基于杂波分布特性的恒虚警率检测器设计.pdf

收稿日期:2 0 2 3 0 2 0 6基于杂波分布特性的恒虚警率检测器设计洪 伟,马艳艳,程 义(中国船舶集团有限公司第七二三研究所,江苏 扬州 2 2 5 1 0 1)摘要:针对单元平均恒虚警率(C A-C F A R)检测器在非平稳环境下检测性能下降的问题,提出了一种基于杂波分布特性的自适应恒虚警率检测器设计方法。主要思路为:在已知背景杂波类别的前提下,选择相匹配的恒虚警率检测器来提高目标的检测性能。基于实测数据,通过在不同杂波类别的区域人工加运动目标的方式,经过与C A-C F A R检测结果的仿真实验对比,验证了所提恒虚警率检测器的有效性。关键词:杂波模型;恒虚警率检测;海杂波;陆杂波;检测性能 中图分类号:T N 9 5 7.5 1文献标识码:A文章编号:C N 3 2-1 4 1 3(2 0 2 3)0 4-0 0 8 9-0 5D O I:1 0.1 6 4 2 6/j.c n k i.j c d z d k.2 0 2 3.0 4.0 2 0D e s i g n o f C F A R D e t e c t o r B a s e d o n C l u t t e r D i s t r i b u t i o n C h a r a c t e r i s t i c s HONG W e i,MA Y a n y a n,CHE NG Y i(T h e 7 2 3 I n s t i t u t e o f C S S C,Y a n g z h o u 2 2 5 1 0 1,C h i n a)A b s t r a c t:F o r t h e d e t e c t i o n p e r f o r m a n c e o f c e l l a v e r a g e-c o n s t a n t f a l s e a l a r m r a t e(C A-C F A R)d e-t e c t o r w i l l b e r e d u c e d i n n o n-s t a t i o n a r y e n v i r o n m e n t,t h i s p a p e r p r o p o s e s a d e s i g n m e t h o d o f a d a p-t i v e C F A R d e t e c t o r b a s e d o n t h e d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f b a c k g r o u n d c l u t t e r.T h e m a i n i d e a i s t o s e l e c t t h e m a t c h i n g C F A R d e t e c t o r t o i m p r o v e t h e d e t e c t i o n p e r f o r m a n c e o f t h e t a r g e t u n d e r t h e p r e m i s e o f k n o w n b a c k g r o u n d c l u t t e r c a t e g o r y.B a s e d o n t h e m e a s u r e d d a t a,t h e e f f e c t i v e n e s s o f C F A R d e t e c t o r p r o p o s e d i s v e r i f i e d t h r o u g h c o m p a r i n g w i t h t h e s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t o f C A-C F A R d e t e c t i o n r e s u l t s b y m e a n s o f m a n u a l+m o v i n g t a r g e t s i n t h e a r e a o f d i f f e r e n t c l u t t e r c a t e-g o r i e s.K e y w o r d s:c l u t t e r m o d e l;c o n s t a n t f a l s e a l a r m r a t e d e t e c t i o n;s e a c l u t t e r;l a n d c l u t t e r;d e t e c t i o n p e r-f o r m a n c e 0 引 言恒虚警率(C F A R)检测器的主要功能是在包含噪声、杂波甚至干扰的雷达回波数据中,检测目标是否存在,其在雷达信号检测技术中具有重要的地位。