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雷达信号的恒虚警率检测
张鹏洲;龙腾
【期刊名称】《测试技术学报》
【年(卷),期】1997(011)003
【摘要】雷达信号的恒虚警率检测是雷达信号处理的重要组成部分。
本文首先论述了雷达信号恒虚警率检测的设计原理，分析了评价其性能的准则，在此基础上介绍了恒虚警率技术在雷达信号处理中的发展和应用。
最后概述了恒虚警率技术的研究动态。
【总页数】6页(P7-12)
【作者】张鹏洲;龙腾
【作者单位】北京理工大学;北京理工大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN957.523
【相关文献】
1.雷达信号恒虚警率处理方法分析 [J], 赵立志;张富强
2.双门限检测在宽带雷达恒虚警率检测中的应用 [J], 徐晖;郭启俊;刘宏伟
3.机场跑道异物监测雷达的杂波图恒虚警率检测 [J], 吴静;王洪;汪学刚
4.一种双参数雷达恒虚警率检测算法 [J], 杨安东;刘艳苹;林鹏
5.雷达恒虚警率检测算法综述 [J], 邹成晓;张海霞;程玉堃
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MIMO雷达双门限恒虚警检测余国辉;张弓【期刊名称】《信号处理》【年(卷),期】2011(027)006【摘要】由于MIMO雷达的多通道特性,使得MIMO雷达各接收天线之间需要进行大量的数据传输.在MIMO雷达中应用双门限检测可以使数据传输量大大降低.本文在单元平均恒虚警检测器的基础上,提出了一种MIMO雷达双门限恒虚警检测器,设计了MIMO雷达双门限恒虚警检测器的结构,将其检测性能和单门限恒虚警检测器进行了对比,分析了MIMO雷达双门限检测器在多目标环境下的检测性能.仿真结果表明在MIMO雷达中应用双门限检测具有结构简单,数据传输量低等特点,在单目标和多目标环境中,双门限恒虚警检测器的检测性能均优于单门限恒虚警检测器.%The receiving antennas of Multiple Inputs Multiple Outputs ( MIMO) radar need to transmit lots of data between each other because of the multiple channel property of MIMO radar. Besides, the technology of double threshold detection is quite mature and performs better than other detection methods. In order to reduce the data size, the double threshold detection method is applied to the MIMO radar. Base on the cell average CFAR detector, the double threshold detector for MIMO radar is proposed in this paper. Firstly, this detector' structure is presented. Then the detection performance of double threshold detector is compared to the single threshold one. Finally, the detection performance of the double threshold detector in multiple targets condition is indicated. Thesimulation results show that the double threshold detector performances better than the single threshold detector, especially in multiple targets environments. Besides, it has the advantage of simplicity, low data transmission rate between receiving antennas and so on.【总页数】6页(P864-869)【作者】余国辉;张弓【作者单位】南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏南京,210016;94899部队,福州,350315;南京航空航天大学电子信息工程学院,江苏南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TP958【相关文献】1.分布式 MIMO雷达双门限GLRTCFAR检测 [J], 胡勤振;杨芊;苏洪涛;周生华;刘子威;杨阳2.距离扩展目标的双门限恒虚警检测器及性能分析 [J], 顾新锋;简涛;何友3.MIMO雷达中单元平均恒虚警检测性能分析 [J], 王敦勇;马晓岩;袁俊泉;王党卫4.恒虚警检测器中的双门限方法 [J], 方云5.恒虚警检测器中的双门限方法 [J], 方云因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
