雷达信号检测中恒虚警处理的算法研究_陈玺

总第160期舰船电子工程V o. l 27N o . 4

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

2007年第4期Sh i p E lectronic Eng ineering 　117　　雷达信号检测中恒虚警处理的算法研究

陈　玺　杨大磊

(武汉数字工程研究所　武汉　430074)

*

摘　要　介绍了几种适于雷达信号检测的恒虚警处理(CFA R ) 的经典算法, 在此基础上提出一种多分层的恒虚警处理算法。

关键词　恒虚警; 单元平均; 多分层中图分类号　TN 95

1　引言

雷达信号检测的目的是在雷达干扰背景中自动检测目标回波。恒虚警设计的目的就是产生避免噪声背景杂波和干扰变化影响的检测阀值, 并且

与当前的雷达信号采样样本进行比较, 使目标检测具有恒定的虚警概率。恒虚警处理就是一种提供检测阀值的数字信号处理算法, 其算法有许多, 本文介绍几种适于雷达信号检测的恒虚警处理的经典算法, 并在此基础上提出了一种多分层的恒虚警处理算法。

功率水平估计由对前沿和后沿区域的局部估计按照杂波强度加权得到。

这几种均值类CFAR 处理算法各有利弊。各种雷达系统中用得最多的CFAR 检测方法就是CA 检测算法。CA 在均匀杂波背景中的检测性能最好, 但在非均匀背景中性能严重下降; GO 具有很好的抗边缘杂波能力和在均匀杂波背景中较好的检测性能, 但在多目标环境中的检测性能极差; SO 具有较好的抗击干扰目标的能力, 但在均匀杂波背景中的检测性能和抗边缘杂波性能都很差; 虽然WCA 的性能比较全面, 但需要关于干扰的先验信息, 自适应检测能力受到限制。2. 2　有序统计量类CFAR 处理算法

有序统计量OS (o r der sta tistics ) 方法源于数字图像处理的排序处理技术, 它在抗干扰方面作用显著。在多目标环境中, 它相对于均值类CFAR 处理算法具有较好的抗干扰目标的能力, 同时在均匀杂波背景和杂波边缘环境中的性能下降也适度的、可以接受的。

有序统计量类CFAR 处理算法首先对参考采样值作排序处理:x (1) ≤x (2) ≤…≤x (R ) , 然后取第k 个采样值x (k ) 作为总的背景杂波功率水平估计Z , 即Z =x (k ) 。

有序统计量CFAR 处理算法的关键是k 值的选取, 在均匀杂波背景和均匀目标视频的情况下, 选取适当的k 值, 可以达到较满意的检测性能。但是在实际的多目标环境中, 如k 值设定得较大, 可能会在多目标环境中产生严重的覆盖效应; 如k 值

2　恒虚警处理的经典算法

2. 1　均值类CFAR 处理算法

均值类CFAR 处理算法是在局部估计中采用

了取均值的方法。最早的均值类CFAR 方法是单元平均CA (ce ll averag ing ) 方法, 后来为改善非均匀杂波背景中的检测性能, 又先后出现了最大选择GO (greatest o f )、最小选择SO (s m a ll e st of ) 和杂波强度加权WCA (we ighted ce ll averag ing ) 等同属于均值类的CFAR 方法。在单元平均CA -CFAR 检测器中, R =2n 个参考单元采样的均值作为背景杂波功率水平估计; 在最大选择GO -CFAR 检测器中, 取两个局部估计的较大值作为总的杂波功率水平估计; 在最小选择SO -CFAR 检测器中, 取两个局部估计的较小值作为总的杂波功率水平估计; 在杂波强度加权WCA -CFAR 检测器中, 总的杂波

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收稿日期:2007年3月19日, 修回日期:2007年4月30日

作者简介:陈玺, 女, 高级工程师, 研究方向:雷达视频及图像的数字信号处理。杨大磊, 男, 工程师, 研究方向:雷达

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设定得较小, 可能会在少目标环境中产生虚警尖峰明显上升的情况。同时要对所有采样值进行排序,

在工程实现上很难保证实时性, 难度较大。2. 3　删除单元平均的CFAR 处理算法

在前面提到的均值类检测算法和有序统计量检测算法中, 如果在检测滑窗中出现较多的干扰目标回波时, 检测阀值将随之升高, 目标的检测性能将随之下降, 特别是对小信号目标的检测性能将严重恶化。为了得到杂波背景的均匀功率水平估计, 可以采用删除单元平均的检测算法。删除单元平均的CFAR 处理算法将干扰目标从参考单元序列中排除出去, 然后基于删除后的采样序列重新计算阀值。