N i t z b e r g将C F A R阈值分为以下4种:固定阈值;基于干扰平均幅度的阈值;基于干扰统计先验信息的阈值;无干扰统计先验信息时,基于分布自由的统计假设检验的阈值1。对固定阈值C F A R检测器的研究已经非常成熟,它主要应用在高斯白噪声确知恒定的条件下。然而,实际工程中雷达接收回波中包含了多种类型的环境杂波、海杂波、地杂波、气象杂波等,这些环境因素导致了雷达目标检测的背景一般处于非均匀环境,难以达到平稳恒定的要求,因此,自适应阈值C F A R检测器的研究应运而生。在待检测单元所处的背景信息未知时,有关自适应阈值恒虚警率检测器的研究越来越成熟,文献2 研究内容为在背景环境未知时,将均方差和有序差分思想应用到背景功率估计中,提出了一种基于最大类方差的恒虚警率检测器,基于仿真数据的实验表明,所提恒虚警率检测器在多目标环境下有更强的抗干扰能力。文献3 针对海杂波情况下的小目标检测,提出了多帧联合的检测思想,分两步完成:第1步通过设置较低的门限,保证较高的目标检2 0 2 3年8月舰 船 电 子 对 抗A u g.2 0 2 3第4 6卷第4期S H I P B OA R D E L E C T R ON I C C OUN T E RME A S UR EV o l.4 6 N o.4测概率;第2步利用海杂波的尖峰和目标在时间相关性方面的差异,抑制海杂波虚警。文献4 分析了常用的平均类恒虚警检测器和排序类恒虚警检测器,并分别针对2类恒虚警检测器提出了改进算法,仿真结果验证了改进恒虚警检测器的有效性。文献5 针对检测前跟踪(T B D)算法计算量大的问题,改进了二维C F A R的参考滑窗方法,基于仿真实验验证了背景噪声估计的有效性,实验中在不同背景功率下自适应改变门限的取值,提高了目标检测的实时性。有不少文献研究了在待检测单元所处的背景信息已知的情况下恒虚警检测器的设计。文献6 针对K分布背景下的海杂波,结合非相参积累检测方法对脉冲积累数、海杂波模型参数等的依赖特性,提出了基于海杂波白化方法的恒虚警检测器。文献7 通过仿真产生了幅度为瑞利分布、对数正态分布和韦布尔分布3种类型的杂波,针对不同杂波类型,提出了不同的恒虚警检测器设计。文献8 为了解决传统恒虚警检测器在非均匀韦布尔杂波环境中性能剧烈下降的问题,提出了一种基于杂波边缘二元积累算法的恒虚警检测器,并使用对比实验验证了新提出恒虚警检测器的有效性。文献9 通过计算待检测单元所处杂波的背景功率,判断待检测单元位于强杂波区域或弱杂波区域,自适应选择不同的的恒虚警检测器。文献1 0 通过计算待检测单元所处杂波的背景功率,判断待检测单元位于强杂波区域或弱杂波区域,自适应选择不同的恒虚警检测器。文献1 1 在已知背景分布为对数 正态分布时,设计了一种有序统计恒虚警检测器,并用数值方法讨论了参考单元个数导致的信杂比损失以及最佳序值的选取。本文基于当前环境确知的前提下,根据检测单元所处的杂波类型为陆地杂波、海杂波或陆杂波海杂波交界这3种类型,选择不同的恒虚警检测器,并通过人工加运动目标的方式,使用实测数据对所提方法进行仿真验证。1 杂波特性分析1.1 杂波时域回波起伏特性由图1可知,海杂波背景幅度起伏最大,海陆交叉区域杂波背景幅度起伏较大,陆地杂波背景幅度较为平稳,而且相对于海杂波和海陆交叉区域杂波来说,陆杂波幅度较小;海杂波的幅度分布高振幅回波出现的概率大,时域波形较尖锐,海陆交叉区域杂波次之,陆杂波最平稳。图1 3种杂波类别的时域特性09舰 船 电 子 对 抗第4 6卷 1.2 杂波频域特性图2为对相参处理间隔的数据做1 6点快速傅里叶变换(F F T)之后的距离-频谱图,x轴表示一个脉冲的有效距离单元,y轴为频谱维,z轴为幅度,(a)所示为海杂波的距离-频谱图,(b)表示海陆交叉区域杂波的距离-频谱图,(c)表示陆杂波的距离-频谱图。由图2可知,海浪可以在雷达径向产生相对速度,故海杂波的频谱中心频率一般在零频以外,容易构成虚假目标,而大多数地杂波不能在雷达径向产生相对速度,其中心频率一般在零频,因此海杂波的频谱幅度与陆杂波相比有明显的偏移和较长的拖尾。由此可得,海杂波分布范围较大,在多个距离单元和多个频率上均有较强的幅度;海陆交叉区域的杂波在较少的距离单元和频率上有分布;而陆杂波一般在某些距离单元有分布,在更多的距离上没有分布,且陆杂波幅度相对于其他2种类别杂波的幅度小。