利用单元平均恒虚警检测器检测雷达信号摘要：恒虚警方法就是采用自适应门限代替固定门限，而且此自适应门限能随着被检测点的背景噪声、杂波和干扰的大小自适应地调整。
在杂波背景下，由于信号是非同态的，有时还是时变的，所以采用单元平均恒虚警检测器检测雷达信号。
关键字：雷达信号检测恒虚警概率检测概率0 引言在现代雷达信号处理中，为了提高雷达的性能，首先需要提高检测器输入端的信噪比及信干比，其措施是降低接收机的噪声系数，采用各种抑制杂波和抗干扰的措施等。
但是即使采用了上述方法，检测器输入端还会有噪声、杂波和干扰的剩余分量。
由于接收机内部噪声电平因模拟器件的影响而缓慢时变，杂波和干扰剩余也是时变的，且在空间非均匀分布，所以仍需要采用各种恒虚警方法来保证雷达信号检测具有恒虚警特性。
杂波在空间的分布是非同态的，有些还是时变的，不同区间的杂波强度也有大的区别。
因而杂波背景下的恒虚警检测器与噪声背景下的恒虚警检测器有着明显的差别，其杂波的平均值只能通过被检测点的邻近单元计算得到。
所以采用单元平均恒虚警检测器。
1 恒虚警检测的概述目前常用的雷达信号的恒虚警处理分为两大类，即噪声环境的恒虚警处理和杂波环境的恒虚警处理。
噪声环境的恒虚警处理适用于热噪声环境。
杂波环境的恒虚警处理既适用于热噪声环境，也适用于杂波干扰环境。
由于杂波环境的恒虚警处理存在恒虚警损失，所以目前的雷达信号恒虚警处理一般都有两种处理方式，根据干扰性质自动转换。
横虚警率处理器主要有两个性能指标：（1）恒虚警率性能，表明了恒虚警率处理器在相应的环境中实际所能达到的恒虚警率情况；（2）恒虚警率损失，雷达信号经过恒虚警率处理后，为了达到原信号的检测能力所需的信噪比的增加量。
2 单元平均恒虚警检测器的原理将输入信号i x 送到由()21L +个延迟单元构成的延迟线上，检测单元D 的两侧各L 个单元为参考单元。
将所有参考单元中的x 值求和后再除以2L 就可以得到被检测单元处杂波背景的均值估计ˆμ。
雷达恒虚警研究摘要：本文对雷达CFAR处理方法进行了综述 ,讨论了CFAR检测方法的方向:参量和非参量的 CFAR方法。
明确了空域 CFAR 处理的概念，并着重讨论了空域 CFAR 处理研究中 ML类、OS 类和自适应 CFAR 算法。
也简单介绍了时域CFAR处理和非参量CFAR处理的方法。
并且提到了分布式CFAR检测 ,阵列信号 CFAR处理 ,极化 CFAR处理等极具潜力的研究方向。
最后针对几种典型的恒虚警检测算法的性能、优缺点进行了讨论。
关键字：参量和非参量CFAR 空域CFAR 时域CFAR ML-CFAR OS-CFAR 自适应CFAR 性能分析Title：Method and Principle of Radar signal CFARAbstract：This paper reviews on the radar CFAR processing method, the direction of CFAR method for detection: parametric and non-parametric CFAR method. Make a clear concept of the spatial CFAR processing. And discusses the class ML, class OS and adaptive CFAR algorithm of the spatial CFAR. Also simply introduced the time domain CFAR processing method and non-parameteric CFAR processing. And mentioned the distributed CFAR detection, array signal processing of CFAR, research direction of polarization CFAR processing potential. Finally, the performance and advantages