假设x 1, x 2, …,x R 是参考单元中的R 个采样值, T0是对应整个参考单元的门限因子, T1是剔除高于T0对应的门限值的参考单元的门限因子。删除单元平均的CFAR 检测方法如下:

(1) 求R 个参考单元的和, 然后将每个参考单元采样与门限1(S 1=T 0Z R0) 进行比较, 将超过这一门限的采样值从和值中除去, 产生一个新的和。(2) 将剩余参考单元采样与门限2(S 2=T 1Z R1) 进行比较。再除去一些超过这一门限的采样值, 使剩下的参考单元采样组成一个新的和。这个过程继续下去, 直到检测不到尖峰信号超过门限时为止。

这种算法总是收敛的, 在若干级计算之后不出现尖峰信号就是这种方法终止的准则。

删除单元均值的CFAR 检测算法能有效地抑制多干扰目标带来的检测损失, 特别是在目标密集的环境中, 具有更显著的检测性能。但是在不同的非均匀干扰背景中, 门限因子T0和T1必须选取不同的值, 在工程实现上自适应的能力受到了限制。

基于这些需求, 提出了一种多分层的CFAR 处理算法。假设x 1, x 2, …,x R 是参考单元中的R 个采样值, s 1, s 2, …,s k 是从低到高的k 层门限值。参考单元中的R 个采样值分别与每层门限值进行比较, 计算出高于每一层门限值的采样个数。假设从低到高高于每一层门限值的采样个数分别为Y 1, Y 2, …, Y k , 高于第j 层门限sj 的采样个数为Y j (1≤j ≤k ), Y j 通过如下方法累计:

满足　x n >s j 　1≤n ≤R , 1≤j ≤k 则　Y j =Y j +1;

假设高于相邻两级门限的采样个数分别为Y j-1、Y j , 那么Y j-1–Y j 的差值小于某一参考值N 时, 选取s j 作为检测门限S 。如果　Y j -1–Y j

则　S =s j 　1≤j ≤k

多分层CFAR 处理算法的方框图如图1所示。

3　多分层的CFAR 处理算法

前面介绍的几种CFAR 处理算法都有各自的优势, 在某些特定的环境中可以获得较强的检测性能, 例如:均值类CFAR 处理算法适合均匀干扰背

景, 有序统计量CFAR 处理算法适合干扰目标数目相对均匀的干扰背景, 删除单元均值的CFAR 处理算法适合干扰均匀的多目标环境, 。但是实际的雷达环境中, 干扰目标的数目和分布是随机的, 因此需要一种既能在各种干扰背景中自适应地提供贴近干扰的检测阀值, 同时又便于工程实现的CFAR

图1　多分层CFAR 处理算法方框图

多分层CFAR 处理算法能适应各种干扰背景, 较精确地确定干扰噪声的电平位置, 自适应地产生检测阀值, 输出检测门限。

4　快门限恒虚警模块的设计实现

基于多分层的CFAR 处理算法, 完成了快门限恒虚警模块的设计及工程实现。该快门限恒虚警模块主要由电压转换器、A /D 转换器、D /A 转换器、比较器、FPGA 芯片等组成。雷达视频经过采

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样后转换成数字信号进入FPGA 中进行恒虚警处理, 产生的数字门限经转换后产生恒虚警门限, 恒虚警门限与雷达视频比较, 输出恒虚警处理后的视频送雷达信号处理设备。

其原理框图如图2所示

。

门限(最上层黄色波形), 通道1和通道3的基电平一致; 通道2为输出视频(最下层蓝色波形), 通道2中的正脉冲信号为高于恒虚警门限的雷达目标视频; 中心点为零距离脉冲时刻。测试的结果如图3所示。

由图可以看到, 近距离多目标处, 恒虚警门限贴近输入视频的噪声电平, 没有因为目标多、幅度高产生异常检测门限; 而远距离小目标, 相对地目标幅度较低, 目标视频仍然能够通过检测门限, 输出目标脉冲。经测试, 所有检测区域的恒虚警门限基本贴近输入视频噪声, 高于门限的视频信号输出目标视频脉冲, 由图可看到恒虚警处理可自适应地提供贴近干扰的检测阀值, 达到了满意的测试效果, 满足设计要求。针对采样的雷达视频, 如果采用均值类CFAR 算法, 近距离检测门限会由于近距

