摘 要： 討論了主目標(biāo)距離與干擾目標(biāo)截面積之間的關(guān)系，結(jié)合工程實(shí)際應(yīng)用，建立了干擾目標(biāo)與主目標(biāo)截面積比值，即主目標(biāo)距離的數(shù)學(xué)模型。解決了主目標(biāo)在不同距離時(shí)干擾程度的問題，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析。
關(guān)鍵詞： 地面探測雷達(dá)；CFAR；遮擋；干擾模型
噪聲與雜波是雷達(dá)工作的固有環(huán)境，地面探測雷達(dá)要求在復(fù)雜的雜波與噪聲背景下，保持恒定的虛警概率完成對動(dòng)目標(biāo)的自動(dòng)檢測，現(xiàn)代動(dòng)目標(biāo)檢測(MTD)雷達(dá)大部分都采用參考單元(距離維)、恒虛警率(CFAR)處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[1-2]。在大多數(shù)的應(yīng)用場合下，由于CFAR在參考單元滑窗統(tǒng)計(jì)噪聲時(shí)不可避免地存在雜波邊緣與多目標(biāo)干擾，尤其是近距離目標(biāo)干擾，從而導(dǎo)致CFAR性能嚴(yán)重下降，甚至主目標(biāo)被“遮擋”。
目前已經(jīng)有大量文獻(xiàn)[3-4]對CFAR技術(shù)在多(大)目標(biāo)干擾環(huán)境下的檢測性能進(jìn)行了分析，并且得出CFAR技術(shù)在多目標(biāo)環(huán)境中檢測性能變差的結(jié)論；也有文獻(xiàn)[5]對當(dāng)CFAR技術(shù)失效時(shí)的干擾程度進(jìn)行了一定的研究，但該文獻(xiàn)[5]涉及的是一種理想狀態(tài)，是基于各參考單元干擾目標(biāo)的回波幅度一致的基礎(chǔ)上進(jìn)行的討論，沒有考慮因距離不同而引起的干擾強(qiáng)度的差異，因此只適用于主目標(biāo)處于較遠(yuǎn)距離時(shí)刻。
本文就CA-CFAR和最小選擇(SO)CFAR兩種經(jīng)典處理方法，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用，對目標(biāo)干擾模型進(jìn)行了數(shù)學(xué)推導(dǎo)與建模。給出了在雷達(dá)探測范圍內(nèi)，主目標(biāo)被“遮擋”時(shí)干擾目標(biāo)有效反射面積與距離之間的函數(shù)關(guān)系式，并對該數(shù)學(xué)推導(dǎo)模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
1 CFAR技術(shù)介紹
CFAR檢測器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。輸入的數(shù)據(jù)通過相參積累(FIR或FFT)處理后，為了減少系統(tǒng)損失提高多目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率，通常對各頻道號(hào)信號(hào)分別做CFAR處理，圖1描述的就是某一頻道號(hào)進(jìn)行濾波的結(jié)構(gòu)框圖。為了防止主目標(biāo)信號(hào)泄露，通常在主目標(biāo)前后相鄰參考單元不參與噪聲估計(jì)，圖中Z1與Z2分別為主目標(biāo)的前后m個(gè)單元的雜波噪聲平均值，函數(shù)f(Z1、Z2)是對Z1、Z2進(jìn)行進(jìn)一步處理(求平均或選大或選小等)，完成雜波噪聲估值。
本文主要討論主目標(biāo)被其他大目標(biāo)“遮擋”的問題，越靠近雷達(dá)的目標(biāo)對主目標(biāo)干擾程度越嚴(yán)重。所以主目標(biāo)的前沿參考窗影響更為嚴(yán)重，而且參考單元中第一個(gè)參考單元的干擾目標(biāo)影響最大，特別是在近距離處，雷達(dá)回波的信噪比很高，并且常常采用STC(靈敏度時(shí)間控制)來滿足A/D采樣動(dòng)態(tài)以及收發(fā)機(jī)的動(dòng)態(tài)要求，這樣近距離噪聲將非常小。因此為了簡化計(jì)算以及便于仿真，故選擇干擾最嚴(yán)重的情況進(jìn)行討論，即假設(shè)某相同頻道號(hào)的干擾目標(biāo)都集中在最靠近雷達(dá)的參考單元內(nèi)，并且假設(shè)參考單元內(nèi)的噪聲與D比值為零，則式(5)可簡化為：
3 計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)與分析
