雷達在不同雜波背景下的恒虛警率處理

陳娟　劉浩

摘要：雷達工作在復雜多變的雜波環(huán)境中，自適應地選擇一種與雷達工作環(huán)境匹配的恒虛警率檢測器，是恒虛警處理的核心。文章主要論述符合高斯分布的噪聲和雜波背景下，幾種典型恒虛警檢測器的優(yōu)缺點、適用環(huán)境；并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗給出各類恒虛警門限的優(yōu)化設計原理，提出了在不同環(huán)境下的最優(yōu)恒虛警檢測處理流程。

關鍵詞：雷達信號；恒虛警檢測；軟件流程圖

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）09-0220-04

Abstract：Radar works in a complex clutter environment， self-adaptive selection of optimal type of CFAR（Constant False Alarm Rate） detector in different environment is the core of CFAR processing technology. This paper discusses the advantage and disadvantage of several typical CFAR detector， and the suitable environment in Gaussian disturbing background. Combined with engineering practice experience， we propose the optimal design principle of all kinds of CFAR threshold， at the same time， propound the optimal CFAR detection processing under the different environment.

Key words： radar signal； constant false alarm detector； software flowchart

雷達接收的回波信號中即包含目標信號，也包含各種噪聲、雜波和干擾信號。在目標檢測中，恒虛警檢測器采用的目標判決門限能隨著被檢測點的背景噪聲、雜波和干擾的大小自適應調(diào)整，使得虛警概率恒定的同時得到高的檢測概率。

根據(jù)目標所處的回波環(huán)境，恒虛警檢測可劃分為兩類：清潔環(huán)境恒虛警檢測；雜波環(huán)境恒虛警檢測。其中，清潔環(huán)境指沒有固定地物雜波的噪聲環(huán)境，但是在這種環(huán)境下仍然會存在被測單元受多目標和強干擾的影響；雜波環(huán)境指存在固定地物雜波的復雜環(huán)境。

目前，幾種典型的恒虛警檢測器都存在各自的特點，使得他們在不同回波環(huán)境中的檢測效率有明顯區(qū)別，因此，針對不同的回波環(huán)境，選擇一種最優(yōu)的恒虛警檢測器將在控制一定虛警率的同時提高目標檢測概率。

1典型的恒虛警檢測器分析

1.1 單元平均恒虛警檢測器（CA_CFAR）

計算被測目標單元兩側(cè)各N個距離單元樣本的均值，作為CA_CFAR目標檢測門限。

CA_CFAR的門限計算不受目標自身的影響，在清潔環(huán)境中使用能得到高的目標檢測概率，同時有效的控制虛警率。但是，如果參考單元內(nèi)存在多目標或者強干擾，將引起門限抬高，其檢測性能也會大大下降。

文獻【3】中提出：當參考單元數(shù)與干擾目標數(shù)的比值小于歸一化門限時，不管怎樣增大信噪比，主目標始終被“遮擋”，歸一化門限的公式推理如下：

由于參考單元采樣服從指數(shù)分布，其概率密度函數(shù)為：

假定有N個采樣單元，且獨立同分布，則N個采樣均值Z的概率密度函數(shù)為：

虛警概率為：

由上述三式可推得歸一化門限為：

通過參考單元數(shù)N和指定虛警率Pfa可計算歸一劃門限T，通常虛警率要求為10-6。

由式可推算出主目標不被“遮擋”時，參考單元數(shù)N與可容忍的干擾目標數(shù)I的對應關系，CA_CFAR參考單元的選擇及門限優(yōu)化算法可以此為依據(jù)。

對于雜波區(qū)的目標檢測，CA_CFAR會導致高虛警率。綜上所述，CA_CFAR適用于清潔環(huán)境，且參考單元中多目標和強干擾數(shù)目小于I的情況。

1.2兩側(cè)單元平均選小恒虛警檢測器（SO_CFAR）

選取被測單元兩側(cè)各N個距離單元樣本，分別求均值，選擇均值中的小值作為SO_CFAR目標檢測門限。

SO_CFAR解決了CA_CFAR不適用于被測單元兩側(cè)樣本中存在多目標或者干擾的情況。但是對于雜波區(qū)檢測也會導致虛警率升高。

因此，SO_CFAR適用于清潔環(huán)境中參考單元存在多目標和強干擾的情況。

1.3兩側(cè)單元平均選大恒虛警檢測器（GO_CFAR）

選取被測單元兩側(cè)各N個距離單元樣本，分別求均值，選擇均值中的大值作為GO_CFAR目標檢測門限。

GO_CFAR用于雜波環(huán)境中的目標檢測時能很好的控制由雜波引起的虛警率的升高。但是用于清潔環(huán)境檢測時，恒虛警損失大于CA_CFAR。

因此，GO_CFAR適用于雜波區(qū)檢測。

1.4雜波圖恒虛警檢測器（CLUTTER_CAFR）

雜波圖反應了雷達所處環(huán)境中地物雜波的分布情況，從方位和距離上將雜波圖分為若干小的區(qū)域，對于每一個方位_距離單元的小區(qū)域進行慢時間域積累，經(jīng)過長期積累后，雜波圖在固定的方位_距離單元上相對穩(wěn)定，取雜波圖積累穩(wěn)定后的幅度值作為在當前方位_距離向上的目標檢測門限。

