（信号与信息处理专业论文）雷达杂波图cfar算法研究及基于fpga的实现.pdf

摘要 i i i iii ii i ii ii i i ii il u i y 19 9 6 4 3 5 本文的工作是基于某雷达信号处理机提出来的，采用恒虚警检测技术完成了 在杂波、干扰、噪声背景下检测工作。杂波图作为一种典型的自动恒虚警检测技 术越来越得到人们的重视。文中提出了三种杂波图检测方法一单元平均法、单元 选大法、二分层法，分别给出了虚警概率和检测概率的表达式，并在此基础上作 了深入的比较，同时在给定有关系统参数的情况下，研究了扫描圈数、叠代因子 以及在不同的虚警概率下平均杂噪比对检测概率的影响，从而为低杂噪比建图提 供了理论根据。 本文研究了雷达杂波图的形成原理及其相应的算法，并讨论了其基于f p g a 的实现。对现场可编程逻辑器件及其开发平台q u a r t u s 的了解和掌握，利用v h d l 语言和原理图完成了杂波图的实现，并解决了多工作方式下杂波图的冗余问题。 最后讨论了系统实现中的几个问题，并作了仿真分析。本系统具有通用性和完全 可编程性。 关键字：杂波杂波图幅度杂波图现场可编程门阵列 a b s t r a c t t h ew o r ki sp u tf o r w a r db yac e r t a i nr a d a rs i g n a lp r o c e s s o r , t h et e c h n o l o g yo f c o n s t a n tf a l s ea l a r mr a t ea c c o m p l i s h e st h ew o r kw h i c hd e t e c t st h et a r g e ts i g n a lo u to f a l lk i n d so fc l u t t e r s ，i n t e r f e r ea n dn o i s e c o n s t a n tf a l s ea l a r mr a t eo fr a d a rh a sb e c o m e an o r m a lt e c h n i q u ei nm o d e mr a d a ra n dt h er a d a rc l u t t e rm a p ( c m ) i sat y p i c a l c o n s t a n tf a l s ea l a r mr a t et h a th a sb e e nr e g a r d e dm o r ea n dm o r es e r i o u s l y t h ea u t h o r p r e s e n t st h r e eg e n e r a l i z e dm o d i f i e dc md e t e c t o r sa n da na u t o m a t i cc e n s o r i n g t e c h n i q u e t h e s et h r e en e w c m sa r e ：c e l la v e r a g e ( c a ) c m ，c e l lg r e a t e s to f ( g o ) c m f i n dt w o - d e l a m i n a t i o nc m f o rt h e s et h r e en e wc l u t t e rm a pd e t e c t o r s ，t h ea u t h o r o b t a i n sa n a l y t i ce x p r e s s i o n so ft h ef a l s ea l a r mr a t ea n dt h ed e t e c t i o np r o b a b i l i t i e s a t t h es a m et i m e ，w h e nt h es y s t e mp a r a m e t e r sa r ec e r t a i n ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ea f f e c t i o n t ot h ed e t e c t i o np r o b a b i l i t yc o r r e s p o n d i n gt ot h en u m b e ro fs c a n s 、i t e r a t i v ec o e f f i c i e n t s a n dt h ea v e r a g ec l u t t e r - n o i s er a t i oi nd i f f e r e n tf a l s ea l a r mp r o b a b i l i t y , t h e r e f o r e ，t h e r e a l i z a t i o no f b u i l d i n gc l u t t e rm a pi nl o wc l u t t e r - n o i s er a t i oi sa v a i l a b