地面探测雷达目标干扰问题的研究

2011-04-18 20:33:30来源: 微型机与应用 关键字:地面探测雷达  CFAR  遮挡  干扰模型

  摘  要: 讨论了主目标距离与干扰目标截面积之间的关系,结合工程实际应用,建立了干扰目标与主目标截面积比值,即主目标距离的数学模型。解决了主目标在不同距离时干扰程度的问题,并进行了仿真实验与结果分析。

  噪声与杂波是雷达工作的固有环境,地面探测雷达要求在复杂的杂波与噪声背景下,保持恒定的虚警概率完成对动目标的自动检测,现代动目标检测(MTD)雷达大部分都采用参考单元(距离维)、恒虚警率(CFAR)处理技术来实现[1-2]。在大多数的应用场合下,由于CFAR在参考单元滑窗统计噪声时不可避免地存在杂波边缘与多目标干扰,尤其是近距离目标干扰,从而导致CFAR性能严重下降,甚至主目标被“遮挡”。

  目前已经有大量文献[3-4]对CFAR技术在多(大)目标干扰环境下的检测性能进行了分析,并且得出CFAR技术在多目标环境中检测性能变差的结论;也有文献[5]对当CFAR技术失效时的干扰程度进行了一定的研究,但该文献[5]涉及的是一种理想状态,是基于各参考单元干扰目标的回波幅度一致的基础上进行的讨论,没有考虑因距离不同而引起的干扰强度的差异,因此只适用于主目标处于较远距离时刻。

  本文就CA-CFAR和最小选择(SO)CFAR两种经典处理方法,结合实际工程应用,对目标干扰模型进行了数学推导与建模。给出了在雷达探测范围内,主目标被“遮挡”时干扰目标有效反射面积与距离之间的函数关系式,并对该数学推导模型进行了仿真验证。

1 CFAR技术介绍

  CFAR检测器的结构框图如图1所示。输入的数据通过相参积累(FIR或FFT)处理后,为了减少系统损失提高多目标的发现概率,通常对各频道号信号分别做CFAR处理,图1描述的就是某一频道号进行滤波的结构框图。为了防止主目标信号泄露,通常在主目标前后相邻参考单元不参与噪声估计,图中Z1与Z2分别为主目标的前后m个单元的杂波噪声平均值,函数f(Z1、Z2)是对Z1、Z2进行进一步处理(求平均或选大或选小等),完成杂波噪声估值。

  本文主要讨论主目标被其他大目标“遮挡”的问题,越靠近雷达的目标对主目标干扰程度越严重。所以主目标的前沿参考窗影响更为严重,而且参考单元中第一个参考单元的干扰目标影响最大,特别是在近距离处,雷达回波信噪比很高,并且常常采用STC(灵敏度时间控制)来满足A/D采样动态以及收发机的动态要求,这样近距离噪声将非常小。因此为了简化计算以及便于仿真,故选择干扰最严重的情况进行讨论,即假设某相同频道号的干扰目标都集中在最靠近雷达的参考单元内,并且假设参考单元内的噪声与D比值为零,则式(5)可简化为:

3 计算机仿真实验与分析

  对数学模型进行计算机仿真试验及分析,由于该数学模型是基于地面探测雷达工程实现过程推导,因此在仿真试验中对某些参数做如下假设:杂波和噪声的幅度为瑞利分布,雷达动目标检测的虚警概率Pfas=10-6脉冲宽度为0.2 μs,参考单元数m依次取值为8、16和32三种参数,近距离盲区参数k取5。

  图2所示为基于CA-CFAR处理方法的干扰模型,Δδ为干扰目标与主目标的截面积比值,R为主目标所处距离。当主目标在某一距离时,干扰目标比主目标至少大多少时可能“遮挡”主目标。图中目标的干扰情况在近距离表现得更为复杂,刚开始干扰目标要比主目标大很多(m=32时,Δδ大约为20  dB)才可能导致主目标被“遮挡”。随着距离的增加,两者截面积比值?驻?滓曲线也在不断下降,此时主目标变得很容易被“遮挡”(m=32时,Δδ最小将近-25 dB)。由于该距离段比较短,当距离达到150(m+k+1)τ时,干扰程度逐渐减弱,截面积比值Δδ曲线快速上升。图中可以看出,在近距离干扰最严重的距离段,一个小目标就可能导致雷达“漏警”。

  图3所示为SO-CFAR处理模型时截面积比值Δδ与距离R的关系曲线图,从图中可以看出,随着距离增加,曲线呈下降趋势,到几公里后曲线趋于稳定,此时由于距离的差异而产生的的影响不大。

  由图2、图3可以看出SO-CFAR模型比CA-CFAR模型的抗干扰能力更强(特别是近距离),这也与众多的文献[7]研究结果相同。参考单元较多时,对于噪声功率估计更稳定,而且抗干扰能力较强,但是所涉及的距离越长越可能引入更多的干扰目标,同时参考单元越多所涉及的硬件开销越大。因此在工程应用中要综合考虑参考单元的数目。图2中也容易看出CA-CFAR处理方法,主目标在2 km以内很容易被干扰目标“遮挡”,由于式(2)中回波功率正比于目标有效截面积(Pr∝δ),因此可参考图2曲线,在原有的STC电路上,精心设计其控制曲线来降低近距离目标被干扰的可能性,提高目标的发现概率。

  本文不仅从理论上,更侧重的是从工程实现的角度对问题进行建模、分析,结合CA-CFAR与SO-CFAR处理技术,针对地面探测脉冲雷达进行研究,分析了目标距离与干扰目标之间的关系,并且进行仿真实验及结果分析,对从事雷达总体设计以及信号处理的研究起到一定的借鉴意义,也为雷达整机野外调试实验起到一些指导作用。

参考文献

  [1] 刘敬兴.地面探测脉冲压缩雷达的动目标检测[J].电子技术应用,2010,36(1):132-135.

  [2] 马晓岩,向家彬.雷达信号处理[M].长沙:湖南科学技术出版社,1998.

  [3] MASHADEM B.M-sweeps detection analysis of cell-averaging CFAR processors in multiple-target situations[J].IEE proc.-F, 1994, 141(2): 103-108.

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

  [5] 杜朋飞,张祥军.单元平均恒虚警率检测中的一个新结论[J].现代雷达,2007,29(2):60-62.

  [6] 郭仕剑,王宝顺.MATLAB7.X数字信号处理[M].北京:人民邮电出版社,2006.

  [7] 陈那.信号测试、处理与系统控制分析技术使用全书[M].北京:清华大学出版社,2005.

关键字:地面探测雷达  CFAR  遮挡  干扰模型

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2011/0418/article_3637.html
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