電子偵察系統(tǒng)頻域恒虛警檢測(cè)方法

王 杰，侯仁波

(西南電子設(shè)備研究所，四川 成都 610036)

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電子偵察系統(tǒng)頻域恒虛警檢測(cè)方法

王 杰，侯仁波

(西南電子設(shè)備研究所，四川 成都 610036)

針對(duì)電子偵察系統(tǒng)的多信號(hào)檢測(cè)問題，提出一種電子偵察系統(tǒng)中頻域恒虛警檢測(cè)方法，分析了頻域恒虛警檢測(cè)的可行性以及檢測(cè)模型，并對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)中采用的三類典型恒虛警處理算法進(jìn)行了比較分析。理論分析和計(jì)算機(jī)仿真表明，刪除單元平均恒虛警類方法更適用于多目標(biāo)信號(hào)同時(shí)存在時(shí)的復(fù)雜電磁環(huán)境，所提方法具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

電子偵察系統(tǒng);頻域檢測(cè);恒虛警檢測(cè)器

0 引 言

電子偵察系統(tǒng)主要是通過對(duì)電磁環(huán)境中的輻射源信號(hào)進(jìn)行截獲、分析以獲得輻射源屬性、狀態(tài)以及位置等信息。這些信息可以用于對(duì)敵方威脅背景進(jìn)行態(tài)勢(shì)感知、來襲告警等等。因此，怎樣從密集復(fù)雜的電磁環(huán)境中檢測(cè)到感興趣的輻射源信號(hào)是電子偵察系統(tǒng)非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前，在電子偵察系統(tǒng)中，對(duì)于信號(hào)的檢測(cè)主要分為頻域檢測(cè)和時(shí)域檢測(cè)2種方法[1]。兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)，時(shí)域檢測(cè)實(shí)現(xiàn)起來比較容易，但檢測(cè)靈敏度較頻域法低；頻域檢測(cè)采用一定數(shù)據(jù)點(diǎn)的頻譜分析可以把信號(hào)從噪聲中提取出來，一般需要進(jìn)行多點(diǎn)快速傅里葉變換運(yùn)算，同時(shí)快速傅里葉變換的長度需要預(yù)先確定。不管是時(shí)域檢測(cè)還是頻域檢測(cè)，一般都采用固定門限檢測(cè)，導(dǎo)致其對(duì)噪聲波動(dòng)較大以及目標(biāo)較多的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)能力較差。

恒虛警率(CFAR)檢測(cè)在雷達(dá)和聲納系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛[2-3]，主要是因?yàn)樵摲椒梢噪S著檢測(cè)點(diǎn)的背景噪聲、雜波和干擾的大小自適應(yīng)地調(diào)整門限。文獻(xiàn)[4]提出了一種新的雷達(dá)引信多門限頻域恒虛警率檢測(cè)算法。該算法根據(jù)雷達(dá)引信目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征,在傳統(tǒng)時(shí)域雙門限檢測(cè)的基礎(chǔ)上,增加了時(shí)域和頻域門限判別條件,即采用多門限檢測(cè)技術(shù)抑制引信工作的虛警率。文獻(xiàn)[5]提出一種頻域恒虛警檢測(cè)弱聲納脈沖信號(hào)的方法，該方法針對(duì)低頻背景噪聲平穩(wěn)性較差、起伏較大的特點(diǎn)，將頻域中峰值點(diǎn)或極值點(diǎn)認(rèn)為是疑似脈沖信號(hào)，通過對(duì)疑似點(diǎn)能量與歷史背景進(jìn)行比對(duì)的方式完成脈沖信號(hào)的檢測(cè)判決。然而，這一方法在電子偵察接收系統(tǒng)中應(yīng)用卻比較少。在復(fù)雜電磁環(huán)境下，電子偵察系統(tǒng)噪聲包括接收機(jī)內(nèi)部噪聲、環(huán)境噪聲、對(duì)方發(fā)射機(jī)噪聲以及有源干擾等。雖然，許多情況下系統(tǒng)噪聲的主要來源是機(jī)內(nèi)噪聲，但是在復(fù)雜環(huán)境下，當(dāng)不希望外界噪聲影響到信號(hào)的檢測(cè)時(shí)，需要自適應(yīng)調(diào)整檢測(cè)門限。本文就電子偵察系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)信號(hào)采用頻域檢測(cè)的CFAR處理方法進(jìn)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(biāo)信號(hào)同時(shí)存在時(shí)的復(fù)雜電磁環(huán)境。

