电子侦察系统频域恒虚警检测方法

王 杰，侯仁波

(西南电子设备研究所，四川 成都 610036)



电子侦察系统频域恒虚警检测方法

王 杰，侯仁波

(西南电子设备研究所，四川 成都 610036)

针对电子侦察系统的多信号检测问题，提出一种电子侦察系统中频域恒虚警检测方法，分析了频域恒虚警检测的可行性以及检测模型，并对雷达系统中采用的三类典型恒虚警处理算法进行了比较分析。理论分析和计算机仿真表明，删除单元平均恒虚警类方法更适用于多目标信号同时存在时的复杂电磁环境，所提方法具有一定的工程应用价值。

电子侦察系统;频域检测;恒虚警检测器

0 引 言

电子侦察系统主要是通过对电磁环境中的辐射源信号进行截获、分析以获得辐射源属性、状态以及位置等信息。这些信息可以用于对敌方威胁背景进行态势感知、来袭告警等等。因此，怎样从密集复杂的电磁环境中检测到感兴趣的辐射源信号是电子侦察系统非常重要的一个环节。目前，在电子侦察系统中，对于信号的检测主要分为频域检测和时域检测2种方法[1]。两者各有优缺点，时域检测实现起来比较容易，但检测灵敏度较频域法低；频域检测采用一定数据点的频谱分析可以把信号从噪声中提取出来，一般需要进行多点快速傅里叶变换运算，同时快速傅里叶变换的长度需要预先确定。不管是时域检测还是频域检测，一般都采用固定门限检测，导致其对噪声波动较大以及目标较多的复杂电磁环境适应能力较差。

恒虚警率(CFAR)检测在雷达和声纳系统中应用非常广泛[2-3]，主要是因为该方法可以随着检测点的背景噪声、杂波和干扰的大小自适应地调整门限。文献[4]提出了一种新的雷达引信多门限频域恒虚警率检测算法。该算法根据雷达引信目标的运动特征,在传统时域双门限检测的基础上,增加了时域和频域门限判别条件,即采用多门限检测技术抑制引信工作的虚警率。文献[5]提出一种频域恒虚警检测弱声纳脉冲信号的方法，该方法针对低频背景噪声平稳性较差、起伏较大的特点，将频域中峰值点或极值点认为是疑似脉冲信号，通过对疑似点能量与历史背景进行比对的方式完成脉冲信号的检测判决。然而，这一方法在电子侦察接收系统中应用却比较少。在复杂电磁环境下，电子侦察系统噪声包括接收机内部噪声、环境噪声、对方发射机噪声以及有源干扰等。虽然，许多情况下系统噪声的主要来源是机内噪声，但是在复杂环境下，当不希望外界噪声影响到信号的检测时，需要自适应调整检测门限。本文就电子侦察系统对雷达信号采用频域检测的CFAR处理方法进行深入分析，得到删除单元平均恒虚警(TM-CFAR)处理类方法更适用于多目标信号同时存在时的复杂电磁环境。

1 频域检测模型

电子侦察系统的CFAR检测具有与雷达系统不同的特点。首先，由于电子侦察系统属于单程接收辐射源信号，因此不存在雷达系统中的所谓杂波问题，这将简化电子侦察系统CFAR处理器的设计；其次，电子侦察系统在频域上和空域上属于宽开接收，因此，势必会接收到大量交错的不同辐射源的脉冲信号，而各个雷达辐射源不同的脉冲重复频率(PRF)进一步加剧了接收环境的复杂性和不确定性。所以，对电子侦察系统的CFAR处理需要考虑电子侦察系统接收信号的特点。

频域检测是将接收到的时域样本进行频域变换，再通过样本的频域特征进行信号的检测，确定信号的有无。下面分析频域检测中的虚警概率和检测概率。

设时域数据序列为x(n)(其中n=0,1,2,…,N-1)，其对应的频谱分量为X(k)(其中k=0,1,2,…,N-1)。假定噪声在时域的分布服从N(0,σ2)，并且噪声在时域上不相关。当不存在雷达信号时，由于傅里叶变换属于线性变换，因此，频域中的噪声分布与时域中的噪声分布相似。可以得到：