l e t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep r i n c i p l eo fr a d a rc l u t t e rm a p ，i t sc o r r e s p o n d i n g a l g o r i t h ma n dt h er e a l i z a t i o nw h i c hi sb a s e do nf p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) t h ea u t h o rb e g i n sw i t ht h ek n o w l e d g eo ff p g a d e v i c e sa n di t sd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n tq u a r t u s ，c l u t t e rm a pi sr e a l i z e db yv h d l ，g r a p h i cm e t h o da n dt h e p r o p o s e da l g o r i t h ms o l v e dr e d u n d a n c yo fc l u t t e rm a pi nt h em u l i t - m o d eo fw o r k i n t h ee n d ，s e v e r a lp r o b l e m si nr e a l i z a t i o nw e r ed i s c u s s e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n tw e r e g i v e na n dt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mw a sa n a l y z e d i tw a sj u s t i f i e dt os a yt h a tt h i s s y s t e mw a sh i g h l ya d a p t a b l ea n dt o t a l l yp r o g r a m m a b l e k e y w o r d s ：c l u t t e r c l u t t e rm a pc l u t t e r sa m p l i t u d em a pf p g a 第一擎绪论 第一章绪论 雷达是军事和民用领域中探测目标的主要工具。尤其是在军事领域中，作为 c j ( 通信、指挥、控制与情报) 系统中极为重要的一个坏节，雷达在现代作战 上发挥着越来越重要的作用。雷达的主要任务就是在存在干扰包括接收机内部的 热噪声、地物、雨雪、海浪等杂波干扰和电子对抗措施( e c m ) 、人工有源和无源干 扰以及与有用目标混杂在一起的邻近干扰目标和它的旁瓣等干扰中，检测、跟踪 和测量来自空中、地面或水面上运动的有用目标，为各种作战系统提供准确的目 标信息l 。 从第二次世界大战雷达诞生以来，雷达技术的研究就成为- - f - j 重要的学科。 近几年来，随着电子器件技术与计算机技术的迅速发展，各种雷达信号处理技术 的理论与应用研究深入的进行着。雷达信号处理主要围绕对目标信号的变换、检 测、跟踪( 坐标测定) 、识别以及威胁判断等问题而进行，其中对目标信号的检测 是雷达对目标处理的一个重要环节，同时也是雷达信号处理中的一个关键问题。 在雷达自动检测系统中，通常是将自动检测和恒虚警( c f a r ，c o n s t a n tf a l s e a l a r mr a t e ) 技术结合起来使用以保护在变化的杂波环境中获得可预测的检测性能和 恒定虚警率。 雷达自动检测中的虚警问题是每个雷达系统研究和设计人员不可回避的重要 问题之一。三十多年来，雷达自动检测与c f a r 处理技术逐渐发展成为国际雷达 信号处理界的一大热门研究领域和关键性课题。c f a r 技术是雷达自动检测系统中 控制虚警率的最重要手段，它在雷达自动检测过程中起着极其重要的作用。 1 1 论文选题的背景及意义 雷达要探测到的目标，通常是运动着的目标，例如空中的飞机、导弹，海上 的舰艇，地面上的车辆、坦克。但在目标的周围经常存在着各种背景，如地物、 云雨、海浪及敌人释放的金属箔条干扰等。这些背景可能是完全不动的，如山和 建筑物，也可以是运动的，如有风时的云、雨、海浪和会属箔条。这些背景所产 生的回波被称为杂波或无源干扰。杂波和运动目标在雷达显示器上同时显示时， 会使目标的观察变得很困难。如果目标处在杂波背景内，弱的目标淹没在强杂波 中，特别是当强杂波使接收机系统产生过载时，发现目标十分困难。即使目标不 在杂波背景内，要在成片的杂波中很快的分辨出运动目标回波也是不容易的。如 果雷达终端采用自动检测和数据处理系统，则由于大量杂波的存在，给系统的处 理带来很大的难度。为了应付同益复杂的雷达工作环境，国内外很早就开始了在 2 雷_ i 厶杂波图c f a r 算法研究及幕十f p g a 的实现 各种杂波背景下目标信号检测这个方面的研究- l 作。 