一种新型恒虚警检测方法初探

　2003年6月火控雷达技术第32卷　Ξ一种新型恒虚警检测方法初探

许　蕴　山

(空军工程大学　西安　710038)

　　【摘要】　提出综合性能良好的混合型CFA R 处理方法, 分析其检测性能, 并和常规CFA R 处理方法进行了比较。

关键词:脉冲多普勒雷达　恒虚警处理　恒虚警损失

A New CFAR D etection Xu Yun shan

(A ir F orce E ng ineering U n , X Abstract :T h is p ap er p ropo ses a p ethod w h ich has better p er 2fo rm ances and com p ares R and HCE 2CFA R .

p 　CFA R lo ss

1在目标信号信噪比不变的情况下, 通过改进信号的检测方法, 选取适当的虚警门限, 既保证虚警率不超出允许范围, 又能提高检测概率, 这是提高雷达作用距离的一种重要方法。现代信号处理技术的发展、高速处理器件的出现已经为采取更复杂的信号处理提供了可能, 本文提出了一种混合型恒虚警处理方法, 对其性能作了分析, 并与其他恒虚警处理方法作了比较。2　混合型恒虚警处理方法

2. 1　混合型恒虚警处理方法

HCE 2CFA R 方法对存在明显杂波边缘的背景处理性能比较优越。当杂波背景均匀时, 或者采样滑窗存在两个区域, 但其统计特性相差不大, 则HCE 方法的性能下降, 此时如采用单

元平均方法处理则可弥补HCE 2CFA R 方法的不足。因此在进行HCE 2CFA R 处理时, 可采用如图1所示混合型CFA R 处理方法。

首先假设参考滑窗内包含两块杂波区域, 用最大似然估计法估计两杂波区域的功率水平, 定义似然函数, 即:

Ξ本文于2002年6月28日收到

1

　2003年6月火控雷达技术

N 第32卷　L (y 1, 2, …, y N h J ) =y i 为平方率检波后的输出, 即y i =i =1Ρ2i (J ) exp [-Ρ2i (J ) ]2δ2X i 。可以分别求得两块杂波区域的功率水平估计Ρ1(J ) 与2

2δΡ2(J ) 。然后将它们代入(ln L ) 表达式中, 并令

L J =ln L +N =-′δ() +(N -J ) ln Ρδ2() ][J ln Ρ21J 2J

′当J 变化时求L J ′的最大值, 即L G =m ax {L J ′},J =1, 2, …, N -1。此处G

暂且作为杂波边缘所

δ2处的单元位置。则相应滑窗中两块杂波区域的功率水平估计分别为Ρ1(G ) =

2δ=2(dB ) 。y i 。从而得到两杂波区域功率比值ΧN -G i =G +1Ρ1(G ) N ∑δδy , Ρ∑G i =1i G 22(G ) =

图1　混合型CFA R 处理框图

临界[ΧL , ΧH ]的确定:当恒虚警处理的滑窗长度N 确定后, 再根据最大似然估计得到的杂波边缘位置G 的值, 分别计算CA 2CFA R 与HCE 2CFA R 随Χ变化的检测概率P D (CA ) 、P D (H CE ) 和虚警概率P FA (CA ) 、P FA (H CE ) (具体计算方法与HCE 处理性能分析中的有关方法相同) , 则Χ的边界值可按如下方法来确定:

若G 处于检测单元的左侧:

当P D (CA ) ≥P D (H CE ) 时, Χ的取值为下界ΧL

当P FA (CA ) ≥P FA (H CE ) 时, Χ的取值为上界ΧH

　　若G 处于检测单元的右侧:

当P D (CA ) ≥P D (H CE ) 时, Χ的取值为上界ΧH

当P FA (CA ) ≥P FA (H CE ) 时, Χ的取值为下界ΧL

δ得出Χ的边界[ΧL , ΧH ]后, 如图1所示, 判断Χ是否在该边界区间内, 然后, 按以下准则确定在

后续检测中使用CA 2CFA R 方法, 还是使用HCE 2CFA R 方法进行处理。

2

　第2期许蕴山　一种新型恒虚警检测方法初探

δ∈[Χ, Χ]则采用CA 2ΧCFA R 方法处理L H 判定准则:δΧ∈[ΧCFA R 方法处理L , ΧH ]则采用HCE 2 按上述准则分两条信号通道分别选择恒虚警检测门限。如果采用CA 2CFA R 处理方法, 则

检测门限为S n =T ・・∑y i 。如果采用HCE 2CFA R 处理方法, 需分两种不同的情况, 当G i =1N

δ2δ2时, 检测门限为S n =T ・Ρ时, 检测门限为S n =T ・Ρ

。最2; 当G ≥1。其中T 为门限因子22

后得到的检测门限送入比较器与检测单元信号y T 进行比较、判决。N

下面从恒虚警处理损失、M on te . Carlo 模拟检测两个方面来分析混合型CFA R 处理的性能, 并与CA 2CFA R 、HCE 2CFA R 两种恒虚警处理方法性能进行比较。

2. 2. 1　恒虚警损失

众所周知, 当检测门限一定时, 。若要想保持虚警概率不变, 则应适当地提高检测门限, , 就必须相应加大输入信号的信噪比, , 简称为恒虚警损失, 通常记为L CFA R 。

图2　恒虚警损失比较曲线

图2是计算机模拟检测中, 得到的恒虚警损失随Χ变化的曲线。图中的三簇曲线分别代表CA 2CFA R 、HCE 2CFA R 及混合CFA R 三种方法的损失。在计算机模拟检测时, 采用累积求检测概率的方法, 使信噪比不断递增,