E(XkXi)=

(1)

从上式可以看出，频域中的噪声分布与时域分布相同，但是方差增加了N倍，这是因为计算噪声功率谱时用到了时域上的所有点。

(2)

式中：y为频域包络；f为频域上的噪声概率密度函数。

因此，虚警概率为

(3)

式中：t为检测门限。

对于给定的虚警概率，可以由上式确定检测门限。

如果检测的数据中有信号，概率密度函数服从Rician分布

(4)

式中：Xm为最大谱线；I0(x)为零阶修正贝塞尔函数。

因此，检测概率为

(5)

2 频域恒虚警处理器

(6)

这时，根据规定的Pfa可以由下式确定门限

(7)

从上式可以看出，对于统计量z而言，虚警率只与门限t有关，从而可以通过t的设定实现恒虚警。因此，整个电子侦察系统恒虚警检测方案的关键就是σ的获取，可以得到如图1所示的恒虚警检测系统。

图1中电子侦察系统采用固定长度的快速傅里叶变换(FFT)后，进行包络检波，获得频谱包络信息。然后进行检验统计量均值估计，再通过1个由Pfa决定的检测门限。最后与检测点的幅度值进行比较，判断信号的有无。

为了更准确地估计均值，从雷达系统中的CFAR处理来看，目前的CFAR处理方法主要有以下3类[6-8]：均值类CFAR处理、有序统计量类CFAR处理以及删除单元平均CFAR处理。

(1) 均值类CFAR处理

这类CFAR处理主要有单元平均CA-CFAR、选大单元平均GO-CFAR和选小单元平均SO-CFAR 3种。

当检测帧中只有1个信号时，CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR的检测性能是优越的，但CA-CFAR不能适应多个信号同时到达的环境，而GO-CFAR在多信号环境下的检测性能相当差，受强信号影响严重。SO-CFAR虽然具有一定的抗同时多信号能力，但是当2个强度相差不大的信号同时在检测单元两侧出现时性能恶化。

(2) 有序统计量类CFAR处理

这类CFAR处理是将参考单元中的幅度电平按照大小进行排序后，选择第k个电平值作为统计量的均值估计。当检测帧中只有1个信号时，有序统计量类方法(OS-CFAR)不如均值类性能优越，但当检测帧中存在多个同时到达信号时，其性能比均值类方法优越。但是，OS-CFAR的性能取决于k值的选取。

一般而言，目标信号的出现很可能要占据有序样本的最大值。若k取得过大就会造成目标漏检，而k取得过小就能检测出强噪声干扰。

(3) 删除单元平均CFAR处理

删除单元平均CFAR(TM-CFAR)处理是将参考单元中的幅度电平按照大小进行排序后，从高端删除q个电平，然后将剩下的电平值进行平均作为统计量的均值估计。该类方法比较适合检测帧中存在多信号电磁环境，将检测单元中干扰信号电平值删除后就可以对噪声均值进行比较准确的估计。

但是，该类方法的性能取决于q值的选取。考虑到实际电磁环境中，同时到达信号数不会太大，典型值为4个信号，因此可以根据4个同时到达信号进行q值的选取。

电子侦察系统与雷达系统的一个重要区别是电子侦察系统是一个宽带系统，在一个检测帧中同时存在多目标的概率大于雷达系统，同时影响电子侦察系统中CFAR检测性能的主要因素是参考单元中的干扰信号。因此，采用TM-CFAR处理方法比较适合于电子侦察系统信号检测。

3 计算机仿真分析

设定电子侦察系统采样频率1 GHz，检测帧长度N为512。对于大部分侦察系统而言，512点信号长度对应的带宽一般低于FFT分辨率(1.95 MHz)，因此，不同调制类型信号的频域检测与单频脉冲信号并无本质区别。

