地面探測雷達目標干擾問題的研究

葉春令

（國營8450廠，福建 三明 365001）

地面探測雷達目標干擾問題的研究

葉春令

（國營8450廠，福建 三明 365001）

討論了主目標距離與干擾目標截面積之間的關系，結合工程實際應用，建立了干擾目標與主目標截面積比值，即主目標距離的數學模型。解決了主目標在不同距離時干擾程度的問題，并進行了仿真實驗與結果分析。

地面探測雷達；CFAR；遮擋；干擾模型

噪聲與雜波是雷達工作的固有環境，地面探測雷達要求在復雜的雜波與噪聲背景下，保持恒定的虛警概率完成對動目標的自動檢測，現代動目標檢測（MTD）雷達大部分都采用參考單元（距離維）、恒虛警率（CFAR）處理技術來實現[1-2]。在大多數的應用場合下，由于CFAR在參考單元滑窗統計噪聲時不可避免地存在雜波邊緣與多目標干擾，尤其是近距離目標干擾，從而導致CFAR性能嚴重下降，甚至主目標被“遮擋”。

目前已經有大量文獻[3-4]對CFAR技術在多（大）目標干擾環境下的檢測性能進行了分析，并且得出CFAR技術在多目標環境中檢測性能變差的結論；也有文獻[5]對當CFAR技術失效時的干擾程度進行了一定的研究，但該文獻[5]涉及的是一種理想狀態，是基于各參考單元干擾目標的回波幅度一致的基礎上進行的討論，沒有考慮因距離不同而引起的干擾強度的差異，因此只適用于主目標處于較遠距離時刻。

本文就CA-CFAR和最小選擇（SO）CFAR兩種經典處理方法，結合實際工程應用，對目標干擾模型進行了數學推導與建模。給出了在雷達探測范圍內，主目標被“遮擋”時干擾目標有效反射面積與距離之間的函數關系式，并對該數學推導模型進行了仿真驗證。

1 CFAR技術介紹

CFAR檢測器的結構框圖如圖1所示。輸入的數據通過相參積累（FIR或FFT）處理后，為了減少系統損失提高多目標的發現概率，通常對各頻道號信號分別做CFAR處理，圖1描述的就是某一頻道號進行濾波的結構框圖。為了防止主目標信號泄露，通常在主目標前后相鄰參考單元不參與噪聲估計，圖中Z1與Z2分別為主目標的前后m個單元的雜波噪聲平均值，函數f（Z1、Z2）是對Z1、Z2進行進一步處理（求平均或選大或選小等），完成雜波噪聲估值。

圖1 CFAR結構框圖

利用σ值對雜波估值進行歸一化處理，主目標信號與歸一化噪聲的比值通過判決器，并根據給定的門限值完成目標的自動檢測。

2 干擾目標δg-距離數學模型的建立

自由空間環境中，假設目標在距離R時雷達接收回波的信號功率為 Pr，則信號與雜波的功率可表示為P′r=Pr+X′，其中X′為雜波功率。單位時間內電磁波的行程S=Ct/2，其中C為光速，因此根據雷達方程得到：脈沖雷達第n個距離單元內目標信號的回波：

τ為距離單元延遲時間，單位 μs；n為自然數；Xn為第n個單元內的噪聲功率。

通過CA-CFAR處理方法進行干擾目標強度模型推導，所有參考單元內信號回波功率估計：

其中X表示2 m參考單元的噪聲功率之和，P′（n）表示第n個單元內回波功率。

主目標沒被“遮擋”而能被檢測時所需滿足的條件：

式（4）中，α為Rayleigh分布雜波的歸一化參數，T為目標判決的門限電平。計算機按照式（4）進行自適應判決，當主目標的回波信號≥參考單元信號平均值與歸一化門限的乘積時，認為有目標存在。

令D=PtGtGrλ2F2tF2r，對于同一部雷達參數 D都一致，回波大小在自由空間環境中主要與目標有效截面積（σ）和距離相關，由式（2）～式（4）整理后可得目標檢測判決方程式：

本文主要討論主目標被其他大目標“遮擋”的問題，越靠近雷達的目標對主目標干擾程度越嚴重。所以主目標的前沿參考窗影響更為嚴重，而且參考單元中第一個參考單元的干擾目標影響最大，特別是在近距離處，雷達回波的信噪比很高，并且常常采用STC（靈敏度時間控制）來滿足A/D采樣動態以及收發機的動態要求，這樣近距離噪聲將非常小。因此為了簡化計算以及便于仿真，故選擇干擾最嚴重的情況進行討論，即假設某相同頻道號的干擾目標都集中在最靠近雷達的參考單元內，并且假設參考單元內的噪聲與D比值為零，則式（5）可簡化為：

根據參考文獻[5]，可知對于2m個獨立同分布的參考單元，可獲得滿足恒虛警條件時雷達動目標的檢測門限T如式（7）所示，其中Pfas為虛警概率。

在實際工程項目中，脈沖雷達一般都存在一定的近距離盲區，而且是與脈沖寬度成比例，其大小為 150×k×τ，其中 k為自然數，本文假設k＜m（地面探測雷達的近距離盲區要求都比較小）。可得到主目標不被“遮擋”的數學表達式：

