雷達(dá)恒虛警處理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

中國(guó)人民解放軍空軍駐中國(guó)電科第38研究所軍代室 許金玖 束 琬 彭 偉

雷達(dá)恒虛警處理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

中國(guó)人民解放軍空軍駐中國(guó)電科第38研究所軍代室 許金玖 束 琬 彭 偉

【摘要】雷達(dá)信號(hào)的恒虛警（CFAR）處理是雷達(dá)信號(hào)處理的重要內(nèi)容之一，本文介紹了一種基于雜波輪廓圖選擇的雙支路處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)從實(shí)際使用效果來(lái)看，恒虛警效果好，工作穩(wěn)定，可為其它同類雷達(dá)的恒虛警設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】雜波輪廓圖；雙支路；CFAR

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

恒虛警處理是雷達(dá)信號(hào)處理的基本功能之一，過(guò)多的虛警數(shù)會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)跡處理和終端計(jì)算機(jī)飽和，影響操縱員的觀察，所以恒虛警處理是必不可少的。

恒虛警處理按其處理的環(huán)境來(lái)說(shuō)，可分為兩大類，即在噪聲環(huán)境下的恒虛警處理和在雜波環(huán)境下的恒虛警處理，選擇什么樣的恒虛警處理器，取決于雷達(dá)雜波的幅度統(tǒng)計(jì)特征。

本文介紹目前比較常用并且實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單的雙支路處理，即與MTI相參處理支路相并行，設(shè)置另一條正常處理通道，這樣可以減小相參支路不必要的損失，因?yàn)閺?qiáng)雜波環(huán)境中所必須的濾波器抑制凹口以及快門(mén)限恒虛警率處理，在弱雜波或無(wú)雜波條件下勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致一定程度上的檢測(cè)能力降低。因此在無(wú)雜波清潔區(qū)采用基于幅度信息的正常處理，則能夠保證信號(hào)尤其是弱信號(hào)的檢測(cè)概率。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)正常處理和相參處理結(jié)果的選擇，必須建立一個(gè)能夠反映雜波有/無(wú)的雜波圖，由于它只需要提供雜波的二分層（1/0）概略信息，因此得名雜波輪廓圖。例如數(shù)字“1”表示有雜波，用來(lái)控制選擇相參支路的輸出；數(shù)字“0”表示無(wú)雜波，可以控制選擇正常支路的輸出。所以，雜波輪廓圖又名雜波開(kāi)關(guān)。本文介紹基于雜波輪廓選擇的雙支路處理系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 雙支路處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

其中正常處理包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行求模值和取對(duì)數(shù)處理，之后分別送給后續(xù)做快門(mén)限（CFAR）和慢門(mén)限處理（NCFAR），其選擇受信號(hào)處理控制字控制；考慮到正常處理通道處理的為清潔區(qū)，剩余雜波較少，故只采用快圖。而MTI處理通道為雜波區(qū)，雜波剩余較大，故同時(shí)采用快圖和慢圖。

2.實(shí)現(xiàn)原理介紹

下面對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)模塊進(jìn)行逐一介紹。

2.1 噪聲環(huán)境下的恒虛警處理（NCFAR）

眾所周知，窄帶噪聲包絡(luò)的概率密度函數(shù)為瑞利分布，即滿足：

其中：

u為包絡(luò)幅度；

σ為噪聲的有效值。

虛警概率：

在此采用數(shù)字開(kāi)環(huán)式慢門(mén)限，并設(shè)定在休止期采樣32個(gè)點(diǎn)，求平均后再次統(tǒng)計(jì)32個(gè)周期，其實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字開(kāi)環(huán)式慢門(mén)限

這種方法是根據(jù)實(shí)際出現(xiàn)的虛警數(shù)Ne與設(shè)置的虛警數(shù)NT進(jìn)行比較而確定門(mén)限uT的增加或減少，增加或降低的門(mén)限值可取一個(gè)設(shè)定的增量?u（減量）值（這個(gè)值往往選定為最低數(shù)據(jù)位的增量）。