围绕提高雷达的性能，人们做了大量的工作，在2 0 世纪7 0 年代，雷达科学 工作者设计研制出了动目标显示系统( m t i ，m o v i n gt a r g e ti n d i c a t i o n ) 。其基本含义 是：基于回波多普勒信息的提取而区分运动目标与固定目标。这样，m t i 通常包括 两个最基本的部分，即完成多普勒信息提取的相参处理与完成目标区分的对消处 理；起初对消滤波系统，是针对杂波平均速度为零的情况，这对于地面雷达抑制 地面固定杂波可以收到很好的效果，但对于气象杂波、干扰、箔条等，特别是机 载和船用雷达，杂波和雷达之间有相对运动，杂波谱的中心会偏移零多普勒频率， 这样必须采用自适应措施一j 蝴t i ，现在人们常常采用实时的估计动杂波的谱中 心，从而选择不同的对消器，使对消器的凹口对着杂波谱中心，完成对动杂波的 抑制，对消通道的设计极大的提高了杂波的改善因子，如果在回波的全程作对消， 这样往往损失就比较大，所以目前雷达信号处理机通常选择双通道信号处理，即 正常通道和对消通道，所谓的正常通道主要功能是：减小相参支路不必要的处理 损失，提高目标尤其是低速小目标的检测能力。因为强杂波环境中所必须的滤波 器抑制凹口及快门限恒虚警率处理，在弱杂波或无杂波条件下势必导致一定程度 上的检测能力降低。因此在无杂波清洁区采用基于幅度信息的正常处理，则能保 证信号尤其是弱杂波信号的检测概率。而对消通道就是在杂波区选择滤波器来抑 制杂波从而得到有用的信号。 为了实现正常处理和对消相参处理的自动选择，必须建立一个能够反映杂波 有无的杂波图。由于它只需提供杂波的二分层( i 0 ) 概略信息，因此得名为杂 波轮廓图( 下文除特别外简称杂波图) 。例如数字“1 ”可表示有杂波，用来控制 选择相参支路的输出；数字“0 ”表示无杂波，可控制选择正常支路的输出 2 1 。 为了保证雷达信号处理的线性动态范围，必须对中放增益进行自动快速的调 正，这样就必须建立一幅增益控制图。从而极大的改善了雷达的动态范围，保证 了信号处理机的正常工作和终端画面的干净，进一步提高了整机的性能。 1 2 当前的技术进展及现状 经过3 0 余年的发展，雷达恒虚警检测已逐渐成为现代雷达的一项标准技术， 已形成了一整套相对完整的理论、概念和方法，并在各种用途、各种类型的雷达 中获得了广泛应用。在文献【l 】中作者作了大量的分析和比较，并将c f a r 处理 理论划分为若干个研究领域： ( 1 ) 根据模拟杂波背景所使用的杂波分布模型可分为瑞利分布、韦布尔分布、 对数分布等分布杂波中的c f a r 处理； ( 2 )根据数据处理方式可分为参量和非参量c f a r 处理方法： 第一章绪论3 ( 3 )根据所在的数域可分为时域的和频域的c f a r 处理方法。 但是，作为一种信号检测技术，雷达c f a r 检测无论在理论还是在应用上还远没 有达到成熟，尤其是针对各种实际检测环境，还存在许多理论与技术问题有待深 入的研究。 在对雷达回波信号进行滤波后，就要对目标的存在进行判决：过门限检测。 由于多种杂波或其剩余的存在，加上内部噪声的影响。过门限检测的结果可能使 终端计算机饱和。这主要是因为在自动检测系统中对应一定的检测门限，干扰( 杂 波或噪声) 电平的数分贝增加，将会造成虚警率剧增的缘故。因此必须采用所谓 的自适应一c f a r 处理。按不同的处理背景：气象噪声和地物c f a r 有三种对应的 基本形式，即快门限c f a r 、慢门限c f a r 和时间单元c f a r ( 杂波图c f a r ) 。其 中快门限c f a r 和杂波图c f a r 按要求的不同和实现方法又主要有单元平均 c a c f a r 、单元选大g o c f a r 、单元选小s o c f a r 等。这些方法的恒虚警率效 果均是以杂波干扰的振幅服从瑞利分布为假设前提的，还有常见非瑞利杂波的 c f a r 处理，但对某些实际场合这些假设并不成立，即无法知道杂波的分布规律而 又需进行c f a r ，这种c f a r 称为非参量型c f a re 。 - 警 杂波图c f a r 作为恒虚警率处理的一部分，为了进一步提高动目标显示系统的 性能，通常就要采用轮廓杂波图恒虚警技术。形成稳定的轮廓杂波图是研究地物 杂波的抑制技术并解决问题的关键之一，近年来对它的研究主要集中在实际实现 方面，因为要得到高质量的和可控制的杂波图，还有一系列实际问题需要妥善解 决，特别是对于杂波图的动态刷新和以完成对接收机的信号进行增益控制的增益 控制图刷新这两个问题，这对于提高雷达信号处理智能化控制是有实际意义的， 雩 也是现在杂波图研究的趋势。但对于不同的杂波类型，以及不同的系统参数对杂 波图的影响还很少有人进行定性和定量的分析，这些具体的分析对工程实现都有 很重要的指导意义。这种恒虚警处理技术，实际上就是建立雷达周围杂波强度的 分布图，根据杂波强度的实时变化，建立一幅能够实时刷新的动态杂波图：并且 在建站时，将雷达阵地周围的地物杂波建立一幅静态杂波图，最终来达到自动选 择正常通道和对消通道的目的，另一方面就是增加雷达信号处理的线性动态范围 的时间灵敏度控制( s t c ) 和增益控制图，从而提高雷达检测性能。 