个数小于2n+1，则重新执行步骤a；反之进入步骤b；其中，式中，表示向上取整，δf表示多普勒谱的分辨率，fb表示目标雷达所对应的布拉格频率。

步骤b.采用中位数算子估计方法，分别针对多普勒谱中的各个距离元，执行如下步骤b1至步骤b2，获得距离元下各频率通道的海杂波强度，进而获得多普勒谱中各距离元下、各频率通道的海杂波强度，然后进入步骤c。

步骤b1.将距离元下的各个频率通道分别作为待估计频率通道，分别针对各个待估计频率通道，执行如下步骤b1-1至步骤b1-3，获得待估计频率通道所对应的功率值序列，进而获得各个待估计频率通道分别所对应的功率值序列，然后进入步骤b2。

步骤b1-1.判断该距离元下、待估计频率通道之前频率通道的个数是否小于n，是则分别获得待估计频率通道之前各频率通道的功率值、待估计频率通道的功率值、以及待估计频率通道之后n个频率通道的功率值，构成待估计频率通道所对应的功率值序列；否则进入步骤b1-2。

步骤b1-2.判断该距离元下、待估计频率通道之后频率通道的个数是否小于n，是则分别获得待估计频率通道之前n个频率通道的功率值、待估计频率通道的功率值、以及待估计频率通道之后各频率通道的功率值，构成待估计频率通道所对应的功率值序列；否则进入步骤b1-3。

步骤b1-3.分别获得待估计频率通道之前n个频率通道的功率值、待估计频率通道的功率值、以及待估计频率通道之后n个频率通道的功率值，构成待估计频率通道所对应的功率值序列。

步骤b2.分别针对该距离元下的各个待估计频率通道，针对待估计频率通道所对应功率值序列中的各个功率值进行排序，按如下公式：

获取排序中的中位数，作为该待估计频率通道的海杂波强度进而获得该距离元下、各频率通道的海杂波强度；其中，1≤m≤m，m表示多普勒谱中距离元的个数，fr表示目标雷达的脉冲重复频率，表示多普勒谱中第m个距离元下、f频率通道的海杂波强度；plw表示按步骤b1所获待估计频率通道之前对应各频率通道的功率值，pproc表示待估计频率通道的频率值，prw表示按步骤b1所获待估计频率通道之后对应各频率通道的功率值，[plw,pproc,prw]表示plw、pproc、prw各频率通道频率值所构功率值的排序序列，median{}表示中位数获取。

上述步骤b中利用滑窗实现待估计频率通道、以及其之前、之后频率通道的获取，其中滑窗的长度为2n+1，待估计频率通道始终位于滑窗的中间位置，通过此滑窗设计实现上述步骤b的操作。

步骤c.根据多普勒谱中各距离元下、各频率通道的海杂波强度按如下公式：

获得多普勒谱中各距离元下、各频率通道所对应的海杂波抑制滤波器hm(f)，进而构成目标雷达所对应的海杂波抑制滤波器，然后进入步骤d，其中，hm(f)表示多普勒谱中第m个距离元下、f频率通道所对应的海杂波抑制滤波器，min{}表示最小值获取。

步骤d.将目标雷达的回波信号通过目标雷达所对应的海杂波抑制滤波器，通过回波信号与目标雷达所对应海杂波抑制滤波器相乘，实现对目标雷达海杂波的抑制。

将上述所设计基于中位数估计的自适应雷达海杂波抑制方法，应用于具体实施例当中，其中，实验所用的雷达回波数据是自主研制的s波段海洋遥测仪在2012年底获得的，雷达主要参数如下：发射频率为2.85ghz，距离分辨率为7.5m，脉冲重复频率为256hz，天线主瓣宽度为30°；环境主要参数如下：有效浪高为1.68m，有效浪周期为8s，风速为6.4m/s。数据处理中，根据算法设计将各相关参数设置如下：相干处理时间cpi＝0.5s，短时傅里叶变换的时间窗长度n傅＝prf·cpi＝128，左右参考单元个数

取出第240个时间元、第20个距离元的数据作为示例来说明本发明的应用情况。如图2所示，观察原始多普勒谱和估计的谱，可以发现估计得到的多普勒谱能够很好地吻合海杂波功率在各多普勒通道的分布情况；如图3a所示利用本发明设计方法对应各多普勒通道的功率衰减情况示意图，以及图3b所示利用本发明设计方法对应各多普勒通道进行海杂波抑制前后的示意图；从中可以看到，构建的自适应滤波器能够有效地抑制海杂波，同时保留目标信号。虽然目标信号在通过滤波器后衰减了大约5db，但是海杂波被抑制了28db左右，相当于信杂比提高了大约23db。如图4a所示原始实测数据的距离-多普勒谱示意图，以及图4b所示针对图4a应用本发明设计方法之后的效果示意图；从中可以看到，海杂波信号得到了有效的抑制，并且目标信号的损失较小。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。