用GO_CFAR進行雜波區(qū)目標檢測時，如果GO_CFAR的門限采集單元中存在超雜波，將導致門限大幅度提高，造成漏警，目標是疊加在雜波上的，此時選用被測單元的雜波圖作為門限，將提高目標檢測概率；另外，如果被測單元是超雜波，由于超雜波幅度很大，用GO_CFAR也會引起超雜波檢測時虛警率的升高，而CLUTTER_CFAR的門限與回波中的雜波幅度相差不大，能很好的控制虛警率的升高。

文獻【1】給出了目標起伏符合swelingⅠ型模型時，雜波圖檢測概率的求取公式。輸入信號[Dn，m（l）]的概率密度函數(shù)為：

[f（D）=exp[-D/C（1+γ）]/C（1+γ）]，C是噪聲和雜波功率之和，[γ]是信號與C之比。

當判為有信號時，需要滿足下式：

[Dn，m（l）≥KEn，m（l-1）]

式中的[En，m（l-1）]為上一幀的雜波圖積累值。由于風的影響和天線掃描周期較長，認為當前信號輸入與雜波圖是統(tǒng)計獨立的，從而推出檢測概率為：

[pd=l=0∞[1+Kω1+γ（1-ω）l]-1]

令[γ]=0，可通過此式計算指定虛警率所需要的門限乘子K。

對于非超雜波區(qū)的目標檢測而言，CLUTTER_CFAR比GO_CFAR損失大。因此，CLUTTER_CFAR適用于雜波區(qū)的超雜波檢測。

2 自適應恒虛警檢測處理

2.1各類恒虛警檢測器門限優(yōu)化設計原理

2.1.1 CA_CFAR門限優(yōu)化設計

CA_CFAR門限優(yōu)化設計原理圖見圖1：

雷達回波信號經(jīng)MTD濾波后作為CA_CFAR輸入，圖中D為被測單元 ，P為保護單元，N為參考單元數(shù)。

設M為需要剔除的大值個數(shù)，一般情況下，M可取為參考單元數(shù)值2N的1/8。前后窗樣本剔除大值算法：將2N個樣本按從大到小的順序排列，剔除M個最大值，再對剩余的2N-M個樣本求平均，結(jié)果 μ 乘上K系數(shù)作為CA_CFAR目標檢測門限。

該設計的優(yōu)化在于對樣本進行剔除大值處理，使得門限更加穩(wěn)定，同時在被測單元兩側(cè)加入保護單元，減小目標對門限的影響。

2.1.2 GO_CFAR/SO_CFAR門限優(yōu)化設計原理

GO_CFAR/SO_CFAR門限優(yōu)化設計原理圖見圖2：

雷達回波信號經(jīng)MTD濾波后作為GO_CFAR/SO_CFAR輸入，圖中D為被測單元，P為保護單元，N為參考單元的樣本數(shù)，對N個樣本求平均得前窗均值μ1；后窗做同樣處理得后窗均值μ2，對μ1和μ2進行選大選/選小，結(jié)果μ乘上K系數(shù)作為GO _CFAR/SO_CFAR目標檢測門限。

該設計的優(yōu)化是在被測單元兩側(cè)增加了保護單元，減小目標對門限的影響。

2.1.3 CLUTTER_CFAR門限優(yōu)化設計原理

CLUTTER_CFAR門限優(yōu)化設計原理圖見圖3：

假設雜波圖按距離維劃分為n個單元，方位維劃分為m個單元，共nm個距離_方位單元。MTD濾波結(jié)果與上一幀（雷達天線掃描的上一圈）同一個距離_方位維的積累結(jié)果按不同權重相加，即

將上一幀的結(jié)果乘以K系數(shù)（K的選擇可根據(jù)1.4的推理結(jié)果計算得到）作為CLUTTER_CFAR門限。

該設計的優(yōu)點在于歷史積累的雜波圖幅度值與當前雜波圖幅度值按照不同的權重相加，減小了目標對雜波圖的影響；且選用上一幀積累的結(jié)果作為雜波圖門限，避免當前距離_方位上有目標，抬高目標自身的檢測門限。