综上所述，杂波图技术( 包括杂波图c f a r 、时问灵敏度控制和增益控制图等) 在线性动目标显示系统中占据着极其重要的地位，它是信号处理机的重要的组成 部分。 1 3 本论文的主要工作和内容安排 2 0 0 3 年，西安电子科技大学雷达信号处理实验室与成都锦江电器厂合作研制 4 雷达杂波i j ic f a r 算法研究及皋十f p g a 的实现 某型号雷达信号处理机。本文的内容是在参与研制杂波图的基础上展丌的，其性 能以及硬件实现都是针对三维杂波图考虑的。 本设计的主要工作内容及章节安排如下： 第一章：介绍恒虚警处理的背景、发展情况和现状，强调了杂波图是c f a r 重要的一部分，以及现在研究的重点和难点，从而阐明了本课题工作的意义和内 容安排。 第二章：介绍了统计信号处理的概念以及恒虚警的基本原理，尤其是对杂波 的模型和噪声分布情况作了介绍，它为第三章杂波图性能分析奠定了理论基础。 第三章：主要分析了杂波图的基本原理和不同的c f a r 处理方法，最基本的 杂波图c f a r 有单元平均c a c m 、单元选大g o c m 以及二分层原理及性能。论 述了叠代因子、叠代次数对杂波图检测概率和虚警概率的影响，并就各种情况进 行了具体的比较。 第四章：具体给出了杂波图用f p g a 的实现信号流图，并从工程的角度提出 了应当注意的些问题和解决方法，在文章的最后讨论了脉压后的增益控制图对 脉压的影响。 第：争恒虚警率处理 第二章恒虚警率处理 从本质上讲，雷达信号的检测问题就是对某一坐标位置上目标信号“有”或 “无”的判断问题。最初，这一任务由雷达操纵员根据雷达屏幕上的目标回波信 号进行人工判断来完成。后来，出现了自动检测技术，并从一丌始的固定或半固 定门限检测发展到自适应恒虚警( c o n s t a n tf a l s ea l a r mr a t e ，c f a r ) 检测。c f a r 检测使得雷达在多变的背景信号中能够维持虚警概率的相对稳定，这种虚警概率 的稳定性对于大多数的雷达，如搜索警戒雷达、远程警戒雷达、跟踪雷达、火控 雷达、气象观测雷达等都是至关重要的。因此，c f a r 的检测逐渐已成为现代雷达 的一项标准技术。 2 1 统计检测理论的基本概念 雷达信号的检测i 口- j 题实际上是一个判断h 。( 无目标) 还是h ( 有目标) 的二 元假设检验问题。设接收信号为x ，则该问题可描述如下： 日：j 爿o ，从7 7( 2 一1 ) 【h j ，x 7 7 其中r 为检测门限，它由所采用的检验准则确定。有些时候，雷达信号检测需要考 虑多元假设检验( h 。，h l ，”，m 。) ，但在本文中，我们只考虑二元假设检验。 二元假设检验的基本过程如图2 1 所示。观测源输出的是关于观测对象的客 观存在状态，这一状态对观测者来讲是未知的，它经过由观测过程所决定的一种 概率转换过程，按照某种具有一定随机性的概率映射关系，被转换成观测空间中 的一个观测点。我们需要根据这个观测点，对观测对象的存在状态作出判断，也 就是对观测空i 日j 进行划分。观测空问的划分依据判决规则进行，它取决于所采用 的最优准则。与一般的信号检测类似，雷达信号检测中可以采用b a y e s 、极小极大、 n e y m a n p e a r s o n 等基本准则。 图2 1 元假设检验 2 1 1b a y e s 检测 定义二元假设的两个假设分别为厅。和q ，其先验概率昂和只，石为实际观测 量，对应的条件概率密度为p ( x lh ) ，f - o ，1 。b a y e s 检测是一种最小风险检测，它 使得平均检测代价最小，其平均代价或b a y e s 风险定义为： 6雷达杂波l j lc f a r 算法研究及皋十f p g a 的实现 贸：圭圭c f p ( 日，in ) ：i i 巳，p ( zi ，协 ( 2 2 ) i - oj - oi = oj ；o z 式中c f ，为真而判决为h 。时的代价，乙为对应于，的判决空问。令z 表示整个检 测空间， z = z ou z i ，则上式为： 锨= 昂c o o 【p ( x1 日o + 昂c i o 【，p ( x1 日o ) 出 【n一二n + 只c o i 互。p ( x1 日1 ) 出+ p , c i i 上- z l ip ( xh 1 ) d x = r c l 。+ 鼻c i l ( 2 3 ) + l 只( c o l - c l i ) p ( x i h 。) 一g ( c 1 0 - c o o ) p ( x ih 。) 出 由于只，c 均为已知，则最小风险等价于求上式第三项积分的最小值，它要求 当只( c o i c i i ) p oih i ) 一只( c i o 二气) p ( xh o ) 0 时，x z i 当只( c b i - c i i ) p ( 工ih i ) - g ( c i o c o o ) p ( xlh o ) ，c o l c i ，因此判决规则可表示为： 小，2 黜三怒崭2 叩 ( 2 _ 4 ) a ( x ) 称为似然率，r 为判决门限，因此上式也称为似然率判决( l r t ) 。