雷達信號恒虛警率處理方法分析

中國人民解放軍91404部隊91分隊 趙立志 張富強

雷達信號恒虛警率處理方法分析

中國人民解放軍91404部隊91分隊 趙立志 張富強

本文主要介紹了恒虛警率的常用處理方法、原理以及其評價性能的指標等,通過舉例介紹鄰近單元平均恒虛警率處理的方法,分析提出了恒虛警率的性能測試與損失測試的方法.

恒虛警率;性能測試;損失測試

0 引言

對于評價一部雷達性能的優劣,除了一直備受關注的威力、精度、分辨率等戰技指標外,還應更加關注其抗干擾性能,因為雷達抗干擾措施的優劣,直接決定著其作戰效能的發揮.常見的抗干擾措施主要有副瓣對消、旁瓣匿影、脈沖壓縮、動目標檢測、動目標顯示、脈沖多普勒、恒虛警處理等等,根據用途和使命的不同,現代雷達中一般需要采取一種或幾種信號處理措施.

在雷達進行目標檢測時,由于云雨、氣象雜波、海浪雜波等信號的存在,加上內部噪聲的影響,在檢測門限較低時,會使一些無用信號超過門限,致使接收機飽和,會造成虛警率增加,反之,在檢測門限較高時,又將造成漏警,采取何種措施,調整檢測門限,在保證虛警率不增加的前提下,又不會造成漏警,由此恒虛警處理技術就應運而生,它即是完成此功能的.

1 恒虛警方法簡介

在雷達信號檢測中,當外界雜波干擾信號強度發生變化時,雷達能自動調整其靈敏度,使雷達的虛警概率保持不變,這種特性稱為恒虛警率特性.恒虛警率簡稱CFAR,是Constant False-Alarm Rate的縮寫[1].

表1 常用恒虛警率檢測一覽表

目前較為常用的恒虛警率檢測器主要分為三種類型,即非參量型恒虛警率檢測器、瑞利型恒虛警率檢測器、韋伯型和對數正態型恒虛警率檢測器.針對每一種恒虛警率檢測器的應用環境及特點要求,分別應用于不同的恒虛警處理方式中,常用的恒虛警處理方法有二進制積累、秩值檢測器、單元平均恒虛警(CA-CFAR)、單元平均選大恒虛警(GO-CFAR)、單元平均選小恒虛警(SOCFAR)、順序統計(OS)、修邊的單元平均恒虛警(TM)、Log-T、WH、最優線性無偏估計恒虛警(BLUE-CFAR)等,每一種處理方法都有其優點和缺點,具體對比情況如表1所示[2].

2 恒虛警率檢測原理

在恒虛警率檢測算法中,若雜波的概率密度已知,就可求出該雜波的虛警概率Pfa.以服從指數分布的雜波為例,其概率密度為:

其虛警概率Pfa為:

T是檢測門限,μ是噪聲或雜波的均值.若令T=μk,則Pfa=exp(-k),k為門限系數.可以看出,虛警概率只依賴于門限系數k,從而達到了恒虛警率的目的[3].

3 虛警率檢測的性能

衡量恒虛警率檢測的性能,通常依據如下兩個主要指標:

(1)恒虛警率的性能

恒虛警率的性能表明了恒虛警率檢測失敗在襄陽的環境中時間所能達到的恒虛警率水平.

(2)恒虛警率的損失

雷達信號經過恒虛警率處理后,為了達到原信號的檢測能力所需的信噪比的增加量.

下面以瑞利分布條件下的鄰近單元平均恒虛警處理為例,說明恒虛警率的性能及其損失.

圖1 鄰近單元平均恒虛警率原理圖

在瑞利雜波條件下,圖1所示電路如要對不同強度的雜波都能夠起到恒虛警率的作用,則其輸出超過某一門限電平的虛警率與輸入雜波的強度應無關.

根據中心極限定理,任意分布率的相互獨立的隨機變量,只要數目足夠大,其總和的分布近似呈正態分布.一般認為在要求不嚴格的情況下,求和的數目不小于7時,上述過程可以成立.在圖1所示電路里,參考單元數通常大于8,因此可認為選擇輸出變量是正態分布的.在輸入端為瑞利雜波條件下,利用概率密度函數、虛警概率函數等公式計算推導可得虛假概率如下:

由(3)式可知,虛警概率只是參考單元數N和門限k的函數,而與雜波強度σ無關,因此對于平穩瑞利雜波,圖1所示電路能夠起到恒虛警率作用.

4 恒虛警性能指標的測試

4.1 恒虛警率性能測試

恒虛警率性能測試主要是測試恒虛警電路能否起到恒虛警效果以及效果如何.根據前面對恒虛警性能推導的結論可知,為了測試雷達信號處理機的恒虛警性能,我們只要記錄其每一采樣點的單元數和門限電平的值,然后由計算出其虛警概率,通過比較不同采樣點的虛警概率,就可知道其虛警概率是否保持恒定.

4.2 恒虛警率損失測試

根據前面對恒虛警處理性能分析,恒虛警損失的測試可以采用如下幾種方法:

(1)直接測量恒虛警電路輸入端的信噪比(S/N)i和輸出端的信噪比(S/N)0,則有:

(2)若不能測得恒虛警電路輸入端的信噪比,而只能測得其輸出信噪比,可分別測得恒虛警電路輸出端的信噪比(S/N)0.和關閉恒虛警時其輸出端的信噪比 ,則有:

(3)根據雷達在采取恒虛警措施情況下的作用距離和沒有采取恒虛警措施情況下的作用距離,可以反推出恒虛警損失.

5 結束語

隨著科學技術的不斷發展,雷達所面臨的環境越來越惡劣,雷達信號處理已成為改善雷達性能的最重要手段.雷達信號的恒虛警率處理亦是現代雷達信號處理的重要內容之一,在雷達目標自動檢測中占有不可或缺的重要地位.虛警概率已成為衡量現代雷達信號檢測和處理性能的主要技術指標之一,因此對雷達恒虛警性能的測試具有十分重要的意義.

[1]丁鷺飛,耿富錄,陳建春編著.雷達原理[M].電子工業出版社,2009,3.

[2]張鵬洲,龍騰,毛二可.雷達信號的恒虛警率檢測[J].測試技術學報,1997(3):7-12.

[3]何友.雷達自動檢測與恒虛警處理[M].清華大學出版社,1999.