電子偵察系統頻域恒虛警檢測方法

王 杰，侯仁波

(西南電子設備研究所，四川 成都 610036)

?

電子偵察系統頻域恒虛警檢測方法

王 杰，侯仁波

(西南電子設備研究所，四川 成都 610036)

針對電子偵察系統的多信號檢測問題，提出一種電子偵察系統中頻域恒虛警檢測方法，分析了頻域恒虛警檢測的可行性以及檢測模型，并對雷達系統中采用的三類典型恒虛警處理算法進行了比較分析。理論分析和計算機仿真表明，刪除單元平均恒虛警類方法更適用于多目標信號同時存在時的復雜電磁環境，所提方法具有一定的工程應用價值。

電子偵察系統;頻域檢測;恒虛警檢測器

0 引 言

電子偵察系統主要是通過對電磁環境中的輻射源信號進行截獲、分析以獲得輻射源屬性、狀態以及位置等信息。這些信息可以用于對敵方威脅背景進行態勢感知、來襲告警等等。因此，怎樣從密集復雜的電磁環境中檢測到感興趣的輻射源信號是電子偵察系統非常重要的一個環節。目前，在電子偵察系統中，對于信號的檢測主要分為頻域檢測和時域檢測2種方法[1]。兩者各有優缺點，時域檢測實現起來比較容易，但檢測靈敏度較頻域法低；頻域檢測采用一定數據點的頻譜分析可以把信號從噪聲中提取出來，一般需要進行多點快速傅里葉變換運算，同時快速傅里葉變換的長度需要預先確定。不管是時域檢測還是頻域檢測，一般都采用固定門限檢測，導致其對噪聲波動較大以及目標較多的復雜電磁環境適應能力較差。

恒虛警率(CFAR)檢測在雷達和聲納系統中應用非常廣泛[2-3]，主要是因為該方法可以隨著檢測點的背景噪聲、雜波和干擾的大小自適應地調整門限。文獻[4]提出了一種新的雷達引信多門限頻域恒虛警率檢測算法。該算法根據雷達引信目標的運動特征,在傳統時域雙門限檢測的基礎上,增加了時域和頻域門限判別條件,即采用多門限檢測技術抑制引信工作的虛警率。文獻[5]提出一種頻域恒虛警檢測弱聲納脈沖信號的方法，該方法針對低頻背景噪聲平穩性較差、起伏較大的特點，將頻域中峰值點或極值點認為是疑似脈沖信號，通過對疑似點能量與歷史背景進行比對的方式完成脈沖信號的檢測判決。然而，這一方法在電子偵察接收系統中應用卻比較少。在復雜電磁環境下，電子偵察系統噪聲包括接收機內部噪聲、環境噪聲、對方發射機噪聲以及有源干擾等。雖然，許多情況下系統噪聲的主要來源是機內噪聲，但是在復雜環境下，當不希望外界噪聲影響到信號的檢測時，需要自適應調整檢測門限。本文就電子偵察系統對雷達信號采用頻域檢測的CFAR處理方法進行深入分析，得到刪除單元平均恒虛警(TM-CFAR)處理類方法更適用于多目標信號同時存在時的復雜電磁環境。

1 頻域檢測模型

電子偵察系統的CFAR檢測具有與雷達系統不同的特點。首先，由于電子偵察系統屬于單程接收輻射源信號，因此不存在雷達系統中的所謂雜波問題，這將簡化電子偵察系統CFAR處理器的設計；其次，電子偵察系統在頻域上和空域上屬于寬開接收，因此，勢必會接收到大量交錯的不同輻射源的脈沖信號，而各個雷達輻射源不同的脈沖重復頻率(PRF)進一步加劇了接收環境的復雜性和不確定性。所以，對電子偵察系統的CFAR處理需要考慮電子偵察系統接收信號的特點。

頻域檢測是將接收到的時域樣本進行頻域變換，再通過樣本的頻域特征進行信號的檢測，確定信號的有無。下面分析頻域檢測中的虛警概率和檢測概率。

設時域數據序列為x(n)(其中n=0,1,2,…,N-1)，其對應的頻譜分量為X(k)(其中k=0,1,2,…,N-1)。假定噪聲在時域的分布服從N(0,σ2)，并且噪聲在時域上不相關。當不存在雷達信號時，由于傅里葉變換屬于線性變換，因此，頻域中的噪聲分布與時域中的噪聲分布相似?？梢缘玫剑?/p>

E(XkXi)=

(1)

從上式可以看出，頻域中的噪聲分布與時域分布相同，但是方差增加了N倍，這是因為計算噪聲功率譜時用到了時域上的所有點。

(2)

式中：y為頻域包絡；f為頻域上的噪聲概率密度函數。

因此，虛警概率為

(3)

式中：t為檢測門限。

對于給定的虛警概率，可以由上式確定檢測門限。

如果檢測的數據中有信號，概率密度函數服從Rician分布

(4)

式中：Xm為最大譜線；I0(x)為零階修正貝塞爾函數。

因此，檢測概率為

(5)

2 頻域恒虛警處理器

(6)

這時，根據規定的Pfa可以由下式確定門限

(7)

從上式可以看出，對于統計量z而言，虛警率只與門限t有關，從而可以通過t的設定實現恒虛警。因此，整個電子偵察系統恒虛警檢測方案的關鍵就是σ的獲取，可以得到如圖1所示的恒虛警檢測系統。