图2 3种类别杂波的距离-频谱图2 恒虚警检测器由第1节分析可知,海杂波背景下,杂波幅度起伏较大,频谱带宽较大;海陆交叉区域次之;陆杂波背景幅度起伏平稳,频谱带宽较小。故在海杂波区域选择基于威布尔的恒虚警率检测器;在海陆交叉区域选择基于对数-正态分布的恒虚警率检测器,在陆杂波区域选择有序恒虚警率检测器。2.1 有序恒虚警率检测器1 2有序恒虚警率检测器主要应用在多个目标的环境下,通过对参考单元进行排序来估计背景功率,流程如图3所示,其中,x=(x1,x2,x3,x2L)为参考单元,D处为待检测单元,2L为参考单元个数,对参考单元的数据由小到大排序,得到x=(x1,x2,x3,x2L),选择xm作为参考单元内杂波电平的估计,将之与门限系数K相乘得到该模型的虚警门限U,m一般取参考单元数目的3/4,即:U=Kxm(1)m=3/42L(2)与传统的单元平均恒虚警率检测器相比,当参考单元中混有干扰时,有序恒虚警检测器只会引起参考单元排序结果变化,对检测门限影响相对较少,故其更适应于多目标环境检测中。图3 有序恒虚警检测器流程图2.2 基于对数-正态分布的恒虚警率检测器1 2基于对数-正态分布的恒虚警率检测器主要应用在背景杂波不满足高斯分布的情况下,比如某些海杂波背景下。如图4所示,对输入数据xi取对数得到yi,通过第1条延迟线估计yi的均值um,然后将检测单元D1位置上的值yD1进行减均值后取平19第4期洪伟,等:基于杂波分布特性的恒虚警率检测器设计方得到的y作为第2条延迟线的输入,第2条延迟线通过求平均后估计方差2c,将第2条延迟线的待检测单元值除以2c得到z2i:yi=l gxi(3)yi=(yD1-m)2(4)2c=yi/2L(5)z2i=yD2/2c(6)然后选择单元平均恒虚警率检测器对参考单元内杂波电平进行估计,获得虚警门限。图4 对数-正态分布的恒虚警率检测器流程图2.3 基于威布尔分布的恒虚警率检测器1 2文献1 2 通过公式推导证明了将威布尔分布的杂波转换为正态分布后,虚警率只与检测门限有关,与威布尔杂波的形状参数和尺度参数均无关,故若海杂波满足威布尔分布,即可使用该检测器。首先按照公式(3)(6)对威布尔分布的杂波进行转换,将分布转化为标准正态分布,然后选择有序恒虚警率检测器选出参考单元内杂波电平的估计,流程图如图5所示。图5 威布尔分布的恒虚警率检测器流程图29舰 船 电 子 对 抗第4 6卷 3 实验结果本实验基于实测数据,录取环境有海和陆地,杂波背景分为陆杂波环境、海陆交叉环境2类。根据不同环境的杂波类别,选择不同的恒虚警率检测器,对目标进行检测。对比的恒虚警率检测器选择工程上常用的单元平均恒虚警率检测器。通过人工加目标的方式,在杂波较强的多个方位加入1个信噪比为-1 0 d B的目标,非相参积累点数选择1 6,待检测单元的左右保护单元选择1,左右两侧的参考单元数目选择1 6,比较本文所提恒虚警率检测器和传统单元平均恒虚警率检测器的检测性能。图6(a)(c)所示为上述方位的目标检测情况,“+”线表示非相参积累后的待输入恒虚警率检测器的数据,“”线表示传统的单恒虚警率门限,虚线表示本文所提的恒虚警率检测器的门限,实线为目标。由图6对比可知,对于杂波较强区域附近的目标,选择单元平均恒虚警率检测器时,门限受附近幅度较大的杂波影响较明显,导致门限较高,往往发生漏检的情况,目标都未检测到;而选用本文所提恒虚警率检测器时,门限受附近幅度较大的杂波影响很小,可以将2个目标检测出来。图6 在杂波较强区域检测性能对比图 在杂波相对较平稳的海陆交叉区域和陆杂波区域的多个方位,在距离单元间隔3的位置人工加入2个信噪比均为-1 0 d B的目标,非相参积累点数选择1 6,待检测单元的左右保护单元选择1,左右两侧的参考单元数目选择1 6,比较本文所提恒虚警率检测器和传统单元平均恒虚警率检测器的检测性能。图7(a)(f)所示为上述方位的目标检测情况,“+”线表示非相参积累后的待输入恒虚警率检测器的数据,“”线表示传统的单恒虚警率门限,虚线表示本文所提的恒虚警率检测器的门限,实线表示目标。图7(a)、(b)和(d)对比可知,在杂波相对较强区域,选择单元平均恒虚警率检测器时,门限受附近幅度较大的杂波影响较大,可能导致漏检,只能检测到1个目标或2个目标都未检测到;而选用本文所提恒虚警率检测器时,可以同时将2个目标检测出来。在杂波较平稳区域,本文所提恒虚警率检测器和单元平均恒虚警率检测器都可以将2个目标检测出来,如图7(c)、(e)、(f)所示。