针对雷达恒虚警处理的相干干扰效果研究

针对雷达恒虚警处理的相干干扰效果研究

熊, 鑫，贾 ,乾，路 ,琪

(空军预警学院雷达士官学校，武汉，430019)

摘要：本文基于恒虚警CFAR检测器的滑窗结构，利用相干干扰中的间歇采样重复转发干扰可以对生成的干扰信号数量、幅度和分布进行控制的特点，形成有针对性的多假目标干扰，从对抗的角度出发，针对多种恒虚警处理方法进行干扰效果测试，利用检测概率和CFAR损失定量分析干扰效果，为雷达对抗策略的制定和干扰效果研究提供依据。

关键词：雷达对抗；相干干扰；恒虚警；检测概率；CFAR损失

目前，雷达信号处理中较为经典的CFAR检测是均值类CFAR检测方法，最典型的代表是单元平均CA-CFAR，但其在面临多目标环境时，检测性能下降明显。作为CA的修正方案，最小选择SO-CFAR被提出，具有一定的多目标分辨能力。特别的有，有序统计量(ordered statistics)类OS-CFAR检测方法，它对参考样本幅值按照大小排列后取第k个样本值作为杂波功率水平估计值。当前，文献[1-3]对上述三类CFAR在干扰条件下的CFAR检测代价已有较深入的研究，但CFAR处理要面对的环境复杂多变，上述三类检测方法的参数有部分是提前设定好的，例如排序所需要确定的代表序值和删除点数，在多目标干扰情况下无法保证检测性能。为了提高抗干扰能力，在有关干扰目标数量的先验信息未知的前提下，一类自适应于干扰数量和分布情况的检测器被提出了。文献[4]提出了广义删除均值(generalised censored mean-level detector，GCMLD)类CFAR检测器，它不需要干扰目标数量这一先验信息，并且多目标背景下的检测能力要明显优于CA类，能够自动判断干扰目标数量，不足之处在于，当干扰目标只落入单侧滑窗中时，检测性能会降低[5]，为此，SCMLD-CFAR方法[6]将GCMLD-CFAR在前后滑窗分别进行的删除过程融为一体，在不改变算法的前提下简化了判决过程，缩短了排序时间。

为了模拟对抗环境，本文利用属于相干干扰的间歇采样重复转发干扰构造有针对性(数量、幅度和分布可控)的干扰信号，针对上述各类恒虚警处理手段进行干扰测试，利用检测概率和CFAR损失定量分析研究干扰效果。

1 间歇采样重复转发干扰

1.1 原理简析

间歇采样重复转发干扰信号是结合“欠采样”的原理对截获的LFM信号进行较低速率的有停顿的周期性采样，产生原理如图1所示，每采样一次，都会将所采样到的LFM信号进行多次重复转发，结合脉压雷达匹配滤波技术，形成与真实目标相似的密集目标串，达到降低雷达检测性能的目的。LFM信号脉宽，采样周期，转发脉宽，采样脉宽。

图1间歇采样重复转发干扰信号产生原理

如图所示，在采样1之后，有对采样1进行的3次转发，分别为1-1、1-2和1-3。后面第二次，第三次依次类推。值得说明的是，每次转发都相对于上一次转发有一个延时，在(均匀)重复转发中，转发脉宽采样脉宽。间歇采样重复转发干扰的控制参数主要包括采样周期和转发脉宽，如果采样信号在一个干扰重复周期(采样周期)内能够转发的次数为，则。

1.2 特点归纳

以下通过仿真讨论归纳采样周期、采样时间和占空比对干扰脉压输出结果的影响。

设置截获的LFM信号参数取为：信号脉宽T=100μs，调制带宽B=5MHz，信号采样频率，每个脉冲的采样点数，JSR=10dB。令原LFM信号幅度为1，控制参数采样周期，转发占空比分别为1/4和1/8，即和。讨论转发占空比对干扰信号产生情况的影响，为便于分析，所有仿真中将转发干扰信号的脉压结果都相对LFM信号的脉压结果做了归一化处理，如图2(a)和(b)所示。

(a)                           (b)

