基于雜波分布特性的恒虛警率檢測器設(shè)計

洪 偉,馬艷艷,程 義

(中國船舶集團有限公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

恒虛警率(CFAR)檢測器的主要功能是在包含噪聲、雜波甚至干擾的雷達回波數(shù)據(jù)中,檢測目標是否存在,其在雷達信號檢測技術(shù)中具有重要的地位。Nitzberg將CFAR閾值分為以下4種:固定閾值;基于干擾平均幅度的閾值;基于干擾統(tǒng)計先驗信息的閾值;無干擾統(tǒng)計先驗信息時,基于分布自由的統(tǒng)計假設(shè)檢驗的閾值[1]。對固定閾值CFAR檢測器的研究已經(jīng)非常成熟,它主要應(yīng)用在高斯白噪聲確知恒定的條件下。然而,實際工程中雷達接收回波中包含了多種類型的環(huán)境雜波、海雜波、地雜波、氣象雜波等,這些環(huán)境因素導(dǎo)致了雷達目標檢測的背景一般處于非均勻環(huán)境,難以達到平穩(wěn)恒定的要求,因此,自適應(yīng)閾值CFAR檢測器的研究應(yīng)運而生。

在待檢測單元所處的背景信息未知時,有關(guān)自適應(yīng)閾值恒虛警率檢測器的研究越來越成熟,文獻[2]研究內(nèi)容為在背景環(huán)境未知時,將均方差和有序差分思想應(yīng)用到背景功率估計中,提出了一種基于最大類方差的恒虛警率檢測器,基于仿真數(shù)據(jù)的實驗表明,所提恒虛警率檢測器在多目標環(huán)境下有更強的抗干擾能力。文獻[3]針對海雜波情況下的小目標檢測,提出了多幀聯(lián)合的檢測思想,分兩步完成:第1步通過設(shè)置較低的門限,保證較高的目標檢測概率;第2步利用海雜波的尖峰和目標在時間相關(guān)性方面的差異,抑制海雜波虛警。文獻[4]分析了常用的平均類恒虛警檢測器和排序類恒虛警檢測器,并分別針對2類恒虛警檢測器提出了改進算法,仿真結(jié)果驗證了改進恒虛警檢測器的有效性。文獻[5]針對檢測前跟蹤(TBD)算法計算量大的問題,改進了二維CFAR的參考滑窗方法,基于仿真實驗驗證了背景噪聲估計的有效性,實驗中在不同背景功率下自適應(yīng)改變門限的取值,提高了目標檢測的實時性。

有不少文獻研究了在待檢測單元所處的背景信息已知的情況下恒虛警檢測器的設(shè)計。文獻[6]針對K分布背景下的海雜波,結(jié)合非相參積累檢測方法對脈沖積累數(shù)、海雜波模型參數(shù)等的依賴特性,提出了基于海雜波白化方法的恒虛警檢測器。文獻[7]通過仿真產(chǎn)生了幅度為瑞利分布、對數(shù)正態(tài)分布和韋布爾分布3種類型的雜波,針對不同雜波類型,提出了不同的恒虛警檢測器設(shè)計。文獻[8]為了解決傳統(tǒng)恒虛警檢測器在非均勻韋布爾雜波環(huán)境中性能劇烈下降的問題,提出了一種基于雜波邊緣二元積累算法的恒虛警檢測器,并使用對比實驗驗證了新提出恒虛警檢測器的有效性。文獻[9]通過計算待檢測單元所處雜波的背景功率,判斷待檢測單元位于強雜波區(qū)域或弱雜波區(qū)域,自適應(yīng)選擇不同的的恒虛警檢測器。文獻[10]通過計算待檢測單元所處雜波的背景功率,判斷待檢測單元位于強雜波區(qū)域或弱雜波區(qū)域,自適應(yīng)選擇不同的恒虛警檢測器。文獻[11]在已知背景分布為對數(shù)-正態(tài)分布時,設(shè)計了一種有序統(tǒng)計恒虛警檢測器,并用數(shù)值方法討論了參考單元個數(shù)導(dǎo)致的信雜比損失以及最佳序值的選取。