图2　快门限恒虚警模块基本原理框图

离目标多而异常升高, 那么近距离小目标就可能被检测门限淹没而损失; 如果采用有序统计量CFAR 算法, 由于目标视频数目的非确定性, 因此有序存储单元k 值的选取也不确定, 如果k 值选择较高, 小信号目标视频可能被淹没, 如果k 值选择较低, 噪声信号不能被有效剔除, 影响信号检测; 如果采用删除单元平均的CFAR 算法, 在噪声非均匀条件下, 产生的单元均值可能低于某些噪声电平, 影响检测性能。经测试, 多分层CFAR 处理算法的性能明显优于采用单个经典算法的处理。

多分层的恒虚警处理算法采用FPGA 硬件实现, 在FPGA 逻辑设计中, 主要完成了雷达数据的采样存储、多分层算法处理、流水线的循环设计、雷达波束周期长短变化的处理、雷达波束间的循环处理、雷达波束的量化处理等。设计中合理利用逻辑资源, 有效地剔除了干扰, 在各种干扰背景下自适应地产生检测门限

。

4　结束语

本文介绍了几种经典恒虚警算法, 分析了这几种算法的性能, 根据其存在的问题层层深入, 最终提出了一种多分层的恒虚警算法。采用多分层算法进行恒虚警处理, 可以有效地剔除干扰, 在非均匀噪声干扰水平的情况下, 自适应地调整判决门限。多分层恒虚警算法适用于各种雷达的恒虚警

图3　快门限恒虚警处理测试波形图

处理, 经与雷达对接测试, 其性能明显优于采用单个经典算法的处理。

参考文献

[1]何友等. 雷达自动检测与恒虚警处理[M ]. 北京:清华大学出版社, 1999

[2]Uw e M ey er -Baese 著. 刘凌等译. 数字信号处理的FPGA 实现[M ]. 北京:清华大学出版社, 2004

该恒虚警模块与雷达视频模拟器、雷达视频记录器及真实雷达进行了对接调试。无论哪种雷达视频, 产生的检测门限均能有效地剔除噪声, 输出

目标视频。图3为快门限恒虚警模块的测试波形, 该测试是针对某雷达视频进行的, 图中波形为对接调试中示波器记录的调试波形, 通道1为输入的雷达视频(中间绿色波形), 通道3为输出的恒虚警

5I ndex (Vo. l 27No . 4)　　　　　　　　　　　　　　　Sh i p E l e ct r on i c Eng inee r i n g 　　　　　　　　　　　　　　　　　　

I m prove m ent of Range and V elocit y Am biguity

R esolution in Pulse D oppler Radar by 　Q iu Wei

Ab strac t 　Pu lse dopp l e r techno logy i s i n w i d e ly used o f a irbone fir e con tro l Rada r , because it can e ffectua ll y de -tect ta r ge t i n g round oce an ic and v i o lent c l u tte r env iron -m ent . Ho w eve r the m ost m i po rtan t prob le m in s i g na l p rocess is R ange and ve loc ity a m b igu ity reso l u tion , The c l a ss i c al m e thod i s Ch ine se rem a i n de r theo re m , based on th is theo re m , use secondary th resho l d to m i p rove the p robab ility o f d iscove r , use frequency step reduce the p robab ility o f e rr o r fr equency and acce le rate the pro -g ra m e m i p l e m ent . K ey word s 　pu l s e dopp l e r radar , range a m b i g u ity , ve loc -i ty a m b i g u ity , range she lte r , ve l o c ity she lte r

(Page :100)

the m o m en t o f radar coun te r equ i p m en t transfo r m i n g to

n fo r i m ationa. l K ey word s 　radar counte r equ i p m ent , d istribu ted , B I T , fau lt d i a gnose s (Page :110)

R adar and Infrared F li g ht Path Fusion

by 　Wu Jun

Abstract 　Targe t tracking p l a y an m i portant ro l e i n the m ilitary stage . O n ly if the ta r ge ts are prec ise ly and re li a -b ly tracked , it can be h it . O n the bas i c o f the d iscu ss i o n o f op tm i i s t i c data com p ress i o n based radar and i n frared n fo r i m ation f u si o n and fli g h t path fus i o n . It m i p r o ves the prec isi o n o f pos ition e stm i at i o n . w e r ea lized the am i o f m i p rov i n g the pe rfo r m ance o f track i n g syste m s . K ey word s 　rada r and i n frared , fli g h t path f u sion , target track i n g , i n fo r m at i o n fusion (Page :113)

