馮德軍,楊　勇,徐樂濤

(國防科技大學 電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室， 湖南 長沙　410073)

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間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)假目標對CFAR檢測影響分析*

馮德軍,楊勇,徐樂濤

(國防科技大學 電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室， 湖南 長沙410073)

摘要：分析間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)形成的假目標干擾對雷達CFAR檢測的影響和間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)假目標生成機理，給出間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)假目標產(chǎn)生方法。在此基礎(chǔ)上，以雷達一次搜索周期內(nèi)虛警、漏警造成的檢測代價作為檢測性能指標，分別分析單元平均恒虛警檢測器、有序恒虛警檢測器、剔除和平均恒虛警檢測器在間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)假目標干擾下的檢測代價。著重分析間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾關(guān)鍵參數(shù)對檢測代價的影響。仿真結(jié)果表明，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生的多個假目標顯著提高了雷達的檢測代價，檢測代價受轉(zhuǎn)發(fā)占空比、轉(zhuǎn)發(fā)功率的影響較大，而受轉(zhuǎn)發(fā)頻率影響較小。在三種恒虛警檢測器的對比中，剔除和平均恒虛警檢測器相對于另兩種檢測器的檢測代價更大些。

關(guān)鍵詞：間歇采樣；轉(zhuǎn)發(fā)干擾；假目標；恒虛警檢測；檢測代價

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)是一種新型干擾方法，該方法通過對雷達信號進行低速率的間歇采樣處理，巧妙利用對雷達信號的間歇性“欠采樣”處理技術(shù)，可以產(chǎn)生相干假目標束的干擾效果[1]。該方法不但可以明顯改善干擾機的響應(yīng)速度，而且可以采用收發(fā)共置天線工作。此外，由于采用“欠采樣”技術(shù)，該方法對雷達信號的高速采樣要求也將大為降低，可以為后續(xù)的信號處理提供更為靈活的平臺。通過精確的幅度、移頻等調(diào)制方法，可以控制假目標的空間分布、幅度等特性，從而使其具有和真實目標相仿的特性，從而使得雷達難以分辨[2]。當前，已有不少文獻對間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)假目標的產(chǎn)生、特性等方面作了較深入的探討[3]，但它對雷達探測的影響研究尚不多見。

現(xiàn)代雷達系統(tǒng)通常采用恒虛警技術(shù)實現(xiàn)對目標的檢測，它通過估計參考距離單元平均電平來計算檢測門限。當多個目標存在于參考單元內(nèi)時，會使檢測門限提高，導致目標難以檢測。為此，諸多學者提出了一系列恒虛警(Constant False Alarm Rate,CFAR)檢測算法以適應(yīng)多目標干擾環(huán)境[4-6]，如單元平均選大恒虛警檢測(the Greatest Of CFAR, GO-CFAR)、單元平均選小恒虛警檢測(the Smallest Of CFAR, SO-CFAR)、有序恒虛警檢測(Order Statistics CFAR, OS-CFAR)、剔除和平均恒虛警檢測(Censored Mean Level Detector CFAR, CMLD-CFAR)等，并從不同的角度對上述檢測算法在多目標環(huán)境下的檢測性能進行了詳細分析[7-9]。上述算法不同程度地提高了目標檢測概率，具有較強的多目標檢測能力。但另一方面，在有源干擾產(chǎn)生多個假目標且位于參考單元內(nèi)時，會產(chǎn)生兩個主要影響：首先，它提高了對真目標的檢測門限，可能造成漏警；其次，多個假目標的存在可能使得檢測器發(fā)生虛警，這兩個主要影響均會導致檢測代價的顯著提高。間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)具有形成多個假目標的能力，假目標的幅度、分布等特征與間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)鍵參數(shù)密切相關(guān)。以雷達一次搜索周期內(nèi)虛警、漏警所造成的總的檢測代價作為檢測性能指標，考慮到間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)假目標生成的關(guān)鍵影響因素，系統(tǒng)分析了間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)假目標對單元平均恒虛警(Cell Averaging CFAR, CA-CFAR)檢測，OS-CFAR以及CMLD-CFAR檢測的影響，通過仿真得到了若干有實際應(yīng)用價值的結(jié)論。

1間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)假目標的生成

設(shè)間歇采樣信號是一個矩形包絡(luò)脈沖串，其脈寬為τ，重復周期為Ts，記為p(t)，其數(shù)學表達式為

(1)

(2)

其中an=τfsSa(πnfsτ)。特別地，當Ts=2τ時，p(t)變?yōu)榉讲}沖串，式(2)變?yōu)?/p>

(3)