本文基于當(dāng)前環(huán)境確知的前提下,根據(jù)檢測單元所處的雜波類型為陸地雜波、海雜波或陸雜波海雜波交界這3種類型,選擇不同的恒虛警檢測器,并通過人工加運動目標的方式,使用實測數(shù)據(jù)對所提方法進行仿真驗證。

1 雜波特性分析

1.1 雜波時域回波起伏特性

由圖1可知,海雜波背景幅度起伏最大,海陸交叉區(qū)域雜波背景幅度起伏較大,陸地雜波背景幅度較為平穩(wěn),而且相對于海雜波和海陸交叉區(qū)域雜波來說,陸雜波幅度較小;海雜波的幅度分布高振幅回波出現(xiàn)的概率大,時域波形較尖銳,海陸交叉區(qū)域雜波次之,陸雜波最平穩(wěn)。

圖1 3種雜波類別的時域特性

1.2 雜波頻域特性

圖2為對相參處理間隔的數(shù)據(jù)做16點快速傅里葉變換(FFT)之后的距離-頻譜圖,x軸表示一個脈沖的有效距離單元,y軸為頻譜維,z軸為幅度,(a)所示為海雜波的距離-頻譜圖,(b)表示海陸交叉區(qū)域雜波的距離-頻譜圖,(c)表示陸雜波的距離-頻譜圖。由圖2可知,海浪可以在雷達徑向產(chǎn)生相對速度,故海雜波的頻譜中心頻率一般在零頻以外,容易構(gòu)成虛假目標,而大多數(shù)地雜波不能在雷達徑向產(chǎn)生相對速度,其中心頻率一般在零頻,因此海雜波的頻譜幅度與陸雜波相比有明顯的偏移和較長的拖尾。由此可得,海雜波分布范圍較大,在多個距離單元和多個頻率上均有較強的幅度;海陸交叉區(qū)域的雜波在較少的距離單元和頻率上有分布;而陸雜波一般在某些距離單元有分布,在更多的距離上沒有分布,且陸雜波幅度相對于其他2種類別雜波的幅度小。

圖2 3種類別雜波的距離-頻譜圖

2 恒虛警檢測器

由第1節(jié)分析可知,海雜波背景下,雜波幅度起伏較大,頻譜帶寬較大;海陸交叉區(qū)域次之;陸雜波背景幅度起伏平穩(wěn),頻譜帶寬較小。故在海雜波區(qū)域選擇基于威布爾的恒虛警率檢測器;在海陸交叉區(qū)域選擇基于對數(shù)-正態(tài)分布的恒虛警率檢測器,在陸雜波區(qū)域選擇有序恒虛警率檢測器。

2.1 有序恒虛警率檢測器[12]

圖3 有序恒虛警檢測器流程圖

(1)

m=3/4×2L

(2)

與傳統(tǒng)的單元平均恒虛警率檢測器相比,當(dāng)參考單元中混有干擾時,有序恒虛警檢測器只會引起參考單元排序結(jié)果變化,對檢測門限影響相對較少,故其更適應(yīng)于多目標環(huán)境檢測中。

2.2 基于對數(shù)-正態(tài)分布的恒虛警率檢測器[12]

圖4 對數(shù)-正態(tài)分布的恒虛警率檢測器流程圖

yi=lgxi

(3)

(4)

(5)

(6)

然后選擇單元平均恒虛警率檢測器對參考單元內(nèi)雜波電平進行估計,獲得虛警門限。

2.3 基于威布爾分布的恒虛警率檢測器[12]

文獻[12]通過公式推導(dǎo)證明了將威布爾分布的雜波轉(zhuǎn)換為正態(tài)分布后,虛警率只與檢測門限有關(guān),與威布爾雜波的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)均無關(guān),故若海雜波滿足威布爾分布,即可使用該檢測器。首先按照公式(3)～(6)對威布爾分布的雜波進行轉(zhuǎn)換,將分布轉(zhuǎn)化為標準正態(tài)分布,然后選擇有序恒虛警率檢測器選出參考單元內(nèi)雜波電平的估計,流程圖如圖5所示。

