地面探测雷达目标干扰问题的研究

　　摘  要： 讨论了主目标距离与干扰目标截面积之间的关系，结合工程实际应用，建立了干扰目标与主目标截面积比值，即主目标距离的数学模型。解决了主目标在不同距离时干扰程度的问题，并进行了仿真实验与结果分析。

　　噪声与杂波是雷达工作的固有环境，地面探测雷达要求在复杂的杂波与噪声背景下，保持恒定的虚警概率完成对动目标的自动检测，现代动目标检测(MTD)雷达大部分都采用参考单元(距离维)、恒虚警率(CFAR)处理技术来实现[1-2]。在大多数的应用场合下，由于CFAR在参考单元滑窗统计噪声时不可避免地存在杂波边缘与多目标干扰，尤其是近距离目标干扰，从而导致CFAR性能严重下降，甚至主目标被“遮挡”。

　　目前已经有大量文献[3-4]对CFAR技术在多(大)目标干扰环境下的检测性能进行了分析，并且得出CFAR技术在多目标环境中检测性能变差的结论；也有文献[5]对当CFAR技术失效时的干扰程度进行了一定的研究，但该文献[5]涉及的是一种理想状态，是基于各参考单元干扰目标的回波幅度一致的基础上进行的讨论，没有考虑因距离不同而引起的干扰强度的差异，因此只适用于主目标处于较远距离时刻。

　　本文就CA-CFAR和最小选择(SO)CFAR两种经典处理方法，结合实际工程应用，对目标干扰模型进行了数学推导与建模。给出了在雷达探测范围内，主目标被“遮挡”时干扰目标有效反射面积与距离之间的函数关系式，并对该数学推导模型进行了仿真验证。

1 CFAR技术介绍

　　CFAR检测器的结构框图如图1所示。输入的数据通过相参积累(FIR或FFT)处理后，为了减少系统损失提高多目标的发现概率，通常对各频道号信号分别做CFAR处理，图1描述的就是某一频道号进行滤波的结构框图。为了防止主目标信号泄露，通常在主目标前后相邻参考单元不参与噪声估计，图中Z1与Z2分别为主目标的前后m个单元的杂波噪声平均值，函数f(Z1、Z2)是对Z1、Z2进行进一步处理(求平均或选大或选小等)，完成杂波噪声估值。

　　本文主要讨论主目标被其他大目标“遮挡”的问题，越靠近雷达的目标对主目标干扰程度越严重。所以主目标的前沿参考窗影响更为严重，而且参考单元中第一个参考单元的干扰目标影响最大，特别是在近距离处，雷达回波的信噪比很高，并且常常采用STC(灵敏度时间控制)来满足A/D采样动态以及收发机的动态要求，这样近距离噪声将非常小。因此为了简化计算以及便于仿真，故选择干扰最严重的情况进行讨论，即假设某相同频道号的干扰目标都集中在最靠近雷达的参考单元内，并且假设参考单元内的噪声与D比值为零，则式(5)可简化为：

3 计算机仿真实验与分析

　　针对数学模型进行计算机仿真试验及分析，由于该数学模型是基于地面探测雷达工程实现过程推导，因此在仿真试验中对某些参数做如下假设：杂波和噪声的幅度为瑞利分布，雷达动目标检测的虚警概率P_fas=10^-6，脉冲宽度为0.2 μs，参考单元数m依次取值为8、16和32三种参数，近距离盲区参数k取5。

　　图2所示为基于CA-CFAR处理方法的干扰模型，Δδ为干扰目标与主目标的截面积比值，R为主目标所处距离。当主目标在某一距离时，干扰目标比主目标至少大多少时可能“遮挡”主目标。图中目标的干扰情况在近距离表现得更为复杂，刚开始干扰目标要比主目标大很多(m=32时，Δδ大约为20  dB)才可能导致主目标被“遮挡”。随着距离的增加，两者截面积比值?驻?滓曲线也在不断下降，此时主目标变得很容易被“遮挡”(m=32时，Δδ最小将近-25 dB)。由于该距离段比较短，当距离达到150(m+k+1)τ时，干扰程度逐渐减弱，截面积比值Δδ曲线快速上升。图中可以看出，在近距离干扰最严重的距离段，一个小目标就可能导致雷达“漏警”。

　　图3所示为SO-CFAR处理模型时截面积比值Δδ与距离R的关系曲线图，从图中可以看出，随着距离增加，曲线呈下降趋势，到几公里后曲线趋于稳定，此时由于距离的差异而产生的的影响不大。

　　由图2、图3可以看出SO-CFAR模型比CA-CFAR模型的抗干扰能力更强(特别是近距离)，这也与众多的文献[7]研究结果相同。参考单元较多时，对于噪声功率估计更稳定，而且抗干扰能力较强，但是所涉及的距离越长越可能引入更多的干扰目标，同时参考单元越多所涉及的硬件开销越大。因此在工程应用中要综合考虑参考单元的数目。图2中也容易看出CA-CFAR处理方法，主目标在2 km以内很容易被干扰目标“遮挡”，由于式(2)中回波功率正比于目标有效截面积(Pr∝δ)，因此可参考图2曲线，在原有的STC电路上，精心设计其控制曲线来降低近距离目标被干扰的可能性，提高目标的发现概率。

　　本文不仅从理论上，更侧重的是从工程实现的角度对问题进行建模、分析，结合CA-CFAR与SO-CFAR处理技术，针对地面探测脉冲雷达进行研究，分析了目标距离与干扰目标之间的关系，并且进行仿真实验及结果分析，对从事雷达总体设计以及信号处理的研究起到一定的借鉴意义，也为雷达整机野外调试实验起到一些指导作用。

参考文献

　　[1] 刘敬兴.地面探测脉冲压缩雷达的动目标检测[J].电子技术应用，2010，36(1)：132-135.

　　[2] 马晓岩，向家彬.雷达信号处理[M].长沙：湖南科学技术出版社，1998.

　　[3] MASHADEM B.M-sweeps detection analysis of cell-averaging CFAR processors in multiple-target situations[J].IEE proc.-F， 1994， 141(2)： 103-108.

　　[4] HUSSAINI E K， MASHADE M B.Performance of cell-averaging CFAR and order-statisticsdetectors processing correlated sweeps for multiple interfering targets[J]. Signal Processing， 1996， 49(1)：111-118.

　　[5] 杜朋飞，张祥军.单元平均恒虚警率检测中的一个新结论[J].现代雷达，2007，29(2)：60-62.

　　[6] 郭仕剑，王宝顺.MATLAB7.X数字信号处理[M].北京：人民邮电出版社，2006.

　　[7] 陈那.信号测试、处理与系统控制分析技术使用全书[M].北京：清华大学出版社，2005.