雷達恒虛警處理設計實現

中國人民解放軍空軍駐中國電科第38研究所軍代室 許金玖 束 琬 彭 偉

雷達恒虛警處理設計實現

中國人民解放軍空軍駐中國電科第38研究所軍代室 許金玖 束 琬 彭 偉

【摘要】雷達信號的恒虛警（CFAR）處理是雷達信號處理的重要內容之一，本文介紹了一種基于雜波輪廓圖選擇的雙支路處理系統，該系統從實際使用效果來看，恒虛警效果好，工作穩定，可為其它同類雷達的恒虛警設計提供參考。

【關鍵詞】雜波輪廓圖；雙支路；CFAR

1.系統結構概述

恒虛警處理是雷達信號處理的基本功能之一，過多的虛警數會導致點跡處理和終端計算機飽和，影響操縱員的觀察，所以恒虛警處理是必不可少的。

恒虛警處理按其處理的環境來說，可分為兩大類，即在噪聲環境下的恒虛警處理和在雜波環境下的恒虛警處理，選擇什么樣的恒虛警處理器，取決于雷達雜波的幅度統計特征。

本文介紹目前比較常用并且實現起來相對簡單的雙支路處理，即與MTI相參處理支路相并行，設置另一條正常處理通道，這樣可以減小相參支路不必要的損失，因為強雜波環境中所必須的濾波器抑制凹口以及快門限恒虛警率處理，在弱雜波或無雜波條件下勢必會導致一定程度上的檢測能力降低。因此在無雜波清潔區采用基于幅度信息的正常處理，則能夠保證信號尤其是弱信號的檢測概率。

為了實現對正常處理和相參處理結果的選擇，必須建立一個能夠反映雜波有/無的雜波圖，由于它只需要提供雜波的二分層（1/0）概略信息，因此得名雜波輪廓圖。例如數字“1”表示有雜波，用來控制選擇相參支路的輸出；數字“0”表示無雜波，可以控制選擇正常支路的輸出。所以，雜波輪廓圖又名雜波開關。本文介紹基于雜波輪廓選擇的雙支路處理系統，結構如圖1所示：

圖1 雙支路處理系統結構

其中正常處理包括對信號進行求模值和取對數處理，之后分別送給后續做快門限（CFAR）和慢門限處理（NCFAR），其選擇受信號處理控制字控制；考慮到正常處理通道處理的為清潔區，剩余雜波較少，故只采用快圖。而MTI處理通道為雜波區，雜波剩余較大，故同時采用快圖和慢圖。

2.實現原理介紹

下面對系統中的各個模塊進行逐一介紹。

2.1 噪聲環境下的恒虛警處理（NCFAR）

眾所周知，窄帶噪聲包絡的概率密度函數為瑞利分布，即滿足：

其中：

u為包絡幅度；

σ為噪聲的有效值。

虛警概率：

在此采用數字開環式慢門限，并設定在休止期采樣32個點，求平均后再次統計32個周期，其實現原理框圖如圖2所示。

圖2 數字開環式慢門限

這種方法是根據實際出現的虛警數Ne與設置的虛警數NT進行比較而確定門限uT的增加或減少，增加或降低的門限值可取一個設定的增量?u（減量）值（這個值往往選定為最低數據位的增量）。

設在若干個重復周期的休止期采集N個噪聲樣本ui，每個樣本的噪聲幅值ui（n）和門限uT（上一調整周期結束時所對應的累加器值）在數字比較器中進行比較，當ui（n）>uT，虛警計數器增加1個計數值，當ui（n）uT時，累加器加上?u，若Ne

2.2 動雜波環境下的恒虛警處理（CFAR）

這種CFAR處理，可對付云、雨等氣象雜波，人為施放的箔條干擾，海雜波，對積極干擾的抑制也較有效。不同動雜波，干擾模型不同，對氣象雜波，一般均認為其包絡的分布為瑞利分布。在這里主要考慮對氣象雜波的恒虛警處理，所以按瑞利分布來設計CFAR處理器，數學上已證明了單元平均恒虛警處理對這種模型具有CFAR性能，為了簡化運算和減小運算字長，將除法運算轉化為減法運算故采用單元平均CFAR，相對于線性恒虛警，對數CFAR引入了附加損失，但對數單元平均CFAR在雜波邊緣處具有邊緣效應，從而使雜波前后沿的虛警增加，所以在此我們采用對數單元平均峰選的CFAR處理，它的基本數學運算為：

n為中心抽頭（即檢測單元）的信號樣元序號

S（n）為中心抽頭信號的幅值

S0（n）為第n樣元的CFAR輸出

中心抽頭的左右各一單元，即S（n+1），S（n-1）不參與估值是為了減小目標對均值估值的影響（目標往往占幾個距離單元）。該CFAR處理的主要缺點是雜波邊緣附近產生黑洞，使黑洞區檢測能力大為降低，另一缺點是相對于單元平均而言，等效單元數降低了， CFAR損失增加。