可見p(t)的偶數(shù)次諧波分量為零，奇數(shù)次諧波分量的幅度隨著n增大而遞減。設(shè)雷達發(fā)射信號為x(t)，其時寬為T，帶寬為B，頻譜為X(f)。干擾機收到雷達信號后，對其進行間歇采樣處理，即以p(t)與其做相乘運算，得采樣信號為xs(t)。xs(t)進入雷達的匹配濾波器，輸出記為ys(t)，則

ys(t)=xs(t)×h(t)

(4)

其頻譜為Ys(f)=Xs(f)H(f)，有

(5)

對式(5)作逆傅里葉變換，并記

ysn(t)=F-1[X(f-nfs)X*(f)]

(6)

其中F-1表示逆傅里葉變換，則

(7)

這里ysn(t)是多普勒頻移為fd=nfs的目標回波經(jīng)匹配濾波后的輸出信號，根據(jù)模糊函數(shù)的定義知

ysn(t)=χ(t,-nfs)

(8)

其中χ為模糊函數(shù)運算符。由式(8)可知，ys(t)可看作是大量具有不同多普勒頻移的目標回波經(jīng)匹配濾波后輸出信號的加權(quán)合成。

間歇采樣頻率、被采樣信號的帶寬等決定了所生成的假目標的特性，當采樣頻率遠高于雷達信號帶寬時，此時間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號經(jīng)過雷達匹配濾波后，其輸出波形與目標回波信號的脈壓輸出完全相同，僅在幅度上相差一個常數(shù)。這意味著，當干擾機對雷達信號的采樣頻率超過其信號帶寬時，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾將表現(xiàn)為一個假目標回波的欺騙效果，即輸出為

exp(jπ[-ξn(T-t)])

(9)

2CFAR檢測代價

(10)

其中N為參考單元數(shù)。

CFAR檢測參考單元示意圖如圖1所示。多假目標等間隔的分布在以真目標為中心的N+1個距離單元內(nèi)，CFAR檢測器依次對這N+1個距離門進行檢測，最后統(tǒng)計N+1個距離單元的檢測結(jié)果造成的檢測代價。

圖1　CFAR檢測參考單元示意圖Fig.1　Sketch map of reference cells of CFAR detection

CFAR檢測器檢測門限由虛警概率和背景噪聲分布共同決定。假定雷達接收機I，Q通道的噪聲均為高斯白噪聲，經(jīng)平方律檢波后參考距離單元內(nèi)背景噪聲服從指數(shù)分布，CFAR檢測門限可表示為[10]

T=-PNlnPfa

(11)

其中，PN為參考距離單元的噪聲平均功率，Pfa為虛警概率。對參考距離單元的噪聲平均功率進行估計時，不同的CFAR檢測器估計方法不同。CA-CFAR檢測器采用參考單元功率平均的方法來估計背景噪聲平均功率，OS-CFAR檢測器先對各距離單元背景噪聲功率排序，然后選取序列中第k個值作為背景噪聲平均功率，CMLD-CFAR檢測器則是先剔除若干個大功率后，對剩余參考單元功率的平均值來估計背景噪聲平均功率。

3間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾關(guān)鍵參數(shù)對CFAR檢測的影響分析

3.1仿真參數(shù)設(shè)置

針對CA-CFAR，OS-CFAR，CMLD-CFAR三種恒虛警檢測器，通過仿真對假目標的影響進行具體分析。仿真參數(shù)設(shè)定如下：干擾機需要保護的目標RCS為1 m2，雷達天線增益為55 dB，峰值功率1 MW，雷達損耗6 dB, 噪聲系數(shù)3 dB,采用線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation,LFM)信號，帶寬為5 MHz，脈寬50 μs，干擾機與雷達相距50 km,干擾方式為自衛(wèi)式干擾，干擾機天線增益20 dB，轉(zhuǎn)發(fā)延遲為2 μs，占空比為50%，采樣周期為4 μs。經(jīng)計算可知，在干擾機發(fā)射功率為12.6 MW的情況下，可以使得0階假目標與真實目標幅度一致。經(jīng)歸一化，獲得的目標回波、干擾回波及兩者相疊加后的總的回波如圖2所示。

(a) 目標信號匹配濾波輸出結(jié)果(a) Result of target signal after matched filtering

(b)干擾信號匹配輸出結(jié)果(b) Result of jamming signal after matched filtering

(c) 信號疊加后輸出結(jié)果(c) Result of signal after superposing圖2　經(jīng)過脈沖壓縮后的目標信號和干擾信號Fig.2　Target signal and jamming signal after matched filtering