1 頻域檢測(cè)模型

電子偵察系統(tǒng)的CFAR檢測(cè)具有與雷達(dá)系統(tǒng)不同的特點(diǎn)。首先，由于電子偵察系統(tǒng)屬于單程接收輻射源信號(hào)，因此不存在雷達(dá)系統(tǒng)中的所謂雜波問題，這將簡化電子偵察系統(tǒng)CFAR處理器的設(shè)計(jì)；其次，電子偵察系統(tǒng)在頻域上和空域上屬于寬開接收，因此，勢(shì)必會(huì)接收到大量交錯(cuò)的不同輻射源的脈沖信號(hào)，而各個(gè)雷達(dá)輻射源不同的脈沖重復(fù)頻率(PRF)進(jìn)一步加劇了接收環(huán)境的復(fù)雜性和不確定性。所以，對(duì)電子偵察系統(tǒng)的CFAR處理需要考慮電子偵察系統(tǒng)接收信號(hào)的特點(diǎn)。

頻域檢測(cè)是將接收到的時(shí)域樣本進(jìn)行頻域變換，再通過樣本的頻域特征進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)，確定信號(hào)的有無。下面分析頻域檢測(cè)中的虛警概率和檢測(cè)概率。

設(shè)時(shí)域數(shù)據(jù)序列為x(n)(其中n=0,1,2,…,N-1)，其對(duì)應(yīng)的頻譜分量為X(k)(其中k=0,1,2,…,N-1)。假定噪聲在時(shí)域的分布服從N(0,σ2)，并且噪聲在時(shí)域上不相關(guān)。當(dāng)不存在雷達(dá)信號(hào)時(shí)，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(shí)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(shí)域分布相同，但是方差增加了N倍，這是因?yàn)橛?jì)算噪聲功率譜時(shí)用到了時(shí)域上的所有點(diǎn)。

(2)

式中：y為頻域包絡(luò)；f為頻域上的噪聲概率密度函數(shù)。

因此，虛警概率為

(3)

式中：t為檢測(cè)門限。

對(duì)于給定的虛警概率，可以由上式確定檢測(cè)門限。

如果檢測(cè)的數(shù)據(jù)中有信號(hào)，概率密度函數(shù)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(shù)。

因此，檢測(cè)概率為

(5)

2 頻域恒虛警處理器

(6)

這時(shí)，根據(jù)規(guī)定的Pfa可以由下式確定門限

(7)

從上式可以看出，對(duì)于統(tǒng)計(jì)量z而言，虛警率只與門限t有關(guān)，從而可以通過t的設(shè)定實(shí)現(xiàn)恒虛警。因此，整個(gè)電子偵察系統(tǒng)恒虛警檢測(cè)方案的關(guān)鍵就是σ的獲取，可以得到如圖1所示的恒虛警檢測(cè)系統(tǒng)。

圖1中電子偵察系統(tǒng)采用固定長度的快速傅里葉變換(FFT)后，進(jìn)行包絡(luò)檢波，獲得頻譜包絡(luò)信息。然后進(jìn)行檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量均值估計(jì)，再通過1個(gè)由Pfa決定的檢測(cè)門限。最后與檢測(cè)點(diǎn)的幅度值進(jìn)行比較，判斷信號(hào)的有無。

為了更準(zhǔn)確地估計(jì)均值，從雷達(dá)系統(tǒng)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(tǒng)計(jì)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(dāng)檢測(cè)幀中只有1個(gè)信號(hào)時(shí)，CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR的檢測(cè)性能是優(yōu)越的，但CA-CFAR不能適應(yīng)多個(gè)信號(hào)同時(shí)到達(dá)的環(huán)境，而GO-CFAR在多信號(hào)環(huán)境下的檢測(cè)性能相當(dāng)差，受強(qiáng)信號(hào)影響嚴(yán)重。SO-CFAR雖然具有一定的抗同時(shí)多信號(hào)能力，但是當(dāng)2個(gè)強(qiáng)度相差不大的信號(hào)同時(shí)在檢測(cè)單元兩側(cè)出現(xiàn)時(shí)性能惡化。

(2) 有序統(tǒng)計(jì)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(jìn)行排序后，選擇第k個(gè)電平值作為統(tǒng)計(jì)量的均值估計(jì)。當(dāng)檢測(cè)幀中只有1個(gè)信號(hào)時(shí)，有序統(tǒng)計(jì)量類方法(OS-CFAR)不如均值類性能優(yōu)越，但當(dāng)檢測(cè)幀中存在多個(gè)同時(shí)到達(dá)信號(hào)時(shí)，其性能比均值類方法優(yōu)越。但是，OS-CFAR的性能取決于k值的選取。