and disadvantages of several typical CFAR detection algorithm are discussed.Keywords：parametric and non-parametric CFAR spatial CFAR time domain CFAR ML-CFAR OS-CFAR adaptive CFAR performance analysis目次1 引言 (1)2 恒虚警处理方法的分类 (2)3 均值类（ML）CFAR处理 (3)3.1 单元平均（CA-CFAR）检测算法 (3)3.2 最大选择（GO-CFRA）检测算法 (4)3.3 最小选择（SO-CFAR）检测算法 (5)4 有序统计量（OS-CFAR）处理 (6)4.1 顺序统计量检测算法 (6)4.2 删除均值（CMLD-CFAR）有序统计量算法 (6)4.3 削减平均（TM-CFAR）有序统计量算法 (7)4.4 其他有序统计量算法 (7)5 自适应CFRA处理 (8)6 时域CFAR处理——杂波图CFAR检测 (9)7 非参量CFAR处理 (10)7.1 符号检测器 (10)7.2 Wilcox on检测器 (10)8 其他CFAR处理的研究 (11)8.1 频域 CFAR检测 (11)8.2 分布式 CFAR检测 (11)8.3 阵列信号CFAR检测 (11)8.4 极化CFAR检测 (11)8.5 多分层CFAR处理 (12)9 对均值类及有序统计量类算法的性能分析 (13)9.1 均匀杂波背景下的检测性能 (13)9.2 五种恒虚警方法的ADT (13)9.3 强干扰目标下的检测性能 (14)9.4 均值类（ML）的优缺点 (14)9.5 有序统计量类（OS）的优缺点 (15)结论 (16)致谢 (17)参考文献 (18)1 引言雷达是军事和民用领域主要的目标探测工具，它的主要目的是在各种干扰存在的杂波背景下检测出有用目标。
分布式MIMO雷达信号检测相关技术研究MIMO(多输入多输出)技术在通信中已被广泛应用,它利用多天线收发阵列来抵抗多径效应,受此启发,Eran Fishler等人将MIMO理念与雷达技术结合起来,提出了MIMO雷达的概念。
MIMO雷达当前主要可以分为两类:一是天线阵元集中放置的集中式MIMO雷达,这与传统的相控阵有诸多共同点,是相控阵在多天线领域的延伸;另一类为天线阵元分布式放置的分布式MIMO雷达,它将MIMO通信的特点更好地汲取和吸收了,其收发天线阵列空间充分分离,能利用空间分集增益对抗目标RCS闪烁,有效地提升系统性能,这类MIMO雷达也是本文的研究重点。
本文主要针对分布式MIMO雷达系统,研究其信号检测相关技术。
本文的主要工作如下:首先简要说明了MIMO雷达的背景和意义,并对MIMO雷达的国内外研究现状进行了介绍,主要包括了信号模型、波形设计、参数估计、信号检测等。
接着阐述了MIMO雷达的基本原理,如目标起伏模型、MIMO雷达的特点和关键技术,并建立了集中式MIMO雷达、短基线分布式MIMO(SDMIMO)雷达和长基线分布式MIMO(LDMIMO)雷达的信号模型。
然后简要介绍了目标检测的基本原理,包括N-P检测器、二元检测模型、检测器性能指标等,并针对只存在接收机内部独立噪声的理想环境,推导了相控阵、SDMIMO、LDMIMO雷达的N-P检测器,并对比分析了SDMIMO与LDMIMO雷达的检测性能,同时对比了SDMIMO雷达与相控阵雷达的检测性能。
接着针对非理想环境,推导并对比分析了SDMIMO和相控阵雷达的N-P检测器。
当除了存在内部噪声还存在外部杂波时,将杂波建模为复合高斯杂波模型,比较相控阵和SDMIMO雷达的抗噪声和抗杂波能力;当目标RCS散射系数并不完全独立(部分相关)时,将目标存在时的检测统计量利用伽马分布近似,并将其与忽略散射系数相关性得到的检测性能曲线和蒙特卡罗实验得到的实际性能曲线进行对照分析,验证了此方法的合理性。
MI MO雷达中单元平均恒虚警检测性能分析3王敦勇 马晓岩 袁俊泉 王党卫(空军雷达学院,武汉430019)摘 要 针对高斯杂波背景,导出了MI M O雷达中C A2CFAR的虚警概率与检测概率的解析表达式,分析了C A2CFAR检测器在均匀杂波、多目标干扰及杂波边缘三种典型杂波背景中的检测性能。
结果表明,C A2CFAR检测器在均匀杂波中性能较好,但在多目标干扰环境中性能严重下降。