當信號處理機采用SO-CFAR處理方法時，主目標后沿參考窗口的信號估值更小，并且最靠近主目標的干擾目標影響最大，因此采用上述相同的推導方法可以得到單元平均選小SO-CFAR處理方法時，主目標不被“遮擋”應滿足的數學表達式：

3 計算機仿真實驗與分析

針對數學模型進行計算機仿真試驗及分析，由于該數學模型是基于地面探測雷達工程實現過程推導，因此在仿真試驗中對某些參數做如下假設：雜波和噪聲的幅度為瑞利分布，雷達動目標檢測的虛警概率Pfas=10-6，脈沖寬度為 0.2 μs，參考單元數 m依次取值為 8、16和 32三種參數，近距離盲區參數k取5。

圖2所示為基于CA-CFAR處理方法的干擾模型，Δσ為干擾目標與主目標的截面積比值，R為主目標所處距離。當主目標在某一距離時，干擾目標比主目標至少大多少時可能“遮擋”主目標。圖中目標的干擾情況在近距離表現得更為復雜，剛開始干擾目標要比主目標大很多（m=32時，Δσ大約為20 dB）才可能導致主目標被“遮擋”。隨著距離的增加，兩者截面積比值Δσ曲線也在不斷下降，此時主目標變得很容易被“遮擋”（m=32時，Δσ最小將近-25 dB）。由于該距離段比較短，當距離達到150（m+k+1）τ時，干擾程度逐漸減弱，截面積比值 Δσ曲線快速上升。圖中可以看出，在近距離干擾最嚴重的距離段，一個小目標就可能導致雷達“漏警”。

圖2 CA-CFAR模型

圖3所示為SO-CFAR處理模型時截面積比值Δσ與距離R的關系曲線圖，從圖中可以看出，隨著距離增加，曲線呈下降趨勢，到幾公里后曲線趨于穩定，此時由于距離的差異而產生的的影響不大。

圖3 SO-CFAR模型

由圖2、圖3可以看出SO-CFAR模型比CA-CFAR模型的抗干擾能力更強（特別是近距離），這也與眾多的文獻[7]研究結果相同。參考單元較多時，對于噪聲功率估計更穩定，而且抗干擾能力較強，但是所涉及的距離越長越可能引入更多的干擾目標，同時參考單元越多所涉及的硬件開銷越大。因此在工程應用中要綜合考慮參考單元的數目。圖2中也容易看出CA-CFAR處理方法，主目標在2 km以內很容易被干擾目標“遮擋”，由于式（2）中回波功率正比于目標有效截面積（Pr∝δ），因此可參考圖2曲線，在原有的STC電路上，精心設計其控制曲線來降低近距離目標被干擾的可能性，提高目標的發現概率。

本文不僅從理論上，更側重的是從工程實現的角度對問題進行建模、分析，結合 CA-CFAR與SO-CFAR處理技術，針對地面探測脈沖雷達進行研究，分析了目標距離與干擾目標之間的關系，并且進行仿真實驗及結果分析，對從事雷達總體設計以及信號處理的研究起到一定的借鑒意義，也為雷達整機野外調試實驗起到一些指導作用。

[1]劉敬興.地面探測脈沖壓縮雷達的動目標檢測[J].電子技術應用，2010，36（1）：132-135.

[2]馬曉巖，向家彬.雷達信號處理[M].長沙：湖南科學技術出版社，1998.

[3] MASHADEM B.M-sweepsdetection analysisofcellaveraging CFAR processors in multiple-target situations[J].IEE proc.-F，1994，141（2）：103-108.

[4]HUSSAINI E K，MASHADE M B.Performance of cellaveraging CFAR and order-statisticsdetectors processing correlated sweeps for multiple interfering targets[J].Signal Processing，1996，49（1）：111-118.

[5]杜朋飛，張祥軍.單元平均恒虛警率檢測中的一個新結論[J].現代雷達，2007，29（2）：60-62.

[6]郭仕劍，王寶順.MATLAB7.X數字信號處理[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[7]陳那.信號測試、處理與系統控制分析技術使用全書[M].北京：清華大學出版社，2005.

Study on the targets interfering problems of ground-based radar

Ye Chunling

（State-owned No.8450 Factory，Sanming 365001，China）

The connection between the distance of primary target and the cross-section of interference targets is discussed；to unite practical application of project，the mathematical model of cross-section ratio between interference targets and primary targetthe distance of primary target is established；the problem of degree of interference when primary target at different distance is resolved，and the experiment is simulated and the result is analysed.

ground-based radar；CFAR；mask；interference model

TN958.3

A

1674-7720（2011）01-0075-02

2010-06-10）

葉春令，男，1962年生，工程師，主要研究方向：地面雷達系統、光電結合系統總體分析與設計。