2.2 各類恒虛警門限模擬、實測分析

2.2.1 CA_CFAR模擬分析

接收機產(chǎn)生的模擬目標回波信號經(jīng)濾波后在時域上的分布見圖4：

圖4的橫軸表示距離，縱軸表示功率，紅方框內(nèi)標定的是目標。圖4的模擬目標回波信號對應的CA_CFAR門限見圖5：

圖5的橫軸表示距離，縱軸表示功率，對照圖4、圖5可知，目標信號的功率值與CA_CFAR門限的功率值差距很大，能有效的檢測目標，同時，目標信號相鄰距離單元的功率值與門限值相差明顯減小，有效控制了相鄰單元的虛警率。

2.2.2 GO_CFAR模擬分析

接收機模擬目標回波信號對應的GO_CFAR門限見圖6。

圖6的橫軸表示距離，縱軸表示功率，由于是仿真信號，不受雜波干擾，GO_CFAR的門限與CA_CFAR門限功率一致，得益也一樣。但是對于雜波邊緣的起伏，GO_CFAR對虛警率的控制更佳。

2.2.3 CLUTTER_CFAR實測分析

圖7為雜波區(qū)的真實目標回波信號在時域上的分布。

圖7的橫軸表示距離，縱軸表示功率，圖中紅色方框內(nèi)為目標，圖7的回波信號對應時刻的雜波圖見圖8：

圖8的橫軸表示距離，縱軸表示功率，對照圖7和圖8，將雜波圖作為目標檢測門限時，目標存在的距離單元上，目標信號的功率值明顯大于雜波圖的功率值，能有效的判決出目標信號，而雜波圖的功率值與回波中的雜波功率值相差不大，從而將當前回波中的雜波抑制掉。

2.3 不同環(huán)境下最優(yōu)恒虛警檢測軟件處理流程

通過對上述各類恒虛警的特點的理論分析，總結(jié)了各類恒虛警的適用環(huán)境，經(jīng)過模擬目標回波信號和真實目標回波信號的采集、分析，充分證明了理論分析的客觀性。

結(jié)合工程實踐經(jīng)驗提出一種“最優(yōu)”恒虛警檢測軟件處理流程，見圖9，其中，各類恒虛警檢測門限均采用2.1中給出的經(jīng)過優(yōu)化后的恒虛警檢測門限算法。

回波信號通過MTD濾波后，按2.1的設計原理計算各類恒虛警檢測門限，判斷被測單元D處于雜波區(qū)還是清潔區(qū)。清潔區(qū)處理：判斷被測單元的CA_CFAR門限采集樣本中是否存在多目標或者強干擾，是：選擇SO_CFAR門限，否：選擇CA_CFAR門限；雜波區(qū)處理：求被測單元左右各N個距離單元的樣本均值μ，判斷D/μ是否大于一個閥值threshold，由于雜波圖的包絡符合瑞利分布。如果被測單元無目標，則D的值與μ相差不大，而目標經(jīng)過脈壓后脈寬很窄，且信雜比較大，所以如果被測單元是目標，它的值比μ大很多，因此當D/μ大于一個threshold時，選擇GO_CFAR與CLUTTER_CFAR中的小值，否則，選擇GO_CFAR與CLUTTER_CFAR中的大值，值得注意的是μ選取的樣本數(shù)不能太大，否則會受到另一個雜波包絡的影響。

3結(jié)束語

根據(jù)不同的雷達環(huán)境選擇適用的恒虛警檢測門限將大大提高恒虛警檢測效率。在恒虛警檢測中，不同的陣地，雷達所處的雜波環(huán)境不同，因此，各種恒虛警檢測門限樣本數(shù)的選擇，K系數(shù)的選取，各種閥值的設置都需要開放為陣地優(yōu)化參數(shù)以做適應性調(diào)整。由于每一個型號的雷達功率，時序，脈沖組合，脈沖調(diào)制方式等很多因素都可變，在設計時還需要長期觀察真實回波，總結(jié)規(guī)律后，才能將恒虛警檢測調(diào)整到最佳狀態(tài)。

參考文獻：

[1] 吳順君，梅曉春. 雷達信號處理和數(shù)據(jù)處理技術[M]. 電子工業(yè)出版社， 2008.

[2] 胡可欣， 胡愛明. 雷達雜波環(huán)境恒虛警率處理的實現(xiàn)[J]. 艦船電子對抗，2006，29（2）.

[3] 杜鵬飛， 張祥軍. 單元平均恒虛警率檢測中的一個新結(jié)論[J]. 現(xiàn)代雷達， 2007，29（2）.