关键词 MI M O雷达;C A2CFAR;检测性能Detection Perform ance Analysis on CA2CFAR in MIMO R adarWang Duny ong Ma X iaoyan Y uan Junquan Wang Dang wei(Air F orce Radar Academy,Wuhan430019,China)Abstract:Aimed at G aussian clutter background,the analytical expressions of false alarm probabili2 ty and detection probability of C A2CFAR detector in MI M O radar are given.The detection perfor2 mance of C A2CFAR is analyzed under three typical clutter backgrounds such as uniform clutter, multi2target interference and clutter edge.The simulation results show the performance of C A2CFAR detector is g ood under uniform clutter,and is seriously descended under multi2target interference background.K eyw ords:MI M O radar;C A2CFAR;detection performance 多输入多输出(MI M O)雷达是国际上近几年发展起来的一种新概念雷达体制[1,2]。
该雷达采用了空间分集与信号分集技术,较好地克服了目标RCS的角闪烁所带来的性能损失,从而在目标检测方面有其独到优点[225],该新概念雷达已受到了众多学者的广泛注意。
由于MI M O雷达系统具有多通道特性,对目标检测而言,提高了可供提取的目标信息量,也使MI M O雷达的CFAR处理更加复杂。
2007年,Sam2 martino[6]根据MI M O雷达的数据特点,提出了一种基于MI M O雷达体制的单元平均恒虚警(C A2 CFAR)检测器,然后仿真分析了该检测器在k分布均匀杂波背景中的检测性能。
Sheikhi[7]也提出了一种针对高斯白噪声背景的CFAR检测方法,其检测器的结构与文献[6]所提C A2CFAR检测器大致相同,属于均值类CFAR检测器,主要区别是针对多脉冲条件,即在做CFAR处理前在时域上(脉冲间)做积累,仿真分析了该检测器在高斯白噪声中的检测性能。
但是,文献[6]和[7]没有给出虚警概率与检测概率的解析表达式,且仅分析2008年第1期2008,N o.1电 子 对 抗E LECTRONIC W ARFARE总第118期Series N o.1183基金项目:国家自然科学基金项目(60772152)收稿日期:2007年10月10日了均匀杂波背景下的检测性能,在多目标干扰和杂波边缘背景中目标的检测性能则没有提及。
在上述工作的基础上,本文首先介绍了MI 2M O 雷达的体制结构及C A 2CFAR 检测器的基本数学模型,然后针对高斯杂波背景,推导了单脉冲条件下MI M O 雷达C A 2CFAR 的虚警概率与检测概率的解析表达式,最后仿真分析了C A 2CFAR 检测器在均匀杂波、多目标干扰及杂波边缘三种典型杂波背景中的检测性能,得出了有益结论。
1 MIMO 雷达体制及CA 2CFAR 检测器1.1 MIMO 雷达体制结构及特点MI M O 雷达的的组成结构如图1所示,发射端共有M 个以较大距离分布的发射天线单元,同时发射M 个相互正交的信号,接收端共有N 个接收天线单元,每个接收天线单元的接收机利用信号正交性分离来自不同发射天线单元的信号,这样,每个接收天线单元可分离出M 个信号通道,称为本地通道。
对整部雷达系统而言,共形成了MN 个信号通道,且各天线单元符合空间分集的条件,每个通道的信号是统计独立的[2]。
图1 MI M O 雷达组成结构示意图MI M O 雷达主要有以下几点体制上的特点:1)在发射与接收单元较少的前提下,MI M O雷达实现了信号通道的成倍增加,这是传统雷达组网无法实现的。
如M =3,N =3时,MI M O 雷达可形成9个独立的信号通道,而雷达组网只是3个双基地雷达信号的简单综合,即只有3个独立的信号通道。
由于MI M O 雷达信号通道的成倍增加,目标检测性能会大大提高。
2)MI M O 雷达本地通道之间具有相同的非均匀性。
若MI M O 雷达各发射信号的带宽相等,则各通道距离单元是相等的。
在非均匀杂波背景中,由于本地通道是以同一方向对目标进行观测的,所以本地通道之间表现出相同的非均匀性(如多目标干扰环境下,本地通道干扰目标的数量及占据参考单元的位置相同),但不同接收单元的通道是以不同方向对目标进行观测的,所以它们之间表现出不同的非均匀性。