從圖2不難看出，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾所生成的假目標低階分量具有很好的逼真度，通過幅度和位置控制，可以使得真假目標參差分布，從而增加了CFAR檢測器的檢測代價。

3.2轉(zhuǎn)發(fā)頻率對檢測代價的影響分析

根據(jù)間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)的基本原理可知，其關(guān)鍵參數(shù)包括轉(zhuǎn)發(fā)頻率、占空比及轉(zhuǎn)發(fā)的功率。下面首先分析轉(zhuǎn)發(fā)頻率的影響。采用蒙特卡洛仿真對檢測結(jié)果統(tǒng)計區(qū)域做CA-CFAR檢測，次數(shù)為1000次，虛警概率為10-6，參考單元數(shù)為32。在信噪比分別為10 dB，20 dB時，三種檢測器在不同轉(zhuǎn)發(fā)頻率情形下的檢測代價如圖3所示。

(a)轉(zhuǎn)發(fā)頻率對檢測代價的影響(信噪比10 dB)(a) Influence of repeating frequency on detection cost(SNR=10 dB)

(b)轉(zhuǎn)發(fā)頻率對檢測代價的影響(信噪比20 dB)(b) Influence of repeating frequency on detection cost(SNR=20 dB)圖3　轉(zhuǎn)發(fā)頻率對檢測代價的影響Fig.3　Influence of repeating frequency on detection cost

從圖3可以得到幾個明顯的結(jié)論。第一，檢測代價受轉(zhuǎn)發(fā)頻率的影響不明顯。由間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)的原理可知，轉(zhuǎn)發(fā)頻率主要影響假目標的空間分布，而對影響檢測代價較大的假目標數(shù)目及相對幅度并無影響，故檢測代價隨轉(zhuǎn)發(fā)頻率的改變較小。第二，同等情況下，信噪比較高時，檢測代價反而更高。仔細分析可知，信噪比較高時，相對噪聲基底更低，檢測門限相對較低，因而有更多的高階假目標被檢測為真目標，提高了檢測代價。第三，三種檢測器中，CMLD-CFAR相對另兩種檢測器具有更高的檢測代價。由CMLD-CFAR原理可知，相對OS-CFAR，CMLD-CFAR剔除了若干個大功率噪聲信號，因而噪聲門限更低，有更多的間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)假目標超過檢測門限，由此帶來了更高的檢測代價。

3.3占空比對檢測代價的影響分析

占空比是間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾的另一個重要參數(shù)，它影響假目標的絕對幅度以及各階假目標之間相對幅度。通常來說，占空比越高，低階假目標在干擾總能量中所占的比例越大，產(chǎn)生3～5個較強的假目標；占空比越低，高階假目標和低階假目標的能量差別越小，體現(xiàn)為一大批幅度近似的密集假目標，而它們之間的距離由轉(zhuǎn)發(fā)頻率控制。圖4畫出了不同占空比情形下的假目標幅度和空間分布細節(jié)。仿真參數(shù)同前，在設(shè)定的信噪比條件下，占空比與檢測代價、檢測門限的關(guān)系曲線如圖5所示。

(a)占空比5%,干擾機功率1.26 W(a) Duty ratios is 5% and power of jammer is 1.26 W

(b)占空比40%,干擾機功率0.02 W(b) Duty ratios is 40% and power of jammer is 0.02 W圖4　不同占空比及干擾功率下的假目標結(jié)構(gòu)細節(jié)Fig.4　Configuration of false target in different duty ratios and power

從圖5中可得到幾個有價值的結(jié)論。首先是占空比與檢測門限呈現(xiàn)一種正比關(guān)系，即三種恒虛警算法的檢測門限均隨占空比的提高而提高。仔細分析可知，占空比較低時，高階和低階假目標的幅度差別較小，較多的高階假目標被認為是基低噪聲，從而提高了檢測門限的閾值。第二個結(jié)論是間歇采樣占空比與檢測代價之間存在著較弱的互相關(guān)性。當占空比較高時，高階假目標相對幅度變小，具有較大幅度的假目標數(shù)目變少，從而呈現(xiàn)出一定的互相關(guān)性。需要指出的是，占空比的影響與轉(zhuǎn)發(fā)功率有較強的關(guān)聯(lián)性，下面進行進一步的分析。

(a)占空比對檢測代價的影響(信噪比20 dB)(a) Influence of jammer duty ratios on detection cost(SNR=20 dB)

(b)占空比對檢測門限的影響(信噪比20 dB)(b) Influence of jammer duty ratios on detection threshold(SNR=20 dB)圖5　占空比對檢測代價與檢測門限的影響Fig.5　Influence of jammer duty ratios on detection cost and detection threshold