图2脉压结果对比

由图(a)和(b)对比分析可知：当采样周期相同时，占空比越小，转发干扰信号脉压输出所产生的每个干扰信号串中包含的假目标数量越多，具体假目标数量，当占空比分别为0.25和0.125，即转发脉宽分别为和时，M分别等于7和3，且干扰信号主峰(距离目标最近的干扰信号串)距离真实目标的距离也为和；随着占空比的增加，即转发脉宽由变为时，干扰信号主峰幅度值也变为原来的两倍，说明干扰信号幅度值与占空比和转发脉宽有关。令采样(转发)脉宽，采样周期别为和时，讨论转发脉宽一定时，占空比对干扰信号情况的影响（此处省略效果图）。此时脉宽相同但是主峰幅度不同，占空比分别为0.25和0.2，幅度之比也接近0.25/0.2=1.25。又令占空比为0.25，采样周期为，得出主峰幅度只受占空比影响。

总结：①产生的干扰信号串中各尖峰的数量M可控，并且；②产生的干扰信号串主峰与真实目标距离为转发脉宽，且各尖峰间距也为；③产生的干扰信号幅度值与占空比呈正相关；④特别的有产生的干扰信号串之间的距离与采样周期呈负相关。

2 针对性的干扰信号设计与生成

本节针对恒虚警检测的基本原理，基于以上分析的间歇采样重复转发干扰的特点，设计有针对性的干扰信号。

2.1 需求分析

如图3所示为CFAR检测器滑窗结构，它普遍存在于各类恒虚警检测的基本结构中。

图3  CFAR滑窗数据检测结构

对于CFAR检测器，一般由检测滑窗和相应的算法组成。滑窗由待检测单元(目标所在单元)、保护单元和参考单元组成，前后滑窗单元数量(分别为n)根据情况而定。在接收并进行信号处理时，滑窗中每个单元都将对应一个雷达信号回波数据采样点，通过对参考单元中的数据采样幅度值进行一定方式(不同的算法)的筛选运算，将运算后的结果作为目标所在环境的杂波功率水平估计值Z，再将Z与标称因子T相乘，即得到该检测单元对应的门限值S=TZ，故而在每一个检测单元(单元幅度值D)都会形成一个门限S，与D进行比较，若D≥S，则判定检测到目标，否则，判定为该点处无目标。在滑窗之内一旦出现干扰目标，就会以不同程度增加杂波功率水平估计值，从而使门限值增加，导致检测概率的降低。由于滑窗内的数据都是采样信号(数字信号)，并不能完全反映真实情况，并且噪声幅度都是随机变化的，所以采用蒙特卡洛法来计算特定SNR下的检测概率。为了降低雷达目标检测概率，达到干扰有效的目的，设计的干扰信号出现的位置、幅度、数量以及分布情况都要满足一定的标准。

2.2 干扰设计

本文仿真都以参考滑窗长度2n=16、虚警概率的CFAR检测器为对象进行干扰测试，假设噪声和杂波服从零均值、方差为1的高斯分布(经脉冲压缩后)，蒙特卡洛(Monte-Carlo)统计次数104。目标LFM信号参数为，目标距离15km(时域上对应处)，信号幅度为1，脉宽T=100μs，调制带宽B=5MHz，信号采样频率。为了方便反映干扰效果和对比分析，增加一个距离为22.5km的参考目标。将针对CA-CFAR检测器的干扰信号数据送入相对应的检测器，同时利用SCMLD-CFAR来对比验证干扰效果。

要想使干扰信号出现真实目标所在前后滑窗范围之内，就相当于干扰信号距离真实目标之间的时间长度。通过前文分析知，对CA-CFAR而言，只要有干扰信号存在于滑窗中，就能够有效影响目标检测，干扰主峰距离目标信号距离为转发脉宽，因，在占空比时，采样周期需要满足时才能满足。故令控制参数=1.6μs、、干信比JSR=5dB，产生的转发干扰信号脉压结果记为。

3 干扰结果与分析

将分别送入CA和SCMLD-CFAR检测器中，利用蒙特卡洛法，令信噪比取值为1至30dB，在每个取值上进行104次检测单元幅度值D与门限值S的比较，每有一次D>S，检测次数加1，最后分别统计出两种检测器在干扰时的检测概率，为了便于定量地衡量干扰效果，还加入了无干扰时二者的性能和最优检测器性能比较，如图4所示。