一般而言，目標(biāo)信號(hào)的出現(xiàn)很可能要占據(jù)有序樣本的最大值。若k取得過大就會(huì)造成目標(biāo)漏檢，而k取得過小就能檢測(cè)出強(qiáng)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(jìn)行排序后，從高端刪除q個(gè)電平，然后將剩下的電平值進(jìn)行平均作為統(tǒng)計(jì)量的均值估計(jì)。該類方法比較適合檢測(cè)幀中存在多信號(hào)電磁環(huán)境，將檢測(cè)單元中干擾信號(hào)電平值刪除后就可以對(duì)噪聲均值進(jìn)行比較準(zhǔn)確的估計(jì)。

但是，該類方法的性能取決于q值的選取?？紤]到實(shí)際電磁環(huán)境中，同時(shí)到達(dá)信號(hào)數(shù)不會(huì)太大，典型值為4個(gè)信號(hào)，因此可以根據(jù)4個(gè)同時(shí)到達(dá)信號(hào)進(jìn)行q值的選取。

電子偵察系統(tǒng)與雷達(dá)系統(tǒng)的一個(gè)重要區(qū)別是電子偵察系統(tǒng)是一個(gè)寬帶系統(tǒng)，在一個(gè)檢測(cè)幀中同時(shí)存在多目標(biāo)的概率大于雷達(dá)系統(tǒng)，同時(shí)影響電子偵察系統(tǒng)中CFAR檢測(cè)性能的主要因素是參考單元中的干擾信號(hào)。因此，采用TM-CFAR處理方法比較適合于電子偵察系統(tǒng)信號(hào)檢測(cè)。

3 計(jì)算機(jī)仿真分析

設(shè)定電子偵察系統(tǒng)采樣頻率1 GHz，檢測(cè)幀長度N為512。對(duì)于大部分偵察系統(tǒng)而言，512點(diǎn)信號(hào)長度對(duì)應(yīng)的帶寬一般低于FFT分辨率(1.95 MHz)，因此，不同調(diào)制類型信號(hào)的頻域檢測(cè)與單頻脈沖信號(hào)并無本質(zhì)區(qū)別。

為了更好地說明問題，本仿真僅考慮檢測(cè)幀中存在1～4個(gè)單頻脈沖信號(hào)的情形。4個(gè)信號(hào)的信噪比分別為23 dB，12.5 dB，3 dB，-1.4 dB，同時(shí)采用以上3類CFAR處理方法進(jìn)行比較分析。其中OS-CFAR和TM-CFAR方法是基于最大同時(shí)目標(biāo)數(shù)為4的假設(shè)條件下進(jìn)行門限設(shè)置的。仿真結(jié)果如圖2和圖3所示。

從以上仿真結(jié)果來看，當(dāng)只有1個(gè)目標(biāo)時(shí)，3類恒虛警處理方法都可以獲得比較好的處理效果。當(dāng)多個(gè)目標(biāo)信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，如果目標(biāo)信號(hào)均為強(qiáng)信號(hào)(信噪比較高)時(shí),依然可以通過三類方法進(jìn)行檢測(cè)，如圖2所示。

但是，如果強(qiáng)弱信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，采用均值類方法就會(huì)出現(xiàn)弱信號(hào)不能被檢測(cè)，從而導(dǎo)致漏檢。而采用有序統(tǒng)計(jì)量類方法可以在一定程度上彌補(bǔ)均值類方法的缺陷，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)。但是，刪除單元平均方法具有比有序統(tǒng)計(jì)量類方法更穩(wěn)健的特點(diǎn)，如圖3所示。

因此可以發(fā)現(xiàn)，刪除單元平均方法對(duì)于多目標(biāo)信號(hào)同時(shí)存在的情形具有比較好的適應(yīng)能力，可以用于復(fù)雜電磁環(huán)境下電子偵察系統(tǒng)信號(hào)的檢測(cè)。

4 結(jié)束語

本文討論了電子偵察系統(tǒng)頻域恒虛警檢測(cè)問題。利用雷達(dá)系統(tǒng)恒虛警處理的思路，結(jié)合電子偵察系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，分析了電子偵察系統(tǒng)采用恒虛警處理的可行性和頻域檢測(cè)模型，同時(shí)，采用了雷達(dá)系統(tǒng)中熟知的三大類恒虛警處理方法對(duì)電子偵察系統(tǒng)頻域檢測(cè)進(jìn)行分析和計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證。

從模型分析和計(jì)算機(jī)仿真可以看出，刪除單元平均方法較均值類方法和有序統(tǒng)計(jì)量類方法更適用于電子偵察系統(tǒng)頻域信號(hào)恒虛警處理，尤其對(duì)多目標(biāo)信號(hào)同時(shí)存在時(shí)具有更好的適應(yīng)性和穩(wěn)健性。

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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