在恒虚警检测下的多假目标干扰效果分析

第27卷第10期强激光与粒子束V o l .27,N o .102015年10月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM SO c t .,2015在恒虚警检测下的多假目标干扰效果分析*郑光勇, 刘国柱, 王福志(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室,河南洛阳471003) 摘 要: 针对多假目标干扰对恒虚警(C F A R )检测雷达的干扰效果评估问题,根据C F A R 检测原理,分析了多假目标干扰下雷达C F A R 检测门限和不同间隔的多假目标的干扰效果,得到了在一定密度和功率的多假目标干扰下,部分雷达将出现无任何信号输出的自压制状态的结论,最后通过仿真进行了验证,研究可以用于指导多假目标干扰的设计㊂关键词: 多假目标干扰; 恒虚警检测; 检测门限; 压制干扰中图分类号: T N 972.1 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201527.103247在电子技术㊁微波技术等技术的推动下,多假目标干扰作为一种高效的干扰技术,得到越来越广泛的应用㊂由于多假目标干扰具有相参性好㊁利用效率高等优点,可以有效降低干扰机的发射功率,减轻干扰机的体积和重量,具有很广阔的使用空间,激发了人们对多假目标干扰技术的研究热情[1-4]㊂在早期的雷达干扰中,受制于硬件水平,只能产生较少而稀疏的多假目标,因此早期的多假目标干扰主要以欺骗干扰为主[5-6]㊂较少的欺骗干扰使得雷达有资源和能力进行干扰识别[7-8],而密集的多假目标干扰,干扰数量多,能够增加雷达抗干扰的难度㊂相关文献对多假目标的压制干扰效果进行了分析,定性地得到了多假目标的压制干扰效果[9-10]㊂本文将针对在恒虚警(C F A R )检测下的多假目标干扰效果,从检测门限入手,定量分析多假目标的压制干扰机理,并通过仿真分析进行验证㊂1 多假目标干扰对C F A R 作用分析1.1 恒虚警检测和假目标干扰分析现代雷达的应用环境日益复杂,除了面临内外部噪声的影响外,还存在云㊁雨㊁多路径等因素引起的环境杂波的影响和各种人为干扰的影响㊂为了最大限度消除这些影响,需要精心设计雷达的检测门限,使其根据背景F i g .1 S k e t c hm a p o fC F A R 图1 恒虚警检测器示意图噪声㊁杂波和各种干扰的大小自适应地进行调整,以保证虚警概率恒定,这使得恒虚警检测在雷达中得到广泛的应用[11-12]㊂为获取较高的发现概率,针对不同的噪声㊁杂波㊁干扰等影响因素,可以选择不同的恒虚警检测器,主要包括噪声恒虚警㊁单元平均恒虚警㊁有序恒虚警检测器等㊂单元平均恒虚警检测器是最为常用的恒虚警检测器,主要包括单元平均(C A -C F A R )㊁单元平均取大(G O -C F A R )和单元平均取小(S O -C F A R )三种典型的恒虚警检测器,三种检测器对于提高检测概率或降低虚警概率具有不同的作用,图1给出一种左右各包括N 个参考单元和1个保护单元的恒虚警检测器示意图㊂根据图1,C A -C F A R ,G O -C F A R 和S O -C F A R 三种单元平均恒虚警检测器的检测门限为[11]V C A =k C A (x -L +x -R )/2V G O =k G O m a x (x -L ,x -R )V S O =k S O mi n (x -L ,x -R ìîíïïïï)(1)修订日期:式中:k C A ,k G O ,k S O 分别为C F A R 检测器的乘性因子;x -L =1N ðNi =1x L i 和x -R =1N ðNi =1x R i 分别表示左右两边对应参考单元的信号平均强度㊂多假目标干扰是干扰机侦收雷达信号通过复制㊁频率调制㊁幅度调制等多种处理,生成大量与回波信号近似的假目标信号,使雷达难以发现真目标㊂等间隔㊁等幅度的多假目标干扰是最简单的一种干扰,如图2所示㊂F i g .2 J a mm i n g e f f e c t o fm u l t i p l e f a l s e t a r g e t sw i t he q u a l i n t e r v a l a n d a m pl i t u d e 图2 等间隔㊁等幅度的多假目标干扰示意图从图1的恒虚警检测器示意图中可以看出,影响目标检测主要有两个因素,一个是被检测目标两边参考单元的能量,另一个是恒虚警的乘性因子k ㊂这两个因素取不同的数字,将直接影响检测门限,影响对目标的检测㊂1.2 多假目标对检测门限的影响在多假目标干扰下,假目标的能量远远大于噪声㊂在C F A R 检测器的参考单元中含有假目标时,便可以抬高C F A R 的检测门限,从而阻碍雷达对真目标的探测㊂在假目标功率一定时,当假目标密度越大,落入C F A R 检测器内的假目标越多,C F A R 检测门限将被提升得越高㊂F i g .3 I n t e r v a l o fm u l t i p l e f a l s e t a r g e t s a n d t h e l e n gt ho fC F A Rr e f e r e n c ew i n d o w 图3 多假目标密度对C F A R 