为了更好地说明问题，本仿真仅考虑检测帧中存在1～4个单频脉冲信号的情形。4个信号的信噪比分别为23 dB，12.5 dB，3 dB，-1.4 dB，同时采用以上3类CFAR处理方法进行比较分析。其中OS-CFAR和TM-CFAR方法是基于最大同时目标数为4的假设条件下进行门限设置的。仿真结果如图2和图3所示。

从以上仿真结果来看，当只有1个目标时，3类恒虚警处理方法都可以获得比较好的处理效果。当多个目标信号同时出现时，如果目标信号均为强信号(信噪比较高)时,依然可以通过三类方法进行检测，如图2所示。

但是，如果强弱信号同时出现时，采用均值类方法就会出现弱信号不能被检测，从而导致漏检。而采用有序统计量类方法可以在一定程度上弥补均值类方法的缺陷，可以实现对弱信号的检测。但是，删除单元平均方法具有比有序统计量类方法更稳健的特点，如图3所示。

因此可以发现，删除单元平均方法对于多目标信号同时存在的情形具有比较好的适应能力，可以用于复杂电磁环境下电子侦察系统信号的检测。

4 结束语

本文讨论了电子侦察系统频域恒虚警检测问题。利用雷达系统恒虚警处理的思路，结合电子侦察系统的自身特点，分析了电子侦察系统采用恒虚警处理的可行性和频域检测模型，同时，采用了雷达系统中熟知的三大类恒虚警处理方法对电子侦察系统频域检测进行分析和计算机仿真验证。

从模型分析和计算机仿真可以看出，删除单元平均方法较均值类方法和有序统计量类方法更适用于电子侦察系统频域信号恒虚警处理，尤其对多目标信号同时存在时具有更好的适应性和稳健性。

[1] JAMES T.宽带数字接收机[M].杨小牛，陆安南，金飚译.北京：电子工业出版社，2002.

[2] 都基焱，胡军，张百顺.七种恒虚警率处理方案及性能分析[J].现代雷达，2004，26(4):47-50.

[3] RITCEY JAMES A.Performance analysis of the censored mean-level detector[J].IEEE Transactions on AES，1986，22(4)：443-453.

[4] 韩孟飞，崔嵬，吴嗣亮.一种新的雷达引信多门限频域恒虚警率检测算法[J].兵工学报,2008,29(12):1422-1426.

[5] 梁增，马启明，杜栓平.低频脉冲信号的频域恒虚警检测[J].声学技术,2016,35(1):68-72.

[6] GANDHI P P，KASSAM S A.Analysis of CFAR processors in nonhomogeneous background[J].IEEE Transactions on AES，1988，24(4):427-444.

[7] ROHLING H.Radar CFAR thresholding in clutter and multiple target situations[J].IEEE Transactions on AES，1983，19(4):608-621.

[8] 方旭，洪伟.一种雷达和侦察数字接收技术的设计与实现[J].舰船电子对抗，2016,39(4)：82-87.

CFAR Detection Algorithm of Electronic Reconnaissance System in Frequency Domain

WANG Jie，HOU Ren-bo

(Southwest Research Institute of Electronic Equipment,Chengdu 610036，China)

Aiming at the problem of multi-signal detection in electronic reconnaissance system,this paper puts forward a new detection method of constant false alarm rate(CFAR) in frequency domain of electronic reconnaissance system,analyzes the feasibility of CFAR and detection model,and compares with the three classical CFAR algorithms used in radar system.Theory analysis and computer simulation show that:the trimmed mean CFAR(TM-CFAR) algorithm is more flexible than the others in complicated electromagnetic environments of multiple-emitter target existing simultaneously,so the method proposed in this paper has definite engineering application value.

electronic reconnaissance system;detection in frequency domain;constant false alarm rate detector

2016-10-08

TN971.1

A

CN32-1413(2017)02-0060-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.02.014