实际中 常采用其指数形式 h l l o g a ( 工) 三l o g r ( 2 - 5 ) h o 考虑一种特殊情况，正确判决的代价为零，亦c o o = c 。- - 0 ，而错误判决代价为i ， 亦c l 。= c o 。= l ，则判决规则和b a y e s 风险为 日 人( x ) 三e 只o ( 2 6 ) h 9 吼= p o p ( x 慨) d x + 鼻e ，p ( x ih - 协( 2 - 7 ) 这时b a y e s 判决等价为最小错误概率判决。 在雷达信号检测中， - 3 惯上用虚警概率尸，和检测概率只来表示其检测性能 弓= 工p ( x i h 。协( 2 - 8 a ) 第_ 亭恒虚警率处理 易= 王。p ( x h ) a x ( 2 - 8 b ) 代入式( 2 3 ) ，则b a y e s 风险可表示为 孵= e , c o ，( 1 一只) + c 1 1 只】+ ( 1 一e , ) c 0 0 0 一p 厂) + c i o 弓】 ( 2 9 ) 2 1 2 n e y m a n p e a r s o n 检测 在实际应用场合，特别是在雷达信号检测中，不但先验概率未知，而且往往 代价系数也难以确定，这时，以平均代价为设计准则的b a y e s 和极小极大检测都难 以适应。通常用虚警概率只和检测概率来作为雷达检测性能的评价标准，总是 希望只尽量小，p ，尽量大。但这两个r = | 标足矛盾的，冈此将尸，限制在某一水平， 而使得最大，这就是n e y m a n p e a r s o n ( n p ) 准则。 令弓。表示弓的限制值，一尸检测就是在p ，= 只。的条件下，使得只有最大 值，我们定义函数 f = ( 1 一只) + 旯( e 一只o ) ( 2 1 0 ) 式中允为l a g r a n g e 系数，代入p ，和只，得 f 2 上p ( x f h l ) d y + 彳 上p ( z i h o ) d y p r o 】 r ，一11 、 = 旯( 1 一e o ) + 【p ( x lh i ) 一劫( 工ih o ) 出】 一尸检测得目标式使得该函数取最大值，类似于b a y e s 检测， 得似然率检验 协，= 黜i 三元，、10 ，、 m i 它相当于以下 ( 2 - 2 ) 其判决门限等于l a g r a n g e 系数，该系数由下式确定 弓= e p o h o ) d x = p ( ih 。v = p 。( 2 - 1 3 ) n - p 检测具有恒定得判决门限和虚警概率，因此是一种恒虚警检测。但是， 它要求条件概率p ( xfh ) 和p ( x ih 。) 已知。这两个概率与检测环境有关，当环境 发生变化时，检测门限应随之变化，否则虚警概率将会增大，或者检测概率变得 很低。n - p 检测不能适应这种变化的环境，因此并不是真正意义上得恒虚警检测。 在下一节中，我们将介绍恒虚警率处理的检测理论。 霭达杂波m ( ；f a l l ；7 浊川。，c 心1 lj j n c ：j 纯 2 2 恒虚警率处理的基本原理 2 2 1c f a r 处理的概念 雷达信号的恒虚警率( c f a r ) 处理是雷达信号处理的重要内容之一，它在自 动检测中占有不可缺少的重要地位。其性能的好坏直接关系到整部雷达性能的指 标，关系到终端画面。 l 、恒虚警概率处理的必要性 虚警概率是衡量雷达信号检测和处理性能的主要技术指标之一。因此，无论 是自动检测还是在人工操纵，满足虚警概率的指标要求，都是一项重要的任务。 在自动检测中，恒虚警率处理可使终端计算机不致于因干扰太强而过载，从而保 证雷达的j 下常工作：在人工操纵( 如r a g 图) 的过程中，恒虚警率处理能使雷达 达到在强干扰下损失少许检测能力但仍能工作的目的。 高斯噪声通过窄带线性系统后，其包络的概率密度函数服从瑞利分布。对低 分辨率雷达而言，平坦的地面( 如沙漠、草原等) 、低海情下的海浪等杂波，其 包络的概率密度函数也接近瑞利分布。这样，瑞利分柿的杂波经线性包络检波后， 其幅度的概率密度函数仍为瑞利分布，表达式为： f o ( x ) 2 旁e x p ( 一寺) xo(2-14) 其中，x 为杂波的幅度；万为干扰杂波的标准差( 反映杂波强度) ，它是瑞利分布 的参数。 如果检测门限为，则干扰幅度超过门限的概率为： 哆2e 砉唧( 寺 ( 2 _ 1 5 ) = e x 叶吾) 这样，当用固定门限检测时( x o 不变) ，由于干扰强度变化( 万的变化) ， 会引起单多次检测虚警概率的变化。当观测( 扫掠) 次数m - - 1 时，若最初按虚 警概率1 0 呐调整门限，当总的干扰电平( 热噪声和杂波干扰) 增加2 d b 时，便 使虚警概率由1 0 6 增加到1 0 一，即增加1 0 0 倍，这还是单次检测( m = 1 ) 的情 况。若按距离单元多次积累后，虚警概率变化将更大。这是因为积累会使干扰的 起伏得到平滑，从而使干扰电平的变化对虚警概率产生更火的影响。当，z = 1 6 时， 干扰电平增加2 d b ，虚警概率从1 0 娟变成1 0 - 2 l 2 1 。 由此可见，为了维持设备正常工作，通常只允许干扰电平有较小的变化。