圖5 威布爾分布的恒虛警率檢測器流程圖

3 實驗結(jié)果

本實驗基于實測數(shù)據(jù),錄取環(huán)境有海和陸地,雜波背景分為陸雜波環(huán)境、海陸交叉環(huán)境2類。根據(jù)不同環(huán)境的雜波類別,選擇不同的恒虛警率檢測器,對目標進行檢測。對比的恒虛警率檢測器選擇工程上常用的單元平均恒虛警率檢測器。

通過人工加目標的方式,在雜波較強的多個方位加入1個信噪比為-10 dB的目標,非相參積累點數(shù)選擇16,待檢測單元的左右保護單元選擇1,左右兩側(cè)的參考單元數(shù)目選擇16,比較本文所提恒虛警率檢測器和傳統(tǒng)單元平均恒虛警率檢測器的檢測性能。圖6(a)～(c)所示為上述方位的目標檢測情況,“+”線表示非相參積累后的待輸入恒虛警率檢測器的數(shù)據(jù),“×”線表示傳統(tǒng)的單恒虛警率門限,虛線表示本文所提的恒虛警率檢測器的門限,實線為目標。由圖6對比可知,對于雜波較強區(qū)域附近的目標,選擇單元平均恒虛警率檢測器時,門限受附近幅度較大的雜波影響較明顯,導(dǎo)致門限較高,往往發(fā)生漏檢的情況,目標都未檢測到;而選用本文所提恒虛警率檢測器時,門限受附近幅度較大的雜波影響很小,可以將2個目標檢測出來。

圖6 在雜波較強區(qū)域檢測性能對比圖

在雜波相對較平穩(wěn)的海陸交叉區(qū)域和陸雜波區(qū)域的多個方位,在距離單元間隔3的位置人工加入2個信噪比均為-10 dB的目標,非相參積累點數(shù)選擇16,待檢測單元的左右保護單元選擇1,左右兩側(cè)的參考單元數(shù)目選擇16,比較本文所提恒虛警率檢測器和傳統(tǒng)單元平均恒虛警率檢測器的檢測性能。圖7(a)～(f)所示為上述方位的目標檢測情況,“+”線表示非相參積累后的待輸入恒虛警率檢測器的數(shù)據(jù),“×”線表示傳統(tǒng)的單恒虛警率門限,虛線表示本文所提的恒虛警率檢測器的門限,實線表示目標。圖7(a)、(b)和(d)對比可知,在雜波相對較強區(qū)域,選擇單元平均恒虛警率檢測器時,門限受附近幅度較大的雜波影響較大,可能導(dǎo)致漏檢,只能檢測到1個目標或2個目標都未檢測到;而選用本文所提恒虛警率檢測器時,可以同時將2個目標檢測出來。在雜波較平穩(wěn)區(qū)域,本文所提恒虛警率檢測器和單元平均恒虛警率檢測器都可以將2個目標檢測出來,如圖7(c)、(e)、(f)所示。由以上分析可知,本文所提恒虛警率檢測器比傳統(tǒng)的單元平均恒虛警率檢測器檢測性能好。

圖7 在雜波較為平穩(wěn)區(qū)域檢測性能對比圖

4 結(jié)束語

CA-CFAR在工程上得到成熟的應(yīng)用,但當(dāng)雜波環(huán)境不滿足平穩(wěn)特性的時候,雜波模型已經(jīng)不服從高斯分布,若依然選擇CA-CFAR,受附近單元雜波幅度的影響,恒虛警率門限會較高,將出現(xiàn)漏警現(xiàn)象,檢測性能大幅下降。因此,本文提出一種基于雜波分布特性的自適應(yīng)恒虛警率檢測器設(shè)計方法。主要目的是當(dāng)雜波環(huán)境不服從高斯分布時,選擇其對應(yīng)分布模型的恒虛警率檢測器,使恒虛警率得到保障的基礎(chǔ)上,提高目標的檢測性能。基于實測數(shù)據(jù),通過在不同雜波類別的區(qū)域人工加運動目標的方式進行仿真驗證,經(jīng)過與CA-CFAR檢測結(jié)果的對比,驗證了本文所提恒虛警率檢測器的有效性。