Target Location and Tracki n g on Ionosphere -re -flection Si n gle -site Passive Syste m by 　Z han Peng

Ab strac t 　Th is pape r g i v es a w ho l e ne w m e thod based

on tm i e d iffe rence o f arr i v a l (TDOA ) and i o nosphe re re -flection . C i v al rad i o w aves i n d iffe rent frequenc i e s and the i o no sphe re re flection are used fo r locat i o n and track -n g i . A co rrd i n g to the sm i u lat i o n r e su lts , targe ts can be we ll located and t racked by th is m ethod p roposed . K ey w ords 　i o nosphe r e re fl e ct i o n , TDOA , d ata associa -t i o n , data sm i u lation (Page :103)

Application of R adar False -A lar m R at e Sm i ul a -tion Based on I m port ance Sa m pli n g

by 　B ian X i aoli n

Abstract 　W ith the deve l o p m en t o f radar techno l o gy the radar syste m s beco m e to be m o re and m o re com p lex . And the sm i u lation to them becom es m o re d iff i c u lt . The M onte Car l o M e thod s i los i n g it ' s m i portance i n th is area . And the a m e l i o rat i v e sm i u l a ti o n m ethods are w an ted . It i troduces the app ly o f m n i po rtance sa m p li n g on rada r fa lse -a l a r m rate on s i n gu larity even t -rada r f a lse alar m. Then it co m pa r e s the fa l s e a lar m pe rfo r m ance o f b i n ary i teg rato r and quarto i n n teg rato r and p rove the advantage o f tm i e based on m i po rtance sa m p li n g . K ey w ord s 　m on te car l o m ethod , fa lse -a lar m rate , m i -po rtance sa m p li n g , integ rato r (Page :115)

R esearch and D esign of t he Hardw are -i n -t he -Loop Sm i ulati o n Test Syst e m for ES M

by 　Gao Huiying

Ab strac t 　A m i i n g at the need o f the hard w are -i n -the -loop sm i u l a t i o n test fo r ES M. The structu re and func -t i o n o f the sm i u l a t i o n test syste m we re introduced in th i s pape r . The system fl o w and the in f o r m at i o n fl o w d i a g ra m o f the Sm i u lation test system w e re g i v en , and then the cr it i c m ode ls o f the e l e ctrom agne tis m env ir om en t gene r -at i o n we re ana lyzed. So the r e fe rence to congene r i c sm i -u lat i o n syste m construct i o n cou ld be prov i d ed . K ey w ord s 　ES M , hardw are -i n -the -Loop , e l e ctro -m agne tis m enviro m en t , m ode li n g and sm i u l a ti o n

(Page :106)

St udy on A lgor ith m for C onstant False A lar m

P rocessing i n Radar SignalD etec tion by 　Chen X i

Abstract 　Th is pape r i n troduces seve ral c lass i c al algo -r ith m s su itab le fo r rada r s i g na l detect o i n , based on w h i c h a m u lti -laye red constan t false a l a m r proce ss i n g algo r ith m is p roposed .

K ey w ord s 　constan t false alar m , ce ll ave rag i n g (CA ) , m u lti -laye red

(Page :117)

D esign of D istri b uted BIT -Syste m for Radar

Count er Equip m ent by 　Li Y unz hen

Ab strac t 　D istributed B I T -syste m is p roposed a fte r study to the test backg round and requ ire m en t o f radar coun te r equ i p m ent . It g i v es ou t the d i s tr i b u ted B I T sys -te m ' s structu re and function m odu l e , expat iates the wo rk p ri n c ip i u m and m e thod o f th i s system and its com -ponen t , also its m a i n characte r s i su mm ed up in the . I T i s l i Analysis of Perfor m ance on t he Three -Level

Sli d e -W indow Integrat or by 　Z hang Sh ixiu

Abstract 　The re are seve ra l lm i its b y u si n g the t w o seg -m en t s li d e -w i n do w i n teg rato r based on the k /m -ru l e . Th i s paper cons i d e rs the th ree -leve l s li d e -w i n do w n i -teg rato r , and ana l y ses the pe rfor m ances on de tection o f it . B y us i n g the th ree -leve l to enhance a m p litude quan t i z at i o n accu racy , the de tect i o n pe rfor m an ce o f si g -na l , espec i a lly weak targe t signa l can be m i p roved w ith u i l e i r spec