对 于自动检测系统来说，一般应小于l d b ：而对于用人工观察的显示系统，则应小于 第章恒虚警率处理9 5 d b 。在一般的雷达接收机设备中，实际上内部噪声平均电平的缓慢变化可达几分 贝；地物、云雨等杂波和人为干扰的变化可能高达几十分贝。这都大大超过了允 许的范围，从而使虚警概率在很大的范围内变化。因此，必须采用使虚警概率保 持恒定的措施一恒虚警率处理，以保证设备正常工作1 2 j 。 以上以服从瑞利分布杂波为例，说明了恒虚警率处理的必要性。事实上，对 其他类型的杂波同样也存在着当干扰强度增大，用固定门限检测时，虚警概率显 著增加的问题。所以在干扰环境中，进行信号检测，通常都应进行恒虚警率处理。 2 、恒虚警率处理的质量指标 衡量恒虚警率处理设备的性能，通常是依据如下的两个主要指标： ( 1 ) 恒虚警率性能 恒虚警率性能表明了恒虚警概率处理设备在相应的环境中所能达到的恒虚警 概率情况。这是因为理想的虚警概率处理通常是难以做到的，为此需要讨论实际 设备偏离理想情况的程度一恒虚警率性能。 ( 2 ) 恒虚警率损失 恒虚警处理不能提高信噪比，相反的，在处理过程上，信噪比还会或多或少 地有所损失。通常把这种损失称作恒虚警损失，其定义为：雷达信号经过恒虚警 率处理后，为了达到原信号( 处理前的信号) 的检测能力所需要的信噪比的增加 量。恒虚警率损失也可以用检测能力的降低来说明。显然，损失越小越好。 3 、恒虚警率处理的分类 目前常用的雷达信号虚警概率处理分为两大类，即噪声环境的恒虚警概率处 理( 简称噪声恒虚警) 和杂波环境的恒虚警概率处理( 简称杂波恒虚警) 。噪声 环境的恒虚警概率处理适应于热噪声环境；杂波环境的恒虚警率处理既适应于热 噪声环境，也适应于杂波干扰环境。由于杂波环境的恒虚警率处理存在相对较大 的恒虚警率损失，所以目前的雷达信号恒虚警率处理一般都有两种处理方式，即 相参频率域处理支路和j 下常处理支路，它们根据干扰环境自动转换。这个自动转 换就是由本文讨论的轮廓杂波图来完成的。它可以提供杂波的二分层( i 0 ) 概略 信息，数字l 表示有杂波，用来选择相参支路( 如m t i 或m t d ) 完成杂波环 境c f a r 的输出，数字0 表示无杂波，用来选择正常支路完成噪声环境c f a r 的输出。为了更好的定量的研究杂波图的性质必须讨论一下杂波的模型。 2 2 2 雷达杂波模型 雷达杂波的模型也经历了一个逐步完善的过程。最初的雷达，分辨力不太高， 在这种情况下，一般以高斯模型作为雷达杂波的模型，即认为雷达杂波的幅度服 从瑞利分布，回波的两个j 下交分量服从联合高斯分布。采用高斯模型的物理依据 是：根据中心极限定理，若存在大最的独市的相同散射体，那么，它们的回波棚 1 0 雷达杂波i j 6 lc f a r 算法i j f 究发埔十f p g a 的实现 叠加所得回波服从高斯分布。将雷达杂波模拟为高斯过程，可以导出一个简单的 最佳处理器。j 下因为其操作简单，长期以来这种模型获得了广泛的应用。所以在 高斯杂波背景下雷达目标检测，是被研究得最多的，也是理论上最成熟的。 但是随着雷达技术的不断发展，雷达系统的分辨力也在逐步提高，出现了一 些杂波幅度不是瑞利分布的情形。比如，高分辨力雷达( 脉冲宽度f o 5 z s ) 在 低仰角( 缈 5 。) 时接收到的海杂波，再有无论分辨力高低而工作在低仰角的雷达 接收到的地杂波等。在这些情况下，杂波的统计特性明显偏离瑞利分布特性，主 要表现为比瑞利分布杂波在高幅度端有较大的概率值和有较大的标准差均值比。 这类杂波可以统称为非瑞利杂波或非高斯杂波。 目前，应用较广的非瑞利杂波的幅度概率密度分命主要有三种：对数j 下态、 韦布尔和k 分布。因为牵涉到大量的参数，如频率、脉冲宽度、带宽、极化等， 下面对雷达杂波的模型进行简单的讨论。 杂波干扰的统计特性很复杂，为了采取合理、有效的措施在不同的杂波环境 中获得恒虚警率效果，必须对杂波的统计特性，主要是杂波的幅度统计特性进行 研究。除孤立的建筑物、水塔等可以认为是固定目标( 干扰) 外，绝大多数地物、 海浪杂波都是极为复杂的，它可能既包含有固定的部分又包含有运动的部分，而 每一部分反射回来的回波，其相位和振幅都是随机的。用一个较合理的数学模型 所表示的杂波的幅度的概率分布特性，就是所谓c f a r 处理所面临的杂波环境， 亦即雷达杂波模型。下面给出三种典型的杂波模型。 l 、瑞利分布 在雷达可分辨范围内，当散射体的数目很多的时候，。根据散射体反射信号振幅 和相位的随机特性，一般可认为它们合成的回波包络振幅是服从瑞利分布的。若 以x 表示杂波回波的包络幅度，以万2 表示它的平均功率( 即标准差) ，则z 的概率 密度函数为： 似，= 滓e 繁南 x 0 x 0 ( 2 - 1 6 ) 瑞利分布与每个散射体的振幅分布无关，只要求散射体的数目足够多，并且所有 散射体中没有一个是起主导作用的。 需要说明的是瑞利分布只要代表同一距离单元中杂波从这次扫描的变化规律， 严格地说它不能用来表示同一扫描过程中杂波回波的幅度分布，因为杂波的强度 一般都是随着距离的增大而减弱的。 对低分辨力雷达，当高仰角和平稳环境时，瑞利分布的杂波模型可以得到较为 精确的结果。