其實現原理框圖如圖3所示。

圖3 對數單元平均峰選CFAR

2.3 雜波圖

在雷達雜波中，根據其幀間相關程度可分成兩類：一類是幀間相關性較強的雜波，如地物、氣象等；另一類是幀間相關性較弱的雜波，如飛鳥、昆蟲、不明反射物及異常傳播引起的雜波等，這類雜波又稱為仙波或安琪兒（Angel）雜波。針對這兩類不同性質的雜波，雜波圖所采用的距離單元劃分方法是不一樣的。

雜波圖區域的劃分，是將雷達的威力范圍（這里僅考慮最大作用距離方位掃描范圍）劃分成許多雜波單元。設最大作用距離為Rmax，方位搜索區為360°，?r為雜波單元的距離值，為雜波單元的方位值，針對幀間相關性強的雜波一般按等距離間隔，等方位間隔劃分雜波單元，則總雜波單元數為：

對安琪兒雜波，幀間相關性極差；幅度約6～20dB；具有類同風的速度；距離上不連片，僅占1～2個距離單元；對這種雜波，多普勒處理不能消除這種雜波（由于具有速度）；空間CFAR毫無效果（因為距離上僅占1～2個距離單元），因此只能采用雜波圖技術來控制檢測門限。由于幀間相關性差，所以傳統的按等方位，等距離來劃分雜波剩余單元的方法也不能降低雜波剩余，而必須采用等面積劃分雜波剩余單元，以保證近區有足夠多的統計單元，所以越是近區，方位扇區越大，即雜波剩余單元的方位扇區越大，這樣目標在該區的時間也越長，易引起檢測損失。設距離向按等距離劃分，而方位向按每增加一個距離段增加8個單元的形式在環內等分。容易證明這樣劃分的結果能夠保證各個單元面積相等。對安琪兒雜波圖，統計幀數較長，一般為16～32幀，所以又稱之為慢圖。慢圖設計實現時原理同快圖相似，不同的是，由于雜波單元劃分不一樣，慢圖的單元劃分比較復雜。

2.4 MTI處理

MTI即運動目標顯示，其本質含義是：基于回波多普勒信息的提取而區分運動目標與固定目標（包括低速運動的雜波等）。由于本文的重點是雷達恒虛警處理，所以MTI處理在此不做介紹。

2.5 雜波輪廓圖

雜波輪廓圖的主要功能是作為模式選擇的控制圖。例如在具有MTI和正常視頻處理的系統中，為了避免MTI損失，在清潔區應采用正常視頻處理，在具有超雜波檢測通道的系統中，在雜波區選時間CFAR，在清潔區選對噪聲的慢門限，在MTD中，雜波區選加權濾波器，在噪聲區選等權的全部濾波器，在氣象區所對應的那個多普勒通道選空間CFAR，在無氣象的多普勒通道選噪聲慢門限，這種選擇均由雜波輪廓圖自適應地進行切換。

設計輪廓雜波圖要遵循以下原則：對雜波區的輪廓覆蓋率要高；對清潔區（噪聲區），盡量不判為雜波區，即輪廓覆蓋率要低；對目標不建立輪廓圖。要滿足以上三個要求，需要考慮雜波圖區域大小的選擇，雜波類型、雜波統計數的長短（涉及到雜波圖的響應），觀察目標可能的速度范圍等因素。

3.結論

采用該處理構架的恒虛警處理系統已經成功運用于某地面雷達系統，從實際使用效果來看，恒虛警效果好，工作穩定。可為其它同類雷達的恒虛警設計提供參考。

參考文獻

［1］馬曉巖，向家彬，等.雷達信號處理［M］.湖南科學技術出版社，1999.

［2］XXX雷達培訓資料（內部資料）.

［3］通用雷達新技術（內部資料）.