雷达信号处理技术及仿真

雷达信号处理技术及仿真

任新涛;张宏伟;田蛟;潘刚

【摘 要】The process of radar signal processing was simulated by Matlab

software, from which the simulation graph can make us have a visualized

understanding on the process of radar signal processing, and reflect the

convenience and quickness of Matlab software in radar signal processing

and simulation. In addition, the current status, shortages and development

trend of current radar constant false alarm rate (CFAR) detection

technology are elaborated. Through improving simulated annealing (SA) ,

an optimal threshold constant false alarm rate detection algorithm which

can effectively select detection threshold in the process of constant false

alarm rate detection is put forward. The constant false alarm rate detection

performance of the radar system can be improved, and a certain reference

value on the development of constant false alarm rate can be gained.%在此借助Matlab软件对雷达信号处理过程进行仿真,从仿真图形直观地理解雷达信号处理过程,也体现了Matlab软件在雷达信号处理仿真中的方便、快捷等优点.另外,对当今雷达恒虚警检测技术的现状、不足及其发展动态进行了论述,并通过改进模拟退火算法,提出了一种最优门限恒虚警检测算法.该算法能够在恒虚警检测过程中有效地选取检测门限,提高了雷达系统的恒虚警检测性能,对恒虚警发展具有一定的参考价值.

【期刊名称】《现代电子技术》

【年(卷),期】2012(035)003 【总页数】4页(P8-10,14)

【关键词】Matlab;雷达信号处理;恒虚警;模拟退火;门限

【作 者】任新涛;张宏伟;田蛟;潘刚

【作者单位】军械工程学院研究生管理大队学员三队,河北石家庄050003;军械工程学院研究生管理大队学员三队,河北石家庄050003;军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄050003;军械工程学院光学与电子工程系,河北石家庄050003

【正文语种】中 文

【中图分类】TN95-34

现今雷达系统所处的电磁环境日益复杂，相应出现的目标检测方法也越来越多。本文借助Matlab软件对雷达信号处理过程进行仿真，并对恒虚警检测技术的发展现状及其趋势进行论述。Matlab是一种简单易学且功能强大的软件，在雷达信号处理方面体现出了很大的优势。下面将结合某型炮瞄雷达，对常用的雷达信号处理技术进行分析与仿真。

1 雷达发射信号产生

1.1 线性调频信号产生[1]

为了实现远距离目标探测，目前雷达的发射信号一般采用压缩的线性调频信号序列。在Matlab中提供了modulate函数，可以方便地产生线性调频信号。其调用格式如下：

式中:ft为调制信号，对线性调频而言，调制信号就是时间序列;fc为线性调频信号的起始频率，也称载波频率;fs为采样频率;k为调制灵敏度。 采用modulate函数产生一个起始频率为2 MHz，采样频率为10 MHz，调频带宽为2 MHz的线性调频信号，输出结果如图1所示。

图1 线性调频信号

1.2 雷达发射信号产生

雷达的发射信号为压缩的多个线性调频信号序列，图2为含7个脉冲串的线性调频序列。

图2 含7个线性调频脉冲串

2 雷达回波信号产生

雷达的回波信号由目标回波、杂波和系统噪声三部分组成。其中，系统噪声为热噪声，一般服从高斯分布，可以通过Matlab中的random函数方便的产生，如图3所示。随着雷达系统的发展，雷达在探测中所面临的杂波环境日趋复杂，人们已经对不同环境下的杂波类型进行了大量的研究。目前处于研究应用阶段的杂波类型主要有服从瑞利分布的杂波，服从对数正态分布的杂波和服从韦布尔分布的杂波，如图3所示。另外，对服从k分布杂波下信号检测的研究也是当前一个热点问题。

图3 几种常见的杂波分布图

为了使模拟的接收信号尽可能接近现实情况下雷达接收的回波信号，在图4所示的某型炮瞄雷达的回波信号中包含3个动目标多普勒频移信号，系统热噪声和服从瑞利分布的杂波。

3 匹配滤波器原理[2-3]

设一个线性系统的收入信号x(t)的频谱为X(ω)，系统的传递函数为H(ω)，如果H(ω)满足条件:

H(ω)=KX*(ω)exp(-jωt0)

则称该系统为匹配滤波器。这里的匹配是指系统的频率特性，要与信号的频谱成共轭关系。匹配滤波器的原理就是要使系统输出的信噪比尽可能达到最大，雷达接收机的频率特性应当按匹配滤波器的要求来设计。对于脉冲雷达采用谐振电路作为负载的中频放大器，它的频率特性基本上是匹配的。

图4 含三个动目标加杂波和系统热噪声的雷达回波信号

4 恒虚警分析

4.1 恒虚警发展概述

对雷达恒虚警检测器的研究一直是一个热点问题，恒虚警检测按杂波类型可分为参量型恒虚警检测和非参量型恒虚警检测。对参量型恒虚警检测器，当今研究得比较成熟，非参量型恒虚警检测器虽然对杂波类型没有严格要求，但其恒虚警率效果比较差。按恒虚警检测算法可以分为标量检测算法和矢量检测算法。这两种算法都需要估计检测单元噪声功率来设定检测门限，以达到恒虚警检测的目的。这主要是通过利用临近检测单元(称之为辅助单元)不含有信号的雷达回波来完成。不同的是，对于标量检测算法，每个单元的值是标量；对于矢量检测算法，每个单元的值是矢量[4]。