但是，随着高分辨雷达技术的迅速发展，对海浪、杂波及地物杂波， 瑞利分布模型不再给出令人满意的结果。特别是随着距离分辨力的提高，杂波的 第_ 帮恒虚臀：红处理1 1 分布出现了比瑞利分布更长的“尾巴”，即出现高振幅的概率相当大。因而，如果 对高分辨力雷达继续采用瑞利分布模型，将出现较高且非恒定的虚警概率。 海浪杂波的分布不仅是脉冲宽度的函数，而且也与雷达的极化方式、工作频率、 天线视角以及海浪、风向和风速等因素有关，地物杂波也受到类似因素的影响。 研究表明，对高分辨力雷达一典型参数是波束宽度l o ，脉冲宽度1 5 u s ，在低仰 角或恶劣海情下，海浪杂波已不服从瑞利分布，而通过能用韦命尔分稚来描述。 类似地，地物杂波通常能用对数一正态分布来描述。 2 、对数一正态分布 设x 代表杂波回波的包络振幅，则x 的对数一f 态分布是 m ，= 陋甑p ：- 掣) 工0 ( 2 1 7 ) x 0 ( 2 1 8 ) x 0 其中是分布的中值，它是分布的尺度参数：刀是分布的形状参数，n 的取 值范围一般为0 刀2 。 显然，韦布尔分布比瑞利分布复杂。瑞利分布只有一个表示杂波强度的尺度参 数，在尺度参数一定时，分布函数也就确定了。韦布尔分布像对数一正态分布一 样，也是个双变量分稚函数，除尺度参数外，还有形状参数，只有二者均确定 时，分布函数才能确定。 从雷达信号检测的角度来看，对数一正态杂波为最恶劣的杂波环境，瑞利杂波 1 2 雷达杂波图c f a r 算法研究及璀于f p g a 的实现 代数最简单的杂波环境，而韦向尔杂波则是中间杂波环境，在许多情况下，它是 一种比较合理的杂波分布。此外，由于雷达杂波环境的复杂性和时变随机性，上 面给出的三种杂波模型并不能反映所有的实际杂波特性，如后来提出的k 分布对 描述海杂波甚佳；甚至还有的杂波环境根本就不能用确定的模型予以描述等。 2 3 噪声环境的恒虚警率处理 大家知道，热噪声环境中，由于噪声在窄带线性系统输出端产生的包络的概率 密度函数也服从瑞利分布，如下： 厶= 事e x p ! 一蔷) x 。( 2 _ 1 9 ) 如果按万取归一化，令“= x 6 ，则 五= “e x p ( 一譬) “。 ( 2 _ 2 0 ) 弓2 i ：似u ) d u 5 扣c 一争 ( 2 _ 2 。， ：e x p ( 一錾) 所以c f a r 处理的关键是求出标准差艿，并进行归一化处理。 因为瑞利分布的平均值i = 7 r 2 j ，所以只要求出x 的平均值，就能实现归一 化处理。对噪声取样应在逆程即休止期里进行。假定在每个休止期罩对5 1 2 个距 离单元取样，各取样值依次和一定门限相比较，超过的表示存在虚警，输出为“l 并将它积累下来，如此积累多个扫掠周期。若总的取样单元数为n ，累计所得“l ” 的个数为，那么虚警频率是n ，n 。 当专o o 时，虚警频率就等于虚警概率。根据概率论中贝努利大数定理，加 入容r i ：须经虚警频率n ，与虚警概率尸，之1 1 i j 的麓刷小丁：泸，则满足这事件 的概率为： 怡一弓l 给出了实域的波形，图4 1 1 ( b ) 、( c ) 和( d ) 给出 了仿真结果，从图( c ) 可以看出从完整回波到线性调频信号前3 4 的幅度变为原来 4 6 雷达杂波图c f a r 算法研究及基于f p g a 的实现 的1 2 幅度主瓣减小了5 d b ，而旁瓣从一4 0 d b 变为- 2 6 d b ，增加了1 4 d b ，所以可以 得到由于信号的不完整性，导致主瓣会降低，旁瓣明显的会变高，这样对后端的 信号处理和目标的检测都会带来较大的影响。 扇藏 图4 1 i ( a ) 不同点数的相同幅度 不完整信号的幅度示意图 。 + 一 - 十一+ 一 。 笙三j 三三i ； ：二= 器磋罱弱疆；首， 幅度变为厦来幅度的1 ，2 替薯器2 落磊 挈幅度寰为厦来幅度的坦 卸期 煞4 ” 仞瑚 图4 1 1 ( c ) 不同点数的相同幅度 不完整信号脉压主瓣示意图 点数 图4 1 1 ( b ) 不同点数的相同幅度 不完整信号脉压结果示意图 图4 1 1 ( d ) 不同点数的相同幅度 不完整信号脉压旁瓣示意图 4 5 小结 本章是从实际工程中出发，以某一型号雷达为例，分析了杂波图的硬件实现 方法，并且就杂波图中的动态图、静态图、时间灵敏度控制和增益图进行了说明， 对其信号流图做了具体的介绍。在最后理论上分析了增益控制图对脉压的影响， 得到了响应的结论。 占 加 舾 锄 菩 锄 葛 挪硒 卸 管一捌薯苹班 1 2 3 5 号v捌馨荦，霉 结束语 4 7 结束语 本文是在参与西安电子科技大学雷达信号处理重点实验室承担的项目：3 0 4 a 雷达信号处理机的基础上完成的。从对方案的了解、算法仿真到电路的设计、制 作，直到软件的编程、单机调试和整个系统连调经历了一年半多的时间。通过这 段时i 日j 学习，不仅在理论上得到深化的学习，而且工程上也增加了很多经验，包 括硬件知识及设计和软件设计。学到了丌展科研工作的方法，以及遇到问题后解 决问题的思路和方法得到了很好的锻炼，更重要的是严谨的工作态度和协作的团 队精神。 杂波图作为恒虚警检测的一个重要部分，它在理论的研究还刚开始，本文只 是给出了三种方法一单元平均、单元选大、以及二分层的理论虚警概率和检测概 率的结果，这些都是针对面杂波进行讨论，对于点杂波也有待于更深入的分析。 