基于实际采集海杂波数据的雷达恒虚警检测方法分析

王雨阳,魏明珠,徐修峰

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230088;2.南京工业大学,南京211816)



基于实际采集海杂波数据的雷达恒虚警检测方法分析

王雨阳1,魏明珠2,徐修峰1

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230088;2.南京工业大学,南京211816)

摘要:针对海杂波环境,基于实测数据,研究了脉间频率捷变对相关性的影响。分析了4种不同的海杂波环境下各种恒虚警检测方法的性能。对高低海情下相参积累的恒虚警算法作了分析并与非相参积累进行比较。对海面目标检测的信号处理算法选择给出建议。

关键词:海杂波;恒虚警;脉间频率捷变;非相参积累;相参积累

0引言

雷达的海面目标检测技术，尤其是机载雷达在海杂波下的海面目标检测技术，在军事应用上占有非常重要的地位。从1968年单元平均恒虚警算法(CA-CFAR)首次被提出,恒虚警检测(CFAR)技术经过半个多世纪的发展已被广泛应用于雷达信号处理的目标检测中,并形成了多种变化的恒虚警算法,如均值类CFAR[1](左右单元平均选大CAGO-CFAR,左右单元平均选小CASO-CFAR)、有序统计类CFAR(单元排序OS-CFAR,单元排序中值CM-CFAR,单元排序去极值平均COA-CFAR)等[2]。

常规的雷达对海处理为非相参积累。本文首先在非相参积累的基础上分析了脉间频率捷变对海杂波和目标的相关性的影响，然后针对4种不同的杂波环境分析了非相参处理模式下不同的恒虚警检测方法的效果。强海杂波的概率密度分布多呈现非高斯分布,且具有长拖尾的特性。因此,在对强海杂波背景下小目标检测时,利用相参积累提升强杂波背景下弱小目标的检测信杂比[3]。本文针对相参处理也分析了不同的恒虚警检测方法的能力,最后比较了相参处理方法和非相参处理方法在不同海情下目标检测能力的优劣。

本文的所有图表和数据均基于对采集的真实雷达对海回波数据的分析。

1非相参积累

1.1脉间频率捷变非相参积累

本节分析数据来源于某波段地面雷达架设在海边采集的海杂波回波数据。

海面目标探测常用的信号处理算法是采用脉间频率捷变的方法去杂波相关,并通过非相参积累的方式对目标回波进行积累以提高信杂比,提高杂波背景下慢速目标检测性能。强海杂波环境下,相干检测方法对快速运动目标具有一定的优势。

脉间频率捷变是目前常用的海杂波抑制技术,主要是利用了脉间频率捷变条件下目标回波和海杂波在统计特性上的区别,通过脉间频率捷变去海杂波的相关性,是一种时域选择法。图1(a)给出了8脉冲积累时定频与脉间频率捷变情况下海杂波时间相关特性,图1(b)给出了目标的时间相关特性。从结果中可以看出,脉间频率捷变时海杂波的时间相关性明显下降,而目标的时间相关特性不受频率捷变的影响。脉间频率捷变可以使杂波去相关,去杂波相关后可以采用通常的非相干积累方法以提高信杂比。

1.2非相参恒虚警检测

本节针对4种不同的杂波环境分析各个恒虚警检测方法的检测性能(分析数据来源于某型机载雷达实际飞行时采集的海杂波回波数据)。

(1) 大小目标遮挡

当待检测环境中存在大小目标遮挡的情况时,检测结果如图2所示。对于大目标而言,有5种检测方法能够进行有效的检测。而对于小目标,CA-CFAR和CAGO-CFAR两种检测器会使目标丢失。而CM-CFAR、COA-CFAR和CASO-CFAR 这3种方法能够检测出大目标周围的小目标。

(2) 密集目标遮挡

当被检测的区域目标比较密集时,检测结果比较如图3,其中CA-CFAR和CAGO-CFAR检测器会造成目标丢失,而其他3种方法能够有效检测出多个目标。因此,CM-CFAR、COA-CFAR和CASO-CFAR这3种检测器在多目标的环境中检测性能较好。从这两个分析结果可以看到,CM-CFAR和CASO-CFAR的检测性能在多目标环境下更具优势。但是,这两种检测器会产生较多的虚警点。而COA-CFAR是因为结合了CA-CFAR和CM-CFAR的优点,所以具有CM-CFAR检测器在多目标环境下的检测能力以及 CA-CFAR在多目标环境下抑制虚警的能力。

(3) 杂波边缘环境

对于海陆交界位置的检测单元,由于处在具有不同反射率的区域边界处,杂波边缘效应会导致在边缘处检测的发生虚警,也可能会遮蔽掉低反射率区域内靠近边缘的目标。图4给出了杂波边缘环境下的检测结果,CASO-CFAR检测的目标点数最多,但是存在大量虚警,而CA-CFAR、COA-CFAR和CAGO-CFAR能有效地控制虚警。虽然CAGO-CFAR能更有效地抑制虚警概率,但是会使部分目标漏检,而CA-CFAR和COA-CFAR则能够在抑制虚警和保证检测性能方面达到平衡。