目前参量型恒虚警检测器中对杂波与背景功率估计应用最多的几种方法有单元平均(CA)、单元最大(GO)、单元最小(SO)、加权单元平均(WCA)和有序统计量(OS)等。文献[5]中提出了一种分布式自动删除平均恒虚警率检测方法，它不需要干扰的先验信息，还可以检测本身可能是目标的干扰。文献[6]中将模糊逻辑与单元平均(CA)算法相结合，提出了一种加权平均模糊恒虚警检测方法，在均匀与非均匀背景下具有不错的检测性能。文献[7]中提出了一种基于分数阶矩估计的非参量恒虚警检测，通过估计杂波的分数阶矩，获得杂波的最大熵概率密度函数估计，进而确定恒虚警的检测门限。除此之外，目前学者还提出了很多改进的恒虚警检测器，比如方差类恒虚警检测器等。

现今恒虚警检测器存在的局限性主要有：检测器的设计条件在实际工作环境中难以满足；检测器仅仅能够实现某种环境下的优化检测，对环境依赖性比较大。因此，将来恒虚警检测发展的主要趋势应该是：继续探讨高斯杂波背景下更加精确且易于实现的自适应检测器；针对雷达面临的新杂波环境，应寻求相应新的恒虚警检测器，加强对非参量恒虚警检测器的研究。

4.2 恒虚警检测的基本原理

下面以单元平均恒虚警率检测器为例，说明恒虚警检测的基本原理[1-2,4,8]。

当雷达系统所处环境服从高斯分布的白噪声时，其回波目标经包络检波后，服从瑞利分布的概率密度函数为：

式中：x为高斯噪声包络检波后的幅值；σ为检波前高斯噪声的均方值。当给定检测器的门限为T0，检测单个目标的虚警率为：

由得

令得T0=TE(x)。其中T为标称因子。

从上式可以看出，门限电平只与虚警率和噪声经包络检波后的幅度均值相关。它的均值类恒虚警率检测器工作原理图如图5所示。

图5 均值类恒虚警率检测器工作原理图

实际应用中的单元恒虚警检测器算法有慢门限处理算法和快门限处理算法两种。其中，慢门限恒虚警处理主要针对内部变化缓慢的接收机内部热噪声，快门限恒虚警主要针对杂波环境下的雷达回波自动检测。

下面以加杂瑞利分布与白噪声的回波信号为例，进行恒虚警仿真分析，参考单元数为32，目标数为3，采用单元最大(GO)方法，如图6所示。

从图6可以看出，对有杂波的回波采用慢门限恒虚警处理，达不到理想的结果，而采用快门限恒虚警处理，则达到较好的结果。

4.3 最优门限恒虚警检测器 针对杂波起伏的复杂环境下雷达恒虚警检测而言，为了使系统保持较好的鲁棒性，本文提出了一种将改进后的模拟退火算法，用于恒虚警门限处理的最优门限恒虚警检测器，该算法能使系统保持稳定的虚警概率。

该算法的设计思路如下：

(1) 初始化。初始恒虚警检测门限和系统迭代次数L。

图6 恒虚警处理结果

(2) 对k=1,2,…,L做第(3)～(6)步。

(3) 计算产生的恒虚警率。

(4) 计算增量ΔE=C(S′)-C(S)，其中C(S)为评价函数。

(5) 若ΔE<0则接受S′作为新的当前解，否则以概率exp(-ΔE/T)接受S′作为新的当前解。其中，E为目标函数，T为控制参数。

(6) 如果满足终止条件，则输出当前解为最优解，结束程序；不满足则按照调节门限函数调节。

该处所选的调节函数采用目前最常用的线性调节函数，即Tr+1=λTi。其中λ为调节系数，一般取±0.95，其软件设计流程图如图7所示。

图7 改进的最优门限恒虚警检测流程图

5 结 语

本文使用Matlab软件对雷达信号处理系统进行仿真。通过仿真，可以看出Matlab强大的功能及在雷达信号处理仿真方面方便、快捷的优势。在雷达恒虚警处理部分，本文对当前恒虚警处理技术的发展现状、 不足及前景进行了分析，然后提出了一种改进的最优门限恒虚警检测算法。

该算法是基于改进型的模拟退火算法，能够有效地选取恒虚警门限，提高了恒虚警检测器的性能，具有一定的参考应用价值。

参 考 文 献 [1] 窦林涛,程建庆,李素民.基于Matlab的雷达信号处理系统仿真[J].指挥控制与仿真,2006,28(2):78-82.

[2] 邢孟道,王彤,李真芳.雷达信号处理基础[M].北京:电子工业出版社,2008.

[3] 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,2008.

[4] 刘立东.相干雷达恒虚警检测算法研究[D].西安：西安电子科技大学，2005.

[5] 刘盼芝,韩崇昭.分布式自动删除平均恒虚警率检测技术[J].自动化学报,2009,35(7):903-910.

[6] 郝程鹏,李军,侯朝焕.加权平均模糊恒虚警检测方法研究[J].现代雷达，2009,31(9):44-46.

[7] 李军,王雪松,王涛.基于分数阶矩估计的非参量CFAR检测[J].电子与信息学报，2011,33(3):642-645.