圖1中電子偵察系統采用固定長度的快速傅里葉變換(FFT)后，進行包絡檢波，獲得頻譜包絡信息。然后進行檢驗統計量均值估計，再通過1個由Pfa決定的檢測門限。最后與檢測點的幅度值進行比較，判斷信號的有無。

為了更準確地估計均值，從雷達系統中的CFAR處理來看，目前的CFAR處理方法主要有以下3類[6-8]：均值類CFAR處理、有序統計量類CFAR處理以及刪除單元平均CFAR處理。

(1) 均值類CFAR處理

這類CFAR處理主要有單元平均CA-CFAR、選大單元平均GO-CFAR和選小單元平均SO-CFAR 3種。

當檢測幀中只有1個信號時，CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR的檢測性能是優越的，但CA-CFAR不能適應多個信號同時到達的環境，而GO-CFAR在多信號環境下的檢測性能相當差，受強信號影響嚴重。SO-CFAR雖然具有一定的抗同時多信號能力，但是當2個強度相差不大的信號同時在檢測單元兩側出現時性能惡化。

(2) 有序統計量類CFAR處理

這類CFAR處理是將參考單元中的幅度電平按照大小進行排序后，選擇第k個電平值作為統計量的均值估計。當檢測幀中只有1個信號時，有序統計量類方法(OS-CFAR)不如均值類性能優越，但當檢測幀中存在多個同時到達信號時，其性能比均值類方法優越。但是，OS-CFAR的性能取決于k值的選取。

一般而言，目標信號的出現很可能要占據有序樣本的最大值。若k取得過大就會造成目標漏檢，而k取得過小就能檢測出強噪聲干擾。

(3) 刪除單元平均CFAR處理

刪除單元平均CFAR(TM-CFAR)處理是將參考單元中的幅度電平按照大小進行排序后，從高端刪除q個電平，然后將剩下的電平值進行平均作為統計量的均值估計。該類方法比較適合檢測幀中存在多信號電磁環境，將檢測單元中干擾信號電平值刪除后就可以對噪聲均值進行比較準確的估計。

但是，該類方法的性能取決于q值的選取。考慮到實際電磁環境中，同時到達信號數不會太大，典型值為4個信號，因此可以根據4個同時到達信號進行q值的選取。

電子偵察系統與雷達系統的一個重要區別是電子偵察系統是一個寬帶系統，在一個檢測幀中同時存在多目標的概率大于雷達系統，同時影響電子偵察系統中CFAR檢測性能的主要因素是參考單元中的干擾信號。因此，采用TM-CFAR處理方法比較適合于電子偵察系統信號檢測。

3 計算機仿真分析

設定電子偵察系統采樣頻率1 GHz，檢測幀長度N為512。對于大部分偵察系統而言，512點信號長度對應的帶寬一般低于FFT分辨率(1.95 MHz)，因此，不同調制類型信號的頻域檢測與單頻脈沖信號并無本質區別。

為了更好地說明問題，本仿真僅考慮檢測幀中存在1～4個單頻脈沖信號的情形。4個信號的信噪比分別為23 dB，12.5 dB，3 dB，-1.4 dB，同時采用以上3類CFAR處理方法進行比較分析。其中OS-CFAR和TM-CFAR方法是基于最大同時目標數為4的假設條件下進行門限設置的。仿真結果如圖2和圖3所示。

從以上仿真結果來看，當只有1個目標時，3類恒虛警處理方法都可以獲得比較好的處理效果。當多個目標信號同時出現時，如果目標信號均為強信號(信噪比較高)時,依然可以通過三類方法進行檢測，如圖2所示。

但是，如果強弱信號同時出現時，采用均值類方法就會出現弱信號不能被檢測，從而導致漏檢。而采用有序統計量類方法可以在一定程度上彌補均值類方法的缺陷，可以實現對弱信號的檢測。但是，刪除單元平均方法具有比有序統計量類方法更穩健的特點，如圖3所示。

因此可以發現，刪除單元平均方法對于多目標信號同時存在的情形具有比較好的適應能力，可以用于復雜電磁環境下電子偵察系統信號的檢測。

4 結束語

本文討論了電子偵察系統頻域恒虛警檢測問題。利用雷達系統恒虛警處理的思路，結合電子偵察系統的自身特點，分析了電子偵察系統采用恒虛警處理的可行性和頻域檢測模型，同時，采用了雷達系統中熟知的三大類恒虛警處理方法對電子偵察系統頻域檢測進行分析和計算機仿真驗證。

從模型分析和計算機仿真可以看出，刪除單元平均方法較均值類方法和有序統計量類方法更適用于電子偵察系統頻域信號恒虛警處理，尤其對多目標信號同時存在時具有更好的適應性和穩健性。

[1] JAMES T.寬帶數字接收機[M].楊小牛，陸安南，金飚譯.北京：電子工業出版社，2002.

[2] 都基焱，胡軍，張百順.七種恒虛警率處理方案及性能分析[J].現代雷達，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] 韓孟飛，崔嵬，吳嗣亮.一種新的雷達引信多門限頻域恒虛警率檢測算法[J].兵工學報,2008,29(12):1422-1426.

[5] 梁增，馬啟明，杜栓平.低頻脈沖信號的頻域恒虛警檢測[J].聲學技術,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，洪偉.一種雷達和偵察數字接收技術的設計與實現[J].艦船電子對抗，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