設(shè)在若干個(gè)重復(fù)周期的休止期采集N個(gè)噪聲樣本ui，每個(gè)樣本的噪聲幅值ui（n）和門(mén)限uT（上一調(diào)整周期結(jié)束時(shí)所對(duì)應(yīng)的累加器值）在數(shù)字比較器中進(jìn)行比較，當(dāng)ui（n）>uT，虛警計(jì)數(shù)器增加1個(gè)計(jì)數(shù)值，當(dāng)ui（n）uT時(shí)，累加器加上?u，若Ne

2.2 動(dòng)雜波環(huán)境下的恒虛警處理（CFAR）

這種CFAR處理，可對(duì)付云、雨等氣象雜波，人為施放的箔條干擾，海雜波，對(duì)積極干擾的抑制也較有效。不同動(dòng)雜波，干擾模型不同，對(duì)氣象雜波，一般均認(rèn)為其包絡(luò)的分布為瑞利分布。在這里主要考慮對(duì)氣象雜波的恒虛警處理，所以按瑞利分布來(lái)設(shè)計(jì)CFAR處理器，數(shù)學(xué)上已證明了單元平均恒虛警處理對(duì)這種模型具有CFAR性能，為了簡(jiǎn)化運(yùn)算和減小運(yùn)算字長(zhǎng)，將除法運(yùn)算轉(zhuǎn)化為減法運(yùn)算故采用單元平均CFAR，相對(duì)于線性恒虛警，對(duì)數(shù)CFAR引入了附加損失，但對(duì)數(shù)單元平均CFAR在雜波邊緣處具有邊緣效應(yīng)，從而使雜波前后沿的虛警增加，所以在此我們采用對(duì)數(shù)單元平均峰選的CFAR處理，它的基本數(shù)學(xué)運(yùn)算為：

n為中心抽頭（即檢測(cè)單元）的信號(hào)樣元序號(hào)

S（n）為中心抽頭信號(hào)的幅值

S0（n）為第n樣元的CFAR輸出

中心抽頭的左右各一單元，即S（n+1），S（n-1）不參與估值是為了減小目標(biāo)對(duì)均值估值的影響（目標(biāo)往往占幾個(gè)距離單元）。該CFAR處理的主要缺點(diǎn)是雜波邊緣附近產(chǎn)生黑洞，使黑洞區(qū)檢測(cè)能力大為降低，另一缺點(diǎn)是相對(duì)于單元平均而言，等效單元數(shù)降低了， CFAR損失增加。

其實(shí)現(xiàn)原理框圖如圖3所示。

圖3 對(duì)數(shù)單元平均峰選CFAR

2.3 雜波圖

在雷達(dá)雜波中，根據(jù)其幀間相關(guān)程度可分成兩類：一類是幀間相關(guān)性較強(qiáng)的雜波，如地物、氣象等；另一類是幀間相關(guān)性較弱的雜波，如飛鳥(niǎo)、昆蟲(chóng)、不明反射物及異常傳播引起的雜波等，這類雜波又稱為仙波或安琪兒（Angel）雜波。針對(duì)這兩類不同性質(zhì)的雜波，雜波圖所采用的距離單元?jiǎng)澐址椒ㄊ遣灰粯拥摹?/p>

雜波圖區(qū)域的劃分，是將雷達(dá)的威力范圍（這里僅考慮最大作用距離方位掃描范圍）劃分成許多雜波單元。設(shè)最大作用距離為Rmax，方位搜索區(qū)為360°，?r為雜波單元的距離值，為雜波單元的方位值，針對(duì)幀間相關(guān)性強(qiáng)的雜波一般按等距離間隔，等方位間隔劃分雜波單元，則總雜波單元數(shù)為：