参考窗长度示意图根据图1和图3,假目标之间的间距为Δd j ,C F A R 检测器的长度为L =2N +()3Δd r ,Δd r 为检测的参考单元距离,则C F A R 检测器参考窗内的假目标平均数量为m =L Δd j =2N +()3Δd rΔd j(2) 当Δd j >L ,即m <1时,滑动C F A R 检测器,假目标信号不会出现在每一个C F A R 检测器的参考窗中㊂当真目标和假目标之间的距离大于N Δd r 时,C F A R 参考窗中没有假目标,在式(1)中C F A R 检测门限V C A ,V G O ,V S O 与没有受到干扰的正常情况相同㊂当真目标和假目标之间的距离小于N Δd r 时,C F A R 参考窗中只有1个假目标,在式(1)只有V C A 和V G O 受到假目标影响㊂当1ɤm <2时,即假目标间隔大于C F A R 参考窗长度的一半㊁而不大于一个C F A R 参考窗长度,不管C F A R 检测器的参考窗滑动到什么地方,至少都会有1个假目标在参考窗内,影响C F A R 的检测门限㊂此时,检测门限V C A ,V G O ,V S O 受到影响㊂当m ȡ2时,不管C F A R 检测器的参考窗滑动到什么地方,都会有2个以上的假目标在参考窗内,即C F A R 参考窗左右两边的参考单元中都有至少1个假目标㊂在假目标能量远大于噪声情况下,检测门限将主要受制于假目标能量㊂1.3 检测器的乘性因子对检测门限的影响不同雷达对虚警概率的要求不同,检测器乘性因子k 的取值会不同,因此检测门限提高幅度也不强激光与粒子束同㊂警戒雷达需要非常高的发现概率,允许较高虚警概率,此时k 的取值可能会较小;跟踪制导雷达需要控制虚警概率,保持较高的发现概率,此时k 的取值可能会较大㊂对于C A -C F A R 而言,乘性因子k C A 可以按照式(3)进行计算[13]k C A =2N P -12Nf a-()1(3)式中:P f a 为虚警概率㊂在乘性因子k 取不同数值时,C F A R 检测器输出的结果不同㊂对于左右两边各8个参考单元的C A -C F A R 检测器而言,由式(3)可以得出在不同虚警概率下的乘性因子k C A ㊂例如当虚警概率分别为10-7,10-6,10-5,10-4时,可以计算出乘性因子k C A 的取值分别为27.81,21.94,16.86,12.45,由此虚警概率将直接影响检测门限㊂虚警要求越高,检测门限也越高㊂1.4 C F A R 检测下的多假目标干扰效果根据以上分析,在C F A R 检测下的多假目标干扰效果受到假目标的能量㊁密度,以及雷达自身的检测方式和虚警设置的影响㊂在以上参数不同时,将产生不同的干扰效果㊂当m ≪1时,即是稀疏的多假目标干扰㊂此时假目标如同真目标一样出现在雷达显示屏幕上,如果假目标经过逼真调制,将会产生欺骗干扰效果㊂在m <1的密集假目标干扰下,假目标间隔大于C F A R 参考窗的长度,假目标和真目标混在一起㊂当假目标和真目标出现在不同的C F A R 检测器时,假目标和真目标都将同时被检测;只有假目标跟真目标同时落入同一个C F A R 检测器时,两个信号将会相互产生影响㊂此时都将出现图4(a)所示的干扰效果㊂当1ɤm <2时,假目标出现在每一个C F A R 检测窗㊂由于每个假目标的能量远大于噪声,如果在检测假目标的检测器内没有真目标时,每个假目标将被检测,从而形成如图4(a )所示的干扰效果㊂在检测真目标时,检测门限可以简单表示为V =k x j /2N ,其中k 为乘性因子,x j 表示假目标的能量,处在同一个C F A R 参考窗内的假目标和真目标相互产生遮挡效应㊂当检测门限V 大于真目标信号时,雷达将无法检测到目标;当干扰较弱,真目标信号大于检测门限V 时,真目标混在如图4(a)所示的假目标中,难以分辨㊂当m ȡ2时,在C F A R 检测窗中将出现至少2个假目标㊂检测门限也可以简单表示为V =k n x j /2N ,其中n 为假目标个数㊂当检测门限V 大于真目标信号时,雷达将无法检测到目标㊂同时在检测假目标时,假目标也会受到C F A R 检测窗内其他假目标的影响,而当检测门限V 大于被检测假目标能量x j 时,假目标将会出现自遮蔽效应,雷达也将不能检测到假目标,形成图4(b )所示的没有任何信号输出的干扰效果;此时,V >x j 化简得到k n >2N ,在一般条件下,这个关系式是很容易满足;对于C A -C F A R 而言,将式(3)代入化简得到n P -1/2N f a-()1>1,在N =8和n =1(即左右参考单元各有1个假目标)时,可以计算出假目标出现自遮蔽的虚警概率约为10-4.805;当n >1即假目标更密集时,可以计算出假目标出现自遮蔽的虚警概率数值更高,自遮蔽更容易㊂当干扰信号较弱,在干扰下真目标信号大于检测门限V ,而检测门限V 大于假目标能量x j ,此时由于假目标的自遮蔽效应,形成图4(c)所示的没有干扰的效果,将不会对真目标检测产生影响㊂F i g .4 J a mm i n g e f f e c t o fm u l t i p l e f a l s e t a r ge t s o nC F A Rd e t e c t i o n r a d a r 图4 C F A R 作用下的多假目标干扰效果示意图2 仿真效果分析对C F A R 作用下的多假目标干扰效果进行仿真分析㊂设雷达信号脉宽为32μs ,带宽为2.5MH z,检测单元为100m ,雷达采用C A -C F A R 检测器,N =8,虚警概率为10-6㊂仿真了在不同干信比和不同假目标间隔情况下的恒虚警输出结果:设置假目标间隔分别为和,在干信比为和情况下的恒虚警郑光勇等:在恒虚警检测下的多假目标干扰效果分析强激光与粒子束检测情况㊂由于叠加在一起的多假目标平分干扰机的功率,因此单个假目标的功率小于干扰机功率[2],仿真中考虑了这一效应㊂经过C F A R处理后,只有信号大于检测门限的回波信号才能被检测,仿真结果如图5所示㊂F i g.5S i m u l a t i o no f t h e j a mm i n g e f f e c t o fm u l t i p l e f a l s e t a r g e t sw i t hd i f f e r e n t i n t e r v a l o nC F A RD e t e c t o r图5在不同间隔的多假目标干扰对C F A R检测的仿真结果通过仿真分析可以看出,当假目标间隔大于C F A R参考窗长度时,真目标与假目标间隔大于NΔd r,真目标能够被检测,但是真目标处于假目标中间而难以区分;而当真目标与假目标间隔小于NΔd r,真目标和假目标因为遮挡效应而不能被检测,如图5(a)和图4(a)所示㊂而随着假目标密度的增加,假目标之间也将出现自遮挡效应,当真目标的功率远大于假目标时,真目标将被检测;当假目标的功率与真目标功率相当或远大于真目标功率时,雷达将没有信号输出,如图5(b)和图4(b)所示㊂3结论通过分析在不同密度的多假目标干扰下,C F A R检测处理效果,得到了多假目标干扰压制效果的机理,本文的理论分析㊁仿真结果与真实的对抗试验结果一致,能够用于指导多假目标干扰的设计㊂从分析结果中可以看出,在进行多假目标干扰时,可以根据被干扰雷达的C F A R处理特征进行假目标密度调整㊂当假目标的密度过大时,干扰信号生产难度加大;同时由于叠加效应,单个假目标功率和相参性都会降低,影响干扰效果㊂因此为了保证较好的压制干扰效果,可以设置假目标的间隔与C F A R参考窗的长度相当㊂参考文献:[1]汤礼建,黄建冲,徐新华.基于卷积调制的脉内多假目标干扰技术研究[J].电子信息对抗技术,2008,23(3):43-45.(T a n g L i j i a n,H u a n gJ i a n c h o n g,X uX i n h u a.M u l t i-f a l s e-t a r g e t j a mm i n g w i t h i n p u l s e b a s e d o n c o n v o l u t i o nm o d u l a t i o n.E l e c t r o n i c I n f o r m a t i o nW a r f a r eT e c h n o l-o g y,2008,23(3):43-45)[2] L i uJ i a n c h e n g,W a n g X u e s o n g,L i uZ h o n g.P r e c e d e d f a l s e t a r g e t g r o u p s j a mm i n g a g a 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i n g e f f e c t o f t h em u l t i p l e f a l s e t a r g e t sw i t hd i f f e r e n t i n t e r v a lw a s a n a l y z e d.T h e c o n c l u s i o n i s t h a t t h e r a d a rw i t hC F A Rd e t e c t i o nm e t h o dw i l l o u t p u t n o s i g n a l b y t h e e f f e c t o f t h em u l t i-f a l s e-t a r g e t j a mm i n g w i t h s t a t e d p o w e r a n dd e n s i t y i n t h e s p e c i f i c f a l s e a l a r m p r o b a b i l i t y.A t l a s t t h e s i m u l a t i o nw a s d o n e t o p r o v e t h e a n a l y s i s.T h e r e s e a r c h c a nb e u s e d t od e s i g n t h em u l t i-f a l s e-t a r g e t j a mm i n g.K e y w o r d s: m u l t i-f a l s e-t a r g e t j a mm i n g;c o n s t a n t f a l s e-a l a r mr a t e;d e t e c t i o n t h r e s h o l d;b l a n k e t j a mm i n gP A C S:7.50.Q x;87.19.l o。