无线电引信频域恒虚警率目标检测算法

石润龙,刘 斌,2,周军伟

(1.中国空空导弹研究院,河南洛阳 471009;2.西北工业大学电子信息学院,陕西西安 710072)

0 引言

CFAR(Constant False Alarm Rate恒虚警率)算法是在未知噪声和干扰功率背景下保持虚警概率恒定的目标检测方法。信号的虚警概率保持恒定主要是因为在信号检测中,信号的最佳检测通常采用奈曼-皮尔逊准则,即在保持恒定的虚警概率的条件下使正确检测的概率达到最大值[1]。信号的恒虚警率算法是无线电引信中信号处理的核心算法之一。

根据对杂波的敏感程度可以将CFAR分为参量型和非参量型[2]。非参量型CFAR通过对大量杂波采样和信号加杂波采样之间的比较统计来确定目标是否存在。典型的参量型CFAR假设雷达接收信号中只有高斯噪声或均匀的高斯分布杂波,经窄带滤波后服从瑞利分布。针对这种均匀的高斯环境已经形成了一套相对成熟的CFAR检测理论与方法,先后有CA(单元平均)-CFAR和OS(统计排序)-CFAR[3]。

为了防御巡航导弹等小目标精确制导武器,许多国家经过大量研究认为:提高战斗机在防御巡航导弹中的作用,由携带空空导弹的战斗机对来袭的巡航导弹进行攻击[4]。然而,对于空空导弹引信信号处理系统,由于巡航导弹等小目标武器回波能量较小,采用时域上设置绝对门限的目标检测方式将使虚警率提高或者很难检测到目标存在。因此,国外空空导弹无线电引信已经采用了数字化的目标检测方法,如美国的AIM-120及其改进型。国内在无线电引信数字化目标检测方面也已经进行了大量的研究。文章根据CA-CFAR检测理论以及PD雷达频谱特性,提出了无线电引信频域恒虚警率目标检测算法。

1 无线电引信频域恒虚警率目标检测算法

根据参量型CFAR目标检测算法理论,假定背景杂波水平服从瑞利分布,其概率密度服从如下分布:

那么当绝对门限为V T时,虚警概率如下:

如果绝对门限V T固定,随着干扰强度的增加,虚警概率将增加;反之将下降,即虚警概率将随着干扰强度的变化而变化。然而,对雷达等无线电设备来说,不仅有接收机内部热噪声形成的干扰,而且还有地物、云雨雪、海浪等形成的杂波干扰,以及敌人施放的有源和无源干扰,这些干扰通常都很强,而且随着时间和地点的变化而变化。在自动检测器中,对于一定的检测门限,如果噪声干扰的强度增大几分贝,虚警概率就会大大增加,甚至使数据处理机过载。显然,在这种情况下,即使信噪比很大,也无法正确检测到信号。为了正确的检测信号,总是希望无论干扰电平如何变化,检测系统的虚警概率最好能维持恒定不变,即使变化,也希望很小。

对于背景噪声的估计,因为在真实环境中,绝大多数的地杂波、海杂波以及气象杂波等都是合成杂波,其回波性质比较复杂。在雷达的分辨单元内,雷达接收的回波是大量独立单元反射的合成,它们之间具有相对运动,其合成回波具有随机的性质。若合成杂波具有平均速度,则其谱线不仅展宽,而且还将有相应的多普勒频移。杂波的频谱特性和杂波性质、环境等均有关系。

根据式(2),定义V0=VT/σ,则式(2)简化为

所以当虚警概率P fa一定时,

这里我们把σ乘在检测门限上,使门限随着干扰强度的变化而自适应的变化,形成所谓的自适应门限。

门限阈值VT=V0σ

瑞利分布的数学期望

所以门限阈值为:

随着背景杂波的强度变化而变化,是一个自适应动态门限,门限系数为:

在PD雷达场合,多普勒频移是由雷达及反射雷达无线电波的目标之间的相对运动产生的。当雷达与目标之间的距离不断缩短,则电磁波被压缩,即它的波长变短频率提高;反之当雷达与目标之间的距离不断增加,则电磁波被展宽,即波长变长,频率减小。

式中,ε为导弹与目标的相对运动速度方向与目标方向间的夹角,vIR为导弹与目标的相对运动速度,λ为发射信号波长。当目标背离导弹运动时多普勒频率为负值,当目标向导弹运动时多普勒频率为正值[5]。

当导弹与目标的相对速度不同时,频域变换之后多普勒频率不同,可以将不同的目标与杂波区分开[6]。目标回波的多普勒频谱特性如图1。

图1 多普勒回波频谱特性Fig.1 The spectrum characteristic of Doppler echo

因此,根据无线电引信发射接收目标回波的特点以及近场区的目标散射特性,频域CFAR目标检测算法通过对回波信号作时频域变换,在频域上,以频率为单元对当前检测与历史平均检测作比较来检测目标存在。算法如图2所示。

图2 恒虚警算法示意图Fig.2 Sketch map of CFAR algorithm

引信接收到的主通道多普勒回波信号采样之后,首先根据弹载计算机给出的弹目速度信息,运用多普勒频率公式(9)求出cosε=1时对应的多普勒频率的最大值,根据频率分辨率求出需要检测的谱线数目N。