針對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)及分析，由于該數(shù)學(xué)模型是基于地面探測雷達(dá)工程實(shí)現(xiàn)過程推導(dǎo)，因此在仿真試驗(yàn)中對某些參數(shù)做如下假設(shè)：雜波和噪聲的幅度為瑞利分布，雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)檢測的虛警概率Pfas=10-6，脈沖寬度為0.2 μs，參考單元數(shù)m依次取值為8、16和32三種參數(shù)，近距離盲區(qū)參數(shù)k取5。
圖2所示為基于CA-CFAR處理方法的干擾模型，Δδ為干擾目標(biāo)與主目標(biāo)的截面積比值，R為主目標(biāo)所處距離。當(dāng)主目標(biāo)在某一距離時(shí)，干擾目標(biāo)比主目標(biāo)至少大多少時(shí)可能“遮擋”主目標(biāo)。圖中目標(biāo)的干擾情況在近距離表現(xiàn)得更為復(fù)雜，剛開始干擾目標(biāo)要比主目標(biāo)大很多(m=32時(shí)，Δδ大約為20 dB)才可能導(dǎo)致主目標(biāo)被“遮擋”。隨著距離的增加，兩者截面積比值?駐?滓曲線也在不斷下降，此時(shí)主目標(biāo)變得很容易被“遮擋”(m=32時(shí)，Δδ最小將近-25 dB)。由于該距離段比較短，當(dāng)距離達(dá)到150(m+k+1)τ時(shí)，干擾程度逐漸減弱，截面積比值Δδ曲線快速上升。圖中可以看出，在近距離干擾最嚴(yán)重的距離段，一個(gè)小目標(biāo)就可能導(dǎo)致雷達(dá)“漏警”。
圖3所示為SO-CFAR處理模型時(shí)截面積比值Δδ與距離R的關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出，隨著距離增加，曲線呈下降趨勢，到幾公里后曲線趨于穩(wěn)定，此時(shí)由于距離的差異而產(chǎn)生的的影響不大。
由圖2、圖3可以看出SO-CFAR模型比CA-CFAR模型的抗干擾能力更強(qiáng)(特別是近距離)，這也與眾多的文獻(xiàn)[7]研究結(jié)果相同。參考單元較多時(shí)，對于噪聲功率估計(jì)更穩(wěn)定，而且抗干擾能力較強(qiáng)，但是所涉及的距離越長越可能引入更多的干擾目標(biāo)，同時(shí)參考單元越多所涉及的硬件開銷越大。因此在工程應(yīng)用中要綜合考慮參考單元的數(shù)目。圖2中也容易看出CA-CFAR處理方法，主目標(biāo)在2 km以內(nèi)很容易被干擾目標(biāo)“遮擋”，由于式(2)中回波功率正比于目標(biāo)有效截面積(Pr∝δ)，因此可參考圖2曲線，在原有的STC電路上，精心設(shè)計(jì)其控制曲線來降低近距離目標(biāo)被干擾的可能性，提高目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。
本文不僅從理論上，更側(cè)重的是從工程實(shí)現(xiàn)的角度對問題進(jìn)行建模、分析，結(jié)合CA-CFAR與SO-CFAR處理技術(shù)，針對地面探測脈沖雷達(dá)進(jìn)行研究，分析了目標(biāo)距離與干擾目標(biāo)之間的關(guān)系，并且進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析，對從事雷達(dá)總體設(shè)計(jì)以及信號(hào)處理的研究起到一定的借鑒意義，也為雷達(dá)整機(jī)野外調(diào)試實(shí)驗(yàn)起到一些指導(dǎo)作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉敬興.地面探測脈沖壓縮雷達(dá)的動(dòng)目標(biāo)檢測[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36(1)：132-135.
[2] 馬曉巖，向家彬.雷達(dá)信號(hào)處理[M].長沙：湖南科學(xué)技術(shù)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] 杜朋飛，張祥軍.單元平均恒虛警率檢測中的一個(gè)新結(jié)論[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2007，29(2)：60-62.
[6] 郭仕劍，王寶順.MATLAB7.X數(shù)字信號(hào)處理[M].北京：人民郵電出版社，2006.
[7] 陳那.信號(hào)測試、處理與系統(tǒng)控制分析技術(shù)使用全書[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.