(4) 杂波均匀环境

在均匀的海杂波环境中,这5种检测器能够有效检测出目标,但其中的CASO-CFAR的虚警较多，如图5所示。

图2　大小目标遮挡条件下的对比

图3　密集目标遮挡条件下的对比

图4　杂波边缘环境下的对比

图5　均匀杂波环境下的对比

从以上4种情况的分析中可以看出,每一种检测方法各有千秋。CA-CFAR检测器在杂波均匀(或背景噪声均匀)的情况下效果较好,而且参考单元数目越多CA-CFAR检测能力越好。CM-CFAR适合多目标环境的检测。CAGO-CFAR在杂波边缘位置能够有效抑制虚警,适合海陆杂波交接的环境。而CASO-CFAR在各种环境中目标检测能力最好,但是虚警太高。而COA-CFAR在检测过程中剔除了参考单元中的极值点,在临近的多个目标检测时具有优势。同时,由于经过均值处理,保留了CA-CFAR的性能,可以说COA-CFAR综合了CA-CFAR和CM-CFAR的处理方式,也继承了二者的优点。该方法在多目标环境、杂波边缘环境以及杂波均匀环境中都有较好的检测效果。

2相参积累

2.1相参积累恒虚警检测方法

本节分析数据来源于某波段地面雷达架设在海边采集的海杂波数据中高海情的回波数据。

鉴于COA-CFAR结合了CA-CFAR和CM-CFAR的特点,本节针对CA-CFAR、CM-CFAR和COA-CFAR这3种方法,研究相参积累的目标恒虚警检测能力。

图6是雷达原始回波进入CFAR之前的点迹图,而图7、图8和图9分别给出当虚警概率为Pfa=10-4时经过CA-CFAR、CM-CFAR和COA-CFAR检测器后的点迹图。图10、图11和图12给出了相应的点迹凝聚后的结果,CA-CFAR检测到59个目标点,CM-CFAR检测到43个目标点,COA-CFAR检测到43个目标点。

图6　雷达海面照射回波功率

图7　相参CA-CFAR检测点迹图

图9　相参COA-CFAR检测点迹图

图10　相参CA-CFAR点迹凝聚图(59个目标)

图11　相参CM-CFAR点迹凝聚图(43个目标)

图12　相参COA-CFAR检测点迹凝聚图(43个目标)

通过本节分析,在相参积累的条件下,CA-CFAR、CM-CFAR和COA-CFAR这3种检测方法中CM-CFAR和COA-CFAR具有更好的抑制虚警的能力,而在高海情的非均匀的海杂波环境中COA-CFAR稳健性在三者中最好。

2.2非相干积累与相干积累恒虚警检测方法比较

本节分析数据来源于某波段地面雷达架设在海边采集的海杂波数据,在不同时间相同方位和距离段采集到的不同海情下的回波数据。

通过检测器输出得到的信杂比来比较相参和非相参工作方式下恒虚警检测方法的适用性。分别考虑低海情和高海情两种情况,前期通过对杂波特性的分析得出以下结论:高海情下,海杂波多普勒谱展宽较宽,频率清洁区较窄;而在低海情下,海杂波多普勒谱较窄,频率清洁区较宽。这是比较相参检测和非相参检测的依据。

采用COA-CFAR检测方法,分别比较高低海情下相参和非相参恒虚警检测的效果。检测结果如图13～图16所示,低海情下,相参积累的增益与非相参积累在检测到的目标点位置基本一样,当门限相同时检测能力与非相参积累相当。鉴于非相参积累实现方便,效率高,低海情下建议采用非相参积累检测;高海情下,相参检测比非相参检测,在目标点位置,信杂比具有3～5 dB的增益优势。

图13　低海情非相参COA-CFAR检测SCR

图14　低海情相参COA-CFAR检测SCR

图15　高海情非相参COA-CFAR检测SCR

图16　高海情相参COA-CFAR检测SCR

3结束语

根据雷达真实对海回波数据的分析结果,海面目标检测的信号处理算法选择应考虑以下两点:

(1) 在相参积累和非相参积累方式下,COA-CFAR在几种恒虚警检测算法中最优;

(2) 低海情下,相参积累检测能力与非相参积累相当;高海情下,在相参积累的信杂比较非相参积累高,从而有利于目标的检测。

基于本文所做的数据分析,海面目标的信号处理算法已成功应用于型号产品,并得到用户方的很高评价。

参考文献:

[1]何友,关键,彭应宁,等.雷达自动检测与恒虚警处理[M].北京:清华大学出版社,1999：30-33.

[2]杜鹏飞,机载预警雷达恒虚警率检测方法研究[D] .长沙:国防科技大学,2003：18-19.

[3]肖春生,察豪,周沫.海杂波环境下慢速小目标检测方法[J].火力与指挥控制,2011,36(11):125-128.

Analysis of radar CFAR detection methods based on real sea clutter data

WANG Yu-yang1, WEI Ming-zhu2, XU Xiu-feng1

(1.No.38 Research Institute of CETC, Hefei 230088;2.Nanjing Tech University, Nanjing 211816)

Abstract:The influence of the pulse-to-pulse frequency agility on correlation is studied based on the actual data of the sea clutters, and the performances of various CFAR detection methods are analyzed in four different sea clutter environments. The CFAR algorithms of the coherent accumulation are analyzed under different sea conditions. The coherent accumulation and the non-coherent accumulation are compared with the COA-CFAR detection method. Finally, the advice is given on the selection of the signal processing algorithm for the surface target detection.

Keywords:sea clutter; CFAR; pulse-to-pulse frequency agility; non-coherent accumulation; coherent accumulation

中图分类号:TN957.51

文献标志码:A

文章编号:1009-0401(2016)01-0027-05

作者简介:王雨阳(1977-),男,高级工程师,研究方向:雷达信号处理;魏明珠,女,高级工程师,研究方向:雷达信号处理与目标检测;徐修峰,男,工程师,研究方向:雷达信号处理。

收稿日期:2015-10-20;修回日期:2015-11-10