以每2M个点做FFT,得到对应不同时刻引信接收到的目标回波频域特性。频域变换后结果显示不同频率Ni所对应的幅度信息,确定本次FFT变换结果作为待检测单元,间隔m次,对其前n次频域变换结果不同频率N i处所对应的幅度加和求平均,乘以相应的门限系数K作为动态自适应门限。与待检测单元对应频率处的幅值进行相应比较,设定一定的判据,认为有连续i点(根据频谱带宽确定)过门限即认为目标存在。

虚警算法流程如图3所示。

图3 虚警算法流程图Fig.3 Flow chart of CFAR algorithm

2 以FPGA+DSP搭建的频域恒虚警率目标检测平台

为了满足引信的实时信号处理要求,以FPGA+DSP的硬件结构作为频域恒虚警率目标检测平台。低层的信号处理算法主要是作信号时域到频域的FFT变换,处理的数据量大、处理速度要求高,但运算结构相对比较简单,适用于FPGA硬件实现。高层处理算法主要完成频域CFAR处理,特点是所处理的数据量较低层算法少,但算法的控制结构复杂,适于用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的DSP芯片来实现。这样能同时兼顾速度与灵活性的要求。

引信目标回波给出主通道与背景通道两路多普勒回波信号,系统采用时域与频域两路判决门限相结合的方式进行目标检测。

对主通道与背景通道分别经过时域的有效值计算,通过有效值比较确定一路时域判决门限。频域的处理,首先需要对输入信号进行调理,然后进行AD采样,根据目标信号多普勒回波频率范围以及信号处理的频率分辨率要求确定AD采样频率,进行信号的采样。接着,将采样数据输入FPGA单元,进行FFT变换,完成数据的时域到频域的转换。最后,将FFT处理之后的频域数据输入DSP单元,根据CFAR目标检测算法完成频域的目标检测。

系统硬件框架如图4所示[7]。

图4 系统硬件框架Fig.4 Framework of system hardware

3 半实物仿真试验验证

按照系统方案,完成了FPGA+DSP的硬件信号处理平台开发。根据恒虚警率目标检测算法,分别以Altera公司的QuartusⅡ软件和TI公司的集成开发环境CCS3.3(Code Composer Studio)软件为平台,完成了FPGA与DSP硬件程序设计。

运行硬件信号处理平台,输入目标回波试验信号,对算法进行半实物仿真验证,记录各检测信号以及信号处理电路运行结果。

列举一组回波幅度较弱的弹道数据,通过示波器观察试验仿真结果,目标回波及最终炸点输出如图5所示。

图5 目标回波及炸点输出结果Fig.5 Result of target eco&burst point

图中,一通道代表目标回波信号,二通道代表CFAR处理周期,三通道代表炸点输出信号。可以看出,这组目标回波信号非常小,如果采用时域目标检测方法,将很难检测到目标存在。而采用了频域目标检测算法能够较好地检测到目标存在。

引信具有实时性要求高的特点,因此,对系统的运行时间作进一步的分析,以验证炸点延时能否满足引信实时性的要求。系统算法运行时间主要包括AD采样、FFT计算、DSP与 FPGA之间的通信,CFAR处理。

系统AD采样频率 1 MHz,作256点 FFT,所以采样256点数据需要耗时256μs。

系统在FPGA中完成FFT计算,FPGA时钟频率40 MHz,采用基-4方法作256点FFT变换需要耗时40μs。

系统在DSP中完成恒虚警处理,DSP时钟频率80 MHz,恒虚警处理算法耗时在100μs以内。

系统运行的时序关系如图6所示。

FPGA每间隔256μs输出给DSP的一个中断信号如Ch1所示;DSP接收到中断信号以后开始从FPGA读数据,需要时间22μs,如Ch2所示;DSP将数据读完以后开始进行CFAR判断,在100μs以内,如Ch3所示。

图6 系统时序图Fig.6 Order chart of system

所以,系统总的最大延时为256+40+22+100=418μs,能够满足引信的实时性要求。

4 结论

针对无线电引信近场区探测的特点,根据CACFAR检测理论以及PD雷达频谱特性,提出了频域CFAR目标检测算法。通过硬件信号处理平台,对目标回波试验数据进行半实物仿真验证,结果表明:论文采用的目标检测算法可以较好地检测到小目标信号,且满足引信的实时性要求。

[1]Antonik P,Bowles B.Intelligent use of CFAR algorithms[R].US:AD-A267755,1993.

[2]Eaves J L,Reedv E K.Principle of modern radar[M].New York:Van Nostrld Reinhold Company,1987.

[3]RoHling H.Radar CFAR thresh holding in clutter and multiple target situation[J].IEEE Transon AES,1983,19(3):608-621.

[4]赵江,许世录.反巡航导弹的现状与发展趋势[J].飞航导弹,2005(5):52-55.

[5]毛士艺,张瑞生,许伟武.脉冲多普勒雷达[M].北京:国防工业出版社,1990.

[6]向敬成,张明友.雷达系统[M].成都:电子科技大学出版社,1997.

[7]汤辉,王小远,吴莹.基于软件无线电技术的数字化引信研究[J].制导与引信,2006,27(1):30-33.TANG Hui,WANG Xiaoyuan,WU Ying.The research of digital fuze based on software radio technique[J].Guidence&Fuze,2006,27(1):30-33.