由以上分析可知,本文所提恒虚警率检测器比传统的单元平均恒虚警率检测器检测性能好。4 结束语C A-C F A R在工程上得到成熟的应用,但当杂波环境不满足平稳特性的时候,杂波模型已经不服从高斯分布,若依然选择C A-C F A R,受附近单元杂波幅度的影响,恒虚警率门限会较高,将出现漏警现象,检测性能大幅下降。因此,本文提出一种基于杂波分布特性的自适应恒虚警率检测器设计方法。主要目的是当杂波环境不服从高斯分布时,选择其对应分布模型的恒虚警率检测器,使恒虚警率得到保障的基础上,提高目标的检测性能。基于实测数据,通过在不同杂波类别的区域人工加运动目标的方式进行仿真验证,经过与C A-C F A R检测结果的对比,验证了本文所提恒虚警率检测器的有效性。参考文献1 何友,关键,孟祥伟.雷达自动检测和C F A R处理方法综述J.系统工程与电子技术,2 0 0 1(1):9 1 4,8 5.2 李翔,贾杰.基于一种改进的最大类间方差的恒虚警算法J.弹箭与制导学报,2 0 1 9,3 9(6):2 5 2 8.3 张帅.海面小目标多帧联合检测方法研究D.西安:西安电子科技大学,2 0 1 9.4 都基炎,胡军,张百顺.七种恒虚警率处理方案及性能分析J.现代雷达,2 0 0 4,2 6(4):4 7 5 0.(下转第9 7页)39第4期洪伟,等:基于杂波分布特性的恒虚警率检测器设计参考文献1 王璐.基于谐振环结构的B 3/L 1小型化双频段卫星导航天线设计D.西安:西安理工大学,2 0 1 8.2 王子亮.北斗导航接收机抗强电磁场损毁限幅电路研究D.北京:北京交通大学,2 0 1 8.3 汪北辰.北斗导航天线的设计D.西安:西安电子科技大学,2 0 1 7.4 钱建增.多频段圆极化北斗卫星导航天线的小型化设计D.镇江:江苏大学,2 0 1 5.5 邓旭,吕志伟,周玟龙,等.采用载噪比的卫星导航欺骗检测算法设计J.导航定位学报,2 0 2 2(2):1 0 9 1 1 8.6 楚恒林,高扬,陆明泉.S频段卫星导航信号与临频信号兼容性分析与试验J.遥测遥控,2 0 1 8,3 0(3):1 7.7 易波.新型电磁结构在隐身和电磁防护中的应用研究D.长沙:国防科学技术大学,2 0 1 7.8 王梦丹.小型化低频率比双频频率选择表面研究D.西安:西安电子科技大学,2 0 2 0.9 戴柯寒,马宵宵,桑磊.一种高可靠性柔性双频单极子天线设计J.合肥工业大学学报,2 0 2 0,4 3(1 1):1 5 1 31 5 1 6.1 0N I KO L AOU S,V R YON I D E S P,ANAG NO S T OU D E.D u a l-b a n d m i c r o s t r i p-f e d m o n o p o l e o n R O 4 0 0 3 s u b-s t r a t eC/A n t e n n a s a n d P r o p a g a t i o n S o c i e t y I n t e r n a-t i o n a l S y m p o s i u m.S a n D i e g o,C A,U S A:I E E E,2 0 0 8:3 8 9 8 3 9 0 1.1 1任春雷.宽带小型化多频卫星导航天线D.西安:西安电子科技大学,2 0 1 5.(上接第9 3页)图7 在杂波较为平稳区域检测性能对比图5 谢春思,刘志赢,吴帅,等.基于改进二维C F A R参考滑窗技术的目标检测研究J.弹箭与制导学报,2 0 2 1,4 1(3):4 8 5 2.6 张坤,水鹏朗,王光辉.相参雷达K分布海杂波背景下非相干积累恒虚警检测方法J.电 子与 信息 学报,2 0 2 0,4 2(7):1 6 2 7 1 6 3 5.7 吴旖.雷达信号恒虚警检测处理研究D.南京:南京理工大学,2 0 0 9.8 彭馨仪.一种非均匀W e i b u l l杂波背景中的C F A R检测器J.现代雷达,2 0 2 0,4 2(1):3 2 3 7.9 詹世豪.复杂背景下的自适应恒虚警算法研究D.西安:西安电子科技大学,2 0 1 9.1 0詹世豪.复杂背景下的自适应恒虚警算法研究D.西安:西安电子科技大学,2 0 1 9.1 1段亭宇,水鹏朗,封天.对数正态纹理海杂波背景非相干C F A R检测方法J.西安电子科技大学学报,2 0 2 2,4 9(5):1 8.1 2吴顺君,梅晓春.雷达信号处理和数据处理技术M.北京:电子工业出版社,2 0 0 8.79第4期任丹,等:应用于北斗卫星导航的频率选择表面研究与设计