一種CFAR檢測(cè)雷達(dá)的可控干擾新方法

，

(航天工程大學(xué)， 北京 101416)

0 引言

恒虛警(Constant False Alarm Rate，CFAR)檢測(cè)是雷達(dá)信號(hào)處理中一個(gè)重要的處理環(huán)節(jié)[1]，該處理可以避免由于干擾環(huán)境的改變而引起的雷達(dá)虛警率惡化，大大提高了雷達(dá)對(duì)雜波和噪聲壓制干擾等非相干干擾的抑制性能[2]。如何對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)進(jìn)行有效干擾已成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)。

目前，對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)的干擾方法以相干干擾為主，主要包括移頻干擾和間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾[3-4]。移頻干擾不需要較大干信比就可以產(chǎn)生假目標(biāo)欺騙干擾效果，然而該方法需要對(duì)接收到的雷達(dá)脈沖進(jìn)行存儲(chǔ)后再移頻轉(zhuǎn)發(fā)，導(dǎo)致假目標(biāo)滯后于真目標(biāo)時(shí)間較長(zhǎng)，容易被敵方識(shí)別[5-6]。間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾[7]能夠解決移頻干擾所形成假目標(biāo)滯后時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，該干擾可以產(chǎn)生多個(gè)強(qiáng)度不同的假目標(biāo)，但是由于假目標(biāo)間隔均勻且數(shù)量較少，可以被有效鑒別，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾[8]的提出改善了間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾形成假目標(biāo)數(shù)較少的缺陷，然而這是通過(guò)犧牲干擾信號(hào)相干性實(shí)現(xiàn)的，使得該干擾對(duì)干擾機(jī)功率提出了更高的要求。另外，不論間歇采樣直接轉(zhuǎn)發(fā)干擾還是間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾，由于形成的假目標(biāo)間隔均勻，均只能實(shí)現(xiàn)對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)的壓制干擾[9-10]，無(wú)法形成假目標(biāo)欺騙干擾。

針對(duì)以上對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)干擾中存在的問(wèn)題，本文提出了一種對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)的多相位分段調(diào)制干擾方法，該方法不僅可以形成壓制干擾，還能夠形成假目標(biāo)欺騙干擾，并且通過(guò)對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行分路相位調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)假目標(biāo)數(shù)與假目標(biāo)幅值的控制，是一種具有多樣性和可控性的干擾樣式，能夠形成更可靠的干擾效果。

1 多相位分段調(diào)制干擾1.1 干擾原理

對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)的多相位分段調(diào)制干擾主要分為信號(hào)分路、相位調(diào)制、信號(hào)采樣、信號(hào)合成四個(gè)步驟[11]，如圖1所示。

圖1 多相位分段調(diào)制干擾原理圖

(1)

式中，

(2)

干擾信號(hào)總分路數(shù)N=n1+n2+n3+…+np，雷達(dá)信號(hào)脈沖時(shí)寬Tp=Nτ。

1.2 對(duì)干擾信號(hào)的脈壓輸出分析

設(shè)脈壓過(guò)程中的環(huán)境噪聲是功率譜密度為N0/2 W/Hz的高斯白噪聲，輸出端噪聲的功率譜密度為N0/2·H0jω2W/Hz。假設(shè)脈壓輸出信號(hào)在t=td時(shí)刻得到峰值，則多相位分段調(diào)制干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)匹配濾波器后的輸出信號(hào)表達(dá)式為

(3)

設(shè)回波信號(hào)脈寬Tp為有限值，則其在頻域可以視為連續(xù)信號(hào)，那么干擾信號(hào)的匹配濾波輸出信號(hào)可以進(jìn)一步等效為

FJ1(t)+FJ2(t)+…+FJK(t)

(4)

設(shè)相位調(diào)制值φ1所在信號(hào)分路的帶寬B1=ωH1-ωL1，由頻譜偏移產(chǎn)生的時(shí)延量為Δt，則該分路干擾信號(hào)的脈沖壓縮輸出表達(dá)式為

S*jωdω=

(5)

令

(6)

(7)

則式(5)可以等價(jià)為

FJ1(t)=A1ejΦ1

(8)

將上式推廣至整段干擾信號(hào)，則多相位分段調(diào)制干擾信號(hào)的脈壓輸出結(jié)果為

(9)