對(duì)安琪兒雜波，幀間相關(guān)性極差；幅度約6～20dB；具有類同風(fēng)的速度；距離上不連片，僅占1～2個(gè)距離單元；對(duì)這種雜波，多普勒處理不能消除這種雜波（由于具有速度）；空間CFAR毫無(wú)效果（因?yàn)榫嚯x上僅占1～2個(gè)距離單元），因此只能采用雜波圖技術(shù)來(lái)控制檢測(cè)門(mén)限。由于幀間相關(guān)性差，所以傳統(tǒng)的按等方位，等距離來(lái)劃分雜波剩余單元的方法也不能降低雜波剩余，而必須采用等面積劃分雜波剩余單元，以保證近區(qū)有足夠多的統(tǒng)計(jì)單元，所以越是近區(qū)，方位扇區(qū)越大，即雜波剩余單元的方位扇區(qū)越大，這樣目標(biāo)在該區(qū)的時(shí)間也越長(zhǎng)，易引起檢測(cè)損失。設(shè)距離向按等距離劃分，而方位向按每增加一個(gè)距離段增加8個(gè)單元的形式在環(huán)內(nèi)等分。容易證明這樣劃分的結(jié)果能夠保證各個(gè)單元面積相等。對(duì)安琪兒雜波圖，統(tǒng)計(jì)幀數(shù)較長(zhǎng)，一般為16～32幀，所以又稱之為慢圖。慢圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)原理同快圖相似，不同的是，由于雜波單元?jiǎng)澐植灰粯?，慢圖的單元?jiǎng)澐直容^復(fù)雜。

2.4 MTI處理

MTI即運(yùn)動(dòng)目標(biāo)顯示，其本質(zhì)含義是：基于回波多普勒信息的提取而區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)與固定目標(biāo)（包括低速運(yùn)動(dòng)的雜波等）。由于本文的重點(diǎn)是雷達(dá)恒虛警處理，所以MTI處理在此不做介紹。

2.5 雜波輪廓圖

雜波輪廓圖的主要功能是作為模式選擇的控制圖。例如在具有MTI和正常視頻處理的系統(tǒng)中，為了避免MTI損失，在清潔區(qū)應(yīng)采用正常視頻處理，在具有超雜波檢測(cè)通道的系統(tǒng)中，在雜波區(qū)選時(shí)間CFAR，在清潔區(qū)選對(duì)噪聲的慢門(mén)限，在MTD中，雜波區(qū)選加權(quán)濾波器，在噪聲區(qū)選等權(quán)的全部濾波器，在氣象區(qū)所對(duì)應(yīng)的那個(gè)多普勒通道選空間CFAR，在無(wú)氣象的多普勒通道選噪聲慢門(mén)限，這種選擇均由雜波輪廓圖自適應(yīng)地進(jìn)行切換。

設(shè)計(jì)輪廓雜波圖要遵循以下原則：對(duì)雜波區(qū)的輪廓覆蓋率要高；對(duì)清潔區(qū)（噪聲區(qū)），盡量不判為雜波區(qū)，即輪廓覆蓋率要低；對(duì)目標(biāo)不建立輪廓圖。要滿足以上三個(gè)要求，需要考慮雜波圖區(qū)域大小的選擇，雜波類型、雜波統(tǒng)計(jì)數(shù)的長(zhǎng)短（涉及到雜波圖的響應(yīng)），觀察目標(biāo)可能的速度范圍等因素。

3.結(jié)論

采用該處理構(gòu)架的恒虛警處理系統(tǒng)已經(jīng)成功運(yùn)用于某地面雷達(dá)系統(tǒng)，從實(shí)際使用效果來(lái)看，恒虛警效果好，工作穩(wěn)定?？蔀槠渌惱走_(dá)的恒虛警設(shè)計(jì)提供參考。

參考文獻(xiàn)

［1］馬曉巖，向家彬，等.雷達(dá)信號(hào)處理［M］.湖南科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

［2］XXX雷達(dá)培訓(xùn)資料（內(nèi)部資料）.

［3］通用雷達(dá)新技術(shù)（內(nèi)部資料）.