当累积检测概率达到0. 85则认为检测到目标, 虚警概率

10、10P FA 分别设置为10、-5-6-7三组值。杂波背景由均匀到非均匀变化, 即参考滑窗中两块区

域杂波的功率水平之比Χ由小到大依次变化。并将所得的恒虚警损失作一比较(设CA 2CFA R 在处理均匀背景杂波时的恒虚警损失为1(0dB ) ) 。

由图中曲线可以看出, 当设定的虚警概率下降时, 用各种方法处理恒虚警损失都随之上升。当Χ小时, HCE 2CFA R 处理具有较高的损失, 尤其是Χ在0dB 附近时, HCE 2CFA R 的损失

3

　2003年6月火控雷达技术第32卷　比另外两种方法的损失要高出7～8dB 之多。CA 2CFA R 处理的损失随Χ增大而不断上升, 当Χ为10dB 时, 损失已上升到6dB 以上。在整个Χ的变化轴上, 混合型CFA R 处理都能保持相对较低的恒虚警损失。因此, 混合型CFA R 方法在L CFA R 方面比其它两种CFA R 方法拥有较明显的优越性。

2. 2. 2　模拟检测的性能

在模拟中通过M on te . Carlo 法产生服从瑞利分布的杂波背景, 整个杂波背景由三块分别均匀的区域组成, 其中区域1、2之间的交界边缘设在第30单元处, 区域2、3之间的交界边缘设定在第60单元处, 且区域1、3具有相同的杂波功率水平, 而区域2与它们不同。在第20、40、80三个单元处设有信杂比为15dB 的目标信号, 分别采用CA 2CFA R 、HCE 2CFA R 及混合型CFA R 三种方法进行模拟检测, 参考滑窗长度为N =16。得到的比较结果如图3、图4所示。

2图3所示的模拟中杂波功率水平差异较小:Χ=2=3dB , 此时HCE 2CFA R 处理在杂波交界边Ρ1

缘附近和满足单一分布的区域3中都具有虚警检测, 相比之下, 混合型CFA R 持恒虚警的性能

。

图3　Χ=3dB 时三种CFA R 方法模拟检测的结果比较(对瑞利杂波)

参考滑窗宽度N =16

2图4所示的模拟中杂波功率水平相差较大:Χ=2=20dB 。此时CA 2CFA R 处理在第一个Ρ1

杂波边缘处出现虚警检测, 而HCE 2CFA R 在此情况下没有发生虚警检测, 但它却在均匀的区域3内部未能检测到目标3。只有混合型CFA R 无论在Χ较大还是Χ较小时都能保持恒虚警4

　第2期许蕴山　一种新型恒虚警检测方法初探

的性能, 同时避免了目标的漏报现象。

3　三种CFA R 方法得到的雷达作用距离比较

不同检测方法对目标信号信噪比的要求不一样, 相应雷达的作用距离也不同。我们只考虑虚警概率和检测概率的确定过程, 将各种杂波背景下(取不同的Χ值) , 使用三种恒虚警方法得到的雷达作用距离作一比较。

对于CA 2CFA R 处理方法, 虚警概率表达式为

N -M (1+V N )

当杂波边缘位置被确定后, HCE 和混合型CFA R 处理都要由采样平均来估计检测门限。因此对三种恒虚警方法, 均可根据每个Χ值和初始设定的P FA (0) , 通过各自的虚警概率表达式求得P FA =M 检测门限因子V ,

然后确定单次检测概率P D i =

样单元数。1+L (1+X ) -L 其中L 图4　Χ=20dB 时三种CFA R 方法模拟检测的结果比较(瑞利杂波)

参考滑窗宽度N =16

表1为Χ取0、3、7、10、15、

20(dB ) 时, 分别使用CA 、HCE 及混合型三种CFA R 处理方法得到的雷达作用距离。雷达设定的虚警概率为P FA (0) =10-4, 累计检测概率达到0. 85时认为目

(下转第16页)

5

　2003年6月火控雷达技术第32卷　

图5　U SB 调制输出图6　D SB 调制输出

4　总结

美国In tersil 公司的可编程上变频芯片H SP 50415是一种功能强大、应用方便的数字上变频器, 它与D SP 等联合使用, , 具有良好的应用前景, 以D L 调制为例, 初步探讨了H SP 50415在软件无线电中的应用, 1　杨小牛、楼才义、电子工业出版社, 2001年2　H SP 50415SH rati on , 2000年

3　. . . 西安交通大学出版社, 1997年

4信息传输基础. 西安交通大学出版社, 1995年

(上接第5页)

标被发现。载机高1500m , 雷达工作在15kH z 的中重频, 脉冲宽度为1Λs , 发射功率为2k W , 目标高度500m , 截面积为5m 2。从表1的结果比较中可以看出, 混合型CFA R 能使雷达获得稳定的作用距离。

表1

ΧdB

CA 2CFA R

HCE 2CFA R 三种CFA R 处理的雷达作用距离(km ) 061. 545. 5

58. 0349. 547. 048. 5736. 548. 048. 01028. 048. 047. 01517. 547. 547. 52014. 047. 046. 5混合型CFA R

参　考　文　献

1　J . I . M arcu . A Statical T heo ry of D etecti on by Pu lse R adar , and M athem aticalA pp endix .

. on IT -6, 1960, 59-267I R E T an s

2　毛士艺等. 脉冲多普勒雷达. 国防工业出版社, 1990

16