由上式可知，干擾信號(hào)的脈壓輸出結(jié)果可以等效為若干個(gè)信號(hào)矢量的疊加，各信號(hào)矢量的幅值與幅角與干擾信號(hào)分路數(shù)、調(diào)制相位數(shù)以及調(diào)制相位值三個(gè)參數(shù)有關(guān)。進(jìn)一步分析可知，脈沖壓縮后的干擾信號(hào)主瓣寬度與干擾信號(hào)分路長(zhǎng)度成反比關(guān)系，另外，sinc函數(shù)的中心在一定范圍內(nèi)偏移，且偏移量與干擾信號(hào)的參數(shù)有關(guān)。

結(jié)合以上分析可得，多相位分段調(diào)制干擾可以在真實(shí)目標(biāo)周?chē)纬梢欢ǚ秶木植空谏w效果，且通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)分路數(shù)、調(diào)制相位數(shù)以及調(diào)制相位值三個(gè)參數(shù)的控制可以實(shí)現(xiàn)靈活多樣的干擾效果。

2 對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)的干擾分析

CFAR檢測(cè)根據(jù)參考單元內(nèi)的背景噪聲、雜波以及干擾的大小來(lái)計(jì)算檢測(cè)門(mén)限，從而使虛警概率處于恒定狀態(tài)。典型的CFAR檢測(cè)方法[12]主要包括單元平均恒虛警檢測(cè)(Cell Averaging Constant False Alarm Rate，CA-CFAR)、單元平均選大恒虛警檢測(cè)(Greatest of Constant False Alarm Rate，GO-CFAR)、單元平均選小恒虛警檢測(cè)(Smallest of Constant False Alarm Rate，SO-CFAR)以及有序統(tǒng)計(jì)量恒虛警檢測(cè)(Order Statistics Constant False Alarm Rate，OS-CFAR)等，在不同的背景噪聲、雜波以及干擾因素下，可以通過(guò)選擇不同的CFAR檢測(cè)方法，以獲取最優(yōu)的檢測(cè)效果。針對(duì)眾多不同類(lèi)型的CFAR檢測(cè)方法，本文基于CA-CFAR檢測(cè)對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)的多相分段調(diào)制干擾方法進(jìn)行分析。

2.1 無(wú)干擾下的CFAR檢測(cè)

在CFAR檢測(cè)中，各待檢單元xi對(duì)應(yīng)的保護(hù)單元位于其兩側(cè)，設(shè)CFAR檢測(cè)器中共有2N個(gè)相鄰的參考單元，且待檢測(cè)單元兩側(cè)各有N個(gè)參考單元，各單元內(nèi)的噪聲獨(dú)立同分布。CFAR檢測(cè)的參考單元分布如圖2所示。

圖2 CFAR檢測(cè)參考單元示意圖

(10)

式中，σ為噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差。

推廣至2N個(gè)參考單元，則由xi組成的樣本矢量xx1,x2,…,x2N的聯(lián)合概率密度函數(shù)為

(11)

因此，無(wú)干擾下的CA-CFAR檢測(cè)要求的檢測(cè)門(mén)限為

(12)

(13)

2.2 多相位分段調(diào)制干擾下的CFAR檢測(cè)

對(duì)雷達(dá)實(shí)施多相位分段調(diào)制干擾時(shí)，CFAR檢測(cè)器的輸入為雷達(dá)回波信號(hào)、干擾信號(hào)以及噪聲的疊加，設(shè)多相位分段調(diào)制干擾信號(hào)的干擾功率為γJ，則根據(jù)式(12)可知，多相位分段調(diào)制干擾下的CA-CFAR檢測(cè)門(mén)限為

(14)

(15)

值得一提的是，由于多相位分段調(diào)制干擾功率遠(yuǎn)大于噪聲功率，只要CA-CFAR檢測(cè)器的參考單元中出現(xiàn)假目標(biāo)，其檢測(cè)門(mén)限就可以被抬升。在干信比(JSR)一定時(shí)，通過(guò)對(duì)多相位分段調(diào)制干擾的信號(hào)分路數(shù)、調(diào)制相位數(shù)以及調(diào)制相位值三個(gè)參數(shù)的控制，使參考單元內(nèi)的假目標(biāo)數(shù)增多，導(dǎo)致檢測(cè)門(mén)限被抬升得越高，從而使雷達(dá)對(duì)真目標(biāo)的檢測(cè)性能惡化越嚴(yán)重。

3 仿真分析

3.1 實(shí)驗(yàn)一：干噪J對(duì)雷達(dá)CFAR檢測(cè)的影響

圖3 檢測(cè)概率隨SNR的變化圖

3.2 實(shí)驗(yàn)二：多相位分段調(diào)制干擾與間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的CFAR檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