3.4轉(zhuǎn)發(fā)功率對檢測代價的影響分析

轉(zhuǎn)發(fā)功率是有源干擾最重要的參數(shù)之一，通常來說，壓制式干擾所需的功率較大，而欺騙式干擾所需的功率較小，轉(zhuǎn)發(fā)功率與檢測代價之間也存在著一定的正比關(guān)系，圖6畫出了OS-CFAR與CMLD-CFAR兩種檢測器檢測代價與轉(zhuǎn)發(fā)功率之間的關(guān)系。

從圖6可以看出，隨著干擾功率的增大，檢測代價會有較顯著的增長，在干擾功率相同的情況下，OS-CFAR相比CMLD-CFAR，檢測代價更低些。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在干擾功率較大的時候，檢測代價與占空比之間存在著一定的負相關(guān)關(guān)系。仔細分析可知，要功率較大且占空比較低時，間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)形成的假目標較密，類似于密集多假目標干擾，此時對雷達檢測具有壓制效果，大量的假目標提高了檢測代價。隨著占空比的提高，假目標數(shù)目減少，體現(xiàn)為少數(shù)的較強假目標，此時干擾對雷達檢測具有壓制效果和欺騙效果。在干擾功率較小時，占空比對檢測代價的影響較小。因此，從提高干擾效率的角度而言，如果要實現(xiàn)密集假目標干擾，在保證干擾功率的情況下，可以減小轉(zhuǎn)發(fā)干擾的占空比；如果要用較少的假目標實現(xiàn)欺騙干擾，則可減小干擾功率，增大占空比。

(a) CMLD-CFAR檢測器的轉(zhuǎn)發(fā)功率對檢測代價的影響(a) Influence of CMLD-CFAR jammer power on detection cost

(b) OS-CFAR檢測器的轉(zhuǎn)發(fā)功率對檢測代價的影響(b) Influence of OS-CFAR jammer power on detection cost圖6　轉(zhuǎn)發(fā)功率對檢測代價的影響Fig.6　Influence of jammer power on detection cost

4結(jié)論

間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾是一種新型的干擾樣式，它兼具欺騙性和壓制性，對雷達目標檢測構(gòu)成了極大威脅。從間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)假目標產(chǎn)生機理出發(fā)，以雷達搜索周期內(nèi)的檢測代價作為雷達檢測性能指標，分析間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)鍵參數(shù)對CA-CFAR，OS-CFAR，CMLD-CFAR檢測的影響?？偟膩碚f，雷達檢測代價受干擾轉(zhuǎn)發(fā)功率、占空比、轉(zhuǎn)發(fā)頻率等多個因素的影響。受功率與占空比的影響較明顯，受轉(zhuǎn)發(fā)頻率的影響較小。就檢測器而言，在一次搜索周期內(nèi)，CMLD-CFAR檢測器相比于OS-CFAR，CA-CFAR檢測器的檢測代價更大。所得到的這些結(jié)論對于間歇采樣轉(zhuǎn)發(fā)干擾樣式的應(yīng)用、優(yōu)化和參數(shù)選擇具有十分重要的參考價值。

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Impact analysis of CFAR detection for active decoy using interrupted-sampling repeater

FENGDejun,YANGYong,XULetao

(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information System,National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：The impact of ISRJ (Interrupted-Sampling Repeater Jamming) on radar constant false alarm rate detection and the generation principle of false target using ISRJ were analyzed, and then generation methods of false targets jamming were given. On this basis, the detection cost caused by the false alarm and false dismissal in a search period of radar was chosen as the criteria of detection performance. The detection costs of CA-CFAR, OS-CFAR, CMLD-CFAR detectors for active decoy using IRSJ were analyzed, especially the influence of key factors of ISRJ on detection costs. Simulation result shows that the detection costs will increase remarkably for the active decoy from IRSJ and it is sensitive to the jammer power and duty ratios, but have little relationship to the repeating frequency. Among the three detectors, the detection costs of radar CMLD-CFAR detectors are higher than those of the OS-CFAR and the CA-CFAR.

Key words：interrupted-sampling; repeater jamming; active decoy; constant false alarm rate detection; detection cost

中圖分類號：TN95

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)01-063-06

作者簡介：馮德軍(1972—)，男，湖南湘潭人，副研究員，博士，碩士生導師，E-mail:fdj117@163.com

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61372170)

*收稿日期：2015-01-28

doi:10.11887/j.cn.201601011

http://journal.nudt.edu.cn