在硬件方面实现稳定时变的杂波图的建立也是一个难点，杂波图是信号处理器单 元的一部分，雷达监视中对接收到的回波信号须对照杂波图进行效验。采用这种 方法可以大大降低信号和数据处理单元对无用回波的处理量。其基本原理已经比 较成熟，近年来对它的研究主要集中在实际实现方面。因为要得到高质量的和可 控制的杂波图，还有一系列实际问题需要妥善解决，特别是对杂波图得动态刷新 和增益图刷新以完成对接收机的信号进行增益控制这两个问题，这对与提高雷达 信号处理智能控制是有实际意义的，也是现代杂波图研究的趋势。尤其是实现用 于接收机增益控制的增益图，在本文我们着重解决了这个问题，采用了可读可写 存储器和非易失性存储器( n v r a m ) 和现场可编程门阵列器件( f p g a ) 进行读 写数据控制，改变以往的手动控制方法。 随着大规模集成电路的发展与现代雷达的发展趋势，建立稳定的杂波图的研 究愈来愈受到雷达设计工作者的重视，本文仅以作者在产品研制实践过程中所积 累的大量资料为基础，对杂波图技术进行了论述，并且该杂波图已在某新体制雷 达信号处理机得到应用，针对不同新体制的雷达，不同波长以及各种杂波环境下 建立杂波图的许多问题还有待于我们作进一步地研究和探讨。对于孤立点杂波和 稀薄杂波的建图更是一个难点需要我们深入的研究。 4 8 雷达杂波图c f a r 算法m 究及璀十f p g a 的实现 致谢 三年的时光转瞬即逝，我的研究生生活即将结束，至此论文完成之际，我要 真诚的向所有关心和帮助我的老师和同学表示衷心的感谢。 首先，向尊敬的吴顺君教授致以诚挚的感谢和由衷的敬意! 自课题的提出到 现在，吴老师在各方面都给予了大力的支持和帮助。从上研究生以来，无论从做 人还是从学术方面，我从吴老师身上都学到了很多。导师的渊博、勤谨、谦逊和 j 下直的处世作风令人折服；而他渊博的学识、严谨的治学态度、兢兢业业的工作 态度更是给我留下了深刻的印象，所有这些都将鞭策我踏实前行。 衷心地感谢宋万杰高工。从我刚刚接触项目到现在，宋老师一直悉心地指导 我。正是他将对工程外行的我一步一步引入到具体工作中。他经验丰富，工作敬 业，给我极大的帮助的同时也让我看到了一种积极、认真、乐观的工作态度，是 我现在及以后学习、工作的楷模。同时还要感谢罗丰、陶海红、邢孟道等老师给 予的热情的帮助和关心。 感谢吴明宇博士、刘寅博士的指导，正是他们的帮助使我能够较快进入雷达 信号处理的殿掌。他们待人热诚、乐观向上的性格，也为我树立了良好的榜样! 感谢李延飞、陈殿宇、王君、王峰、许宁、王佳苗、张莉、赵冰、杨菊、贺坤、 倪宁、孟海峰、阮锋、李波涛、王华强、赵静等和我朝夕相处的同学，以及师弟 赵永敬、金鹏、王宗谦、袁博、黄芜炯、李受明及师妹张艳艳、吕艳艳等一直以 来的帮助和支持。特别感谢舍友王森根、张鹏、王大海，和她们一起相处了愉快、 充实的三年将会是我一生中最值得回忆的时光之一。 衷心的感谢我的父母和家人，感谢父母对我的养育，以及对我学业的理解、 支持和鼓励，感谢他们为我所付出的一切，对于这份亲情我会永远铭记! 感谢我 的女朋友候颖妮一直以来对我的宽容、理解和支持。 再次向我的导师、老师、同学和父母、亲人以及所有为我的成长付出的人们 表示感谢! 最后感谢参加论文评审和答辩的各位老师对本文的批评和指正。 参考义献4 9 【l 】 【2 】 【6 】 【7 】 8 【9 】 【1 0 】 【1 2 】 【13 】 1 4 】 参考文献 何友，关键，彭应宁雷达自动检测与恒虚警处理清华大学出版社1 9 9 8 ，1 0 。 马晓春，向家彬，朱裕生，秦江敏等编著雷达信号处理湖南科学技术出版 社，1 9 9 9 ：2 0 9 2 3 2 。 丁鹭飞雷达原理西北电讯工程学院出版社，1 9 8 4 王明宇复杂环境下雷达c f a r 检测与分布式雷达c f a r 检测研究西北工业大 学博士论文2 0 0 1 ，7 。 e r n e s tc o n t e c l u t t e r - m a pc f a rd e t e c t i o nf o r r a n g e s p r e a dt a r g e t s i n n o n - g a u s s i a nc l u t t e r p a r t i ：s y s t e md e s i g n i e e et r a n s a c t l 0 n so n a e r o s p a c ea n de l e c t r o n i cs y s t e m s 19 9 7 ，3 3 ( 2 ) 4 3 2 4 4 3 。 m l o p s ，m o r s i n i s c a n b y s c a na v e r a g i n gc f a r 1 e ep r o c e e d i n g s 1 9 8 9 ，1 3 6 ( 6 ) 2 4 9 2 5 4 。 y o u n gk k w a g ，y o u n gc p a r ka n ds u n gc p a r k a d a p t i v ec l u t t e