在表1所示仿真參數(shù)設(shè)置下，干信比取30 dB，采用CA-CFAR檢測(cè)器，對(duì)比多相位分段調(diào)制干擾與間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的CFAR檢測(cè)結(jié)果，虛警概率PFA=10-6，多相位分段調(diào)制干擾采用四相位等分調(diào)制，分路數(shù)分別取20和30，各干擾信號(hào)分路的相位取值從0，π/4，2π/4，3π/4中隨機(jī)選取，間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾的采樣周期Ts=2 μs、采樣間隔τ=0.5 μs，仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

(a) 多相位分段調(diào)制干擾(20路)

(b) 多相位分段調(diào)制干擾(30路)

(c) 間歇采樣重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)干擾

3.3 實(shí)驗(yàn)三：不同調(diào)制參數(shù)下的多相位分段調(diào)制干擾效果變化

仿真參數(shù)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)二相同，干信比取10 dB，采用CA-CFAR檢測(cè)器，虛警概率PFA=10-6，由于假目標(biāo)數(shù)和假目標(biāo)幅度是衡量對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)干擾效果的兩個(gè)重要指標(biāo)[16]，本文在分路數(shù)、調(diào)制相位數(shù)以及調(diào)制相位值三個(gè)參數(shù)調(diào)制變化的情況下，對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)的多相位分段調(diào)制干擾所形成假目標(biāo)的數(shù)量和最大幅值的變化進(jìn)行如下仿真，仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

1) 采用兩相位等分隨機(jī)調(diào)制，兩個(gè)相位調(diào)制值中一個(gè)取0，在另一個(gè)相位變化的情況下，對(duì)信號(hào)分路數(shù)分別取30，50，60時(shí)，CFAR檢測(cè)結(jié)果中假目標(biāo)數(shù)量和最大幅值的變化曲線進(jìn)行仿真；

2) 采用多相位等分隨機(jī)調(diào)制，設(shè)定等間隔調(diào)制相位，在信號(hào)分路數(shù)分別取30，50，60的情況下，對(duì)調(diào)制相位數(shù)在[2,10]區(qū)間內(nèi)以1為間隔取值時(shí)，CFAR檢測(cè)結(jié)果中假目標(biāo)數(shù)量和最大幅值的變化曲線進(jìn)行仿真；

3) 采用三相位等分隨機(jī)調(diào)制，信號(hào)分路數(shù)取30，本文中各調(diào)制相位值用“-”連接，3個(gè)相位調(diào)制值采用三類(lèi)組合方式，分別為前兩個(gè)相位值取0-π/3，0-π/4，0-π/5，第三個(gè)調(diào)制相位值以π的倍數(shù)變化。在此條件下，對(duì)CFAR檢測(cè)結(jié)果中假目標(biāo)數(shù)量和最大幅值的變化曲線進(jìn)行仿真。

(a) 分路數(shù)變化

(b) 調(diào)制相位數(shù)變化

(c) 調(diào)制相位值變化

(a) 分路數(shù)變化

(b) 調(diào)制相位數(shù)變化

(c) 調(diào)制相位值變化

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于多相位分段調(diào)制的CFAR檢測(cè)雷達(dá)干擾方法，首先在其干擾原理的基礎(chǔ)上，對(duì)干擾信號(hào)的脈壓輸出進(jìn)行了推導(dǎo)與分析；其次以CFAR檢測(cè)原理為基礎(chǔ)，基于CA-CFAR檢測(cè)方法對(duì)CFAR檢測(cè)雷達(dá)的多相位分段調(diào)制干擾效果進(jìn)行分析，分析表明，該干擾的脈壓輸出是多個(gè)信號(hào)的矢量疊加，可以有效抬升CFAR檢測(cè)門(mén)限，從而降低雷達(dá)對(duì)真目標(biāo)的檢測(cè)概率。通過(guò)仿真分析可知，多相位分段調(diào)制干擾不僅可以形成壓制干擾，還能夠形成假目標(biāo)欺騙干擾，并且通過(guò)對(duì)分路數(shù)、調(diào)制相位數(shù)以及調(diào)制相位值三個(gè)參數(shù)的變化，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)假目標(biāo)數(shù)與假目標(biāo)幅值的控制，是一種具有多樣性和可控性的干擾樣式。如何對(duì)多相位分段調(diào)制干擾的壓制范圍進(jìn)行控制是下一步需要重點(diǎn)研究和解決的問(wèn)題。