1.2 CA 2CFAR 检测器原理由于MI M O 雷达共有MN 个独立的信号通道,若每个通道选检测单元邻近的R 个距离单元作为参考单元,令Y ijk (i =1,2,…,M ;j =1,2,…,N ;k =1,2,…,R )表示平方律检波后第i 个发射天线单元到第j 个接收天线单元的信号通道中第k 个参考单元的观测样本,X 0ij 表示平方律检波后第i 个发射天线单元到第j 个接收天线单元信号通道的检测单元样本。
单脉冲条件下C A 2CFAR 检测器的主要思想是先把各通道检测单元样本相加,作为检测单元的检测统计量,记为X ,各通道的所有参考单元样本求平均作为杂波功率水平估计,记为Z ,最后Z 乘以归一化门限T 后与检测统计量X 作比较来判断目标有无。
用公式可表示为:X -TZH 1><H 00(1)其中,X =∑M i =1∑N j =1X 0ij ,Z =∑M i =1∑Nj =1∑Rk =1Y ijk 。
2 CA 2CFAR 检测器检测性能的理论分析在分析MI M O 雷达C A 2CFAR 检测器的性能前,首先作以下假设:(1)检测单元目标起伏特性为S werlingI 型[2],各通道独立同分布且具有相同的参数;(2)观测背景斯杂波服从高斯分布,各通道参考单元杂波独立同分布且具有相同均方值;(3)基于单脉冲条件,接收机采用平方律检波。
在上述假设下,各通道具有相同的信噪比,且第i 个发射天线单元到第j 个接收天线单元的信总第118期王敦勇,等:MI M O 雷达中单元平均恒虚警检测性能分析35 号通道的参考单元观测样本Y ij 1,Y ij 2,…,Y ijR 服从指数分布,当参考单元只有噪声时,其均值为λ;当参考单元既有噪声又有杂波时,其均值为λ(1+CNR ),其中CNR 代表杂波噪声比;各通道的检测单元观测样本X 0ij 也服从指数分布,其均值可表示为:E (X 0ij )=λ H 0λ(1+SNR )H 1(2)其中SNR 代表信号噪声比。
由于指数分布是Γ分布在α=1时的特殊情况,Γ分布的概率密度函数为f (x )=β-αx α-1e -x/β/Γ(α),x Ε0,αΕ0,βΕ0(3)考虑到Γ分布具有如下性质,若随机变量X 1～Γ(α1,β),X 2～Γ(α2,β),那么随机变量X 1+X 2～Γ(α1+α2,β),因此可得检测单元在无目标的情况下,X ,Z 分别服从分布Γ(MN ,λ),Γ(MNR ,λ),不难得出MI M O 雷达虚警概率P fa =∫+∞ΓZ (MNR ,λ)∫+∞TZΓX(MN ,λ)d X d Z (4)对于(4)式中的内部积分应用分步积分法可得 ∫+∞TZΓX(MN ,λ)d X=-X MN -1e -x/λλMN -1(MN -1)!+∞TZ+∫+∞TZX MN -2e -x/λλMN -1(MN -2)!d X =(TZ )MN -1e -TZ/λ(MN -1)!λMN -1+(TZ )MN -2e -TZ/λ(MN -2)!λMN -2+…+TZ ・e-TZ/λλ+e -TZ/λ=e-TZ/λ∑MN -1k =0(TZ )kk !λk (5)将(5)式代入(4)式可得P fa =∫+∞ΓZ (MNR ,λ)e -TZ/λ∑MN -1k =0(TZ )kk !λk d Z (6)考虑到在传统单通道雷达C A 检测器的性能分析时,其虚警概率为[8]P fa =∫+∞Zn -1(n -1)!λn e-TZ/λ=(1+T )-n(7)利用(7)式的结论,将(6)式中的积分进行适当的分解,可得P fa =(1+T )-MNR [(1+T )-(MN -1)C MN -1MNR +MN -2・T MN -1+(1+T )-(MN -2)C MN -2MNR +MN -3TMN -2+…+1]=(1+T )-MNR∑MN -1k =0(1+T )-kC k MNR +k -1Tk(8)从(8)式可看出MI M O 雷达C A 2CFAR 检测器的虚警概率与噪声功率水平λ无关,因此该检测器是恒虚警的。
由于各信号通道的信杂比相同,那么令T/(1+SNR )代替上式中的T ,即可得MI M O 雷达C A 2CF AR 检测器在均匀背景中目标的检测概率P d 。
3 仿真分析下面分别对均匀背景、多目标干扰背景和杂波边缘背景下的MI M O 雷达C A 2CFAR 检测性能进行仿真,其中在均匀背景中,直接用解析方法得出性能曲线,在多目标干扰及杂波边缘背景中,由于很难得到检测概率P d 或P fa 的解析表达式,本文采用半解析式,即归一化门限由式(8)得到,然后再比较检测单元X 与真实门限TZ 的大小,利用M onte 2Carlo 法统计出P d 或P fa 。
3.1 均匀背景下检测性能分析图2为均匀背景中MI M O 雷达C A 2CFAR 检测器与最优检测器的比较,其中仿真参数设置如下,发射天线单元数M =3,接收天线单元数N =3,各通道的参考单元数R =12,虚警概率P fa =1×10-6。