图4  下CA-CFAR和SCMLD-CFAR性能对比

横向直线代表，从上往下，依次为最优检测器[7]性能、CA-CFAR和SCMLD-CFAR在均匀背景下(干扰数量)的性能、SCMLD-CFAR在干扰情况下的性能和CA-CFAR在干扰情况下的性能。其中CA-CFAR和SCMLD-CFAR在无干扰时的性能几乎相同(性能曲线重合)，最优检测器在时，检测概率。

不难看出，CA-CFAR的无论如何都无法达到0.1，说明干扰对CA-CFAR的干扰效果十分好，使其完全丧失了工作能力(这里规定时失去工作能力)。并且SCMLD-CFAR在均匀背景下的检测性能达到了CA-CFAR的标准，说明SCMLD-CFAR在无干扰时的性能相当可观。即使在干扰的影响下，检测性能也没有下降太多。

利用检测概率和CFAR损失来定量评估干扰效果。CFAR损失是指，和理论上最优的检测器相比较，CFAR检测器能够达到相同检测概率和虚警概率时所需要提高的信噪比。其定义为，在CFAR检测器的检测概率时，对应的信噪比(SNR)和最优检测器相比较的差值。

1)检测概率下降。无干扰且信噪比为为18.25dB时，二者检测概率；干扰下，，。说明干扰进入SCMLD-CFAR处理模块使其检测概率下降0.09，而使CA-CFAR模块下降0.8，对CA-CFAR影响很大，对SCMLD-CFAR影响较小。

2)CFAR损失。无干扰且检测概率为0.5时，CA-CFAR的信噪比(SNR)与SCMLD-CFAR的SNR相同，，CFAR损失为1.3。在干扰下，，SCMLD-CFAR的CFAR损失为3.6，相比于无干扰，干扰使SCMLD-CFAR的增加了2.3，而SNR，使CA-CFAR的增加了。说明SCMLD-CFAR在干扰下能保持较好的检测概率，但代价是对滑窗外的干扰信号滤除能力的降低。

4结论

1)在战场环境中，不同类型的雷达的信号处理方式往往不尽相同，对干扰方而言，应对不同型号的雷达时应该实施何种干扰，尤为重要，明确干扰样式和信号处理手段(CFAR检测)对电子对抗双方而言都具有举足轻重的地位。针对不同的CFAR处理方式进行干扰设计和干扰效果研究，可为干扰方提供有效的干扰策略，夺取电磁主动权。。

2)仿真结果表明，SCMLD-CFAR检测器自适应能力较强，能自动判定干扰数量，从而有效避免其影响，抗干扰能力相比于传统CA-CFAR有较大提升。下一步将持续从对抗的角度出发，以自适应恒虚警处理为基础，研究多干扰样式对自适应恒虚警的干扰。

参考文献：

[1]  冯德军, 杨勇, 等. 间歇采样转发假目标对CFAR检测影响分析[J]. 国防科技大学学报, 2016, 38(1): 63-68.

[2]  柳向, 李东生, 刘庆林, 等. 基于OS-CFAR的LFM脉压雷达多假目标干扰分析[J]. 系统工程与电子技术, 2017, 39(7): 1486-1492.

[3]  宋鲲鹏,冯德军,刘源. 间歇采样重复转发对雷达恒虚警检测性能的影响分析[J]. 航天电子对抗, 2019(2):38-43.

[4]  Barkat M,Himonas S D. CFAR detection for multiple target situations[J]. IEE Proc.-F, 1989,136(5): 193-209.

[5]  何友,关键,孟祥伟.雷达目标检测与恒虚警处理[M].北京:清华大学出版社,2011:38.57.122-123.

[6]  熊鑫,余国文等. 一种抗多假目标干扰的自适应恒虚警检测方法[J]. 空军预警学院学报, 2018. 6.

[7]  邹成晓,张海霞,程玉堃. 雷达恒虚警率检测算法综述[J]. 雷达与对抗, 2021.6(2):29-33.

第一作者情况：熊鑫，硕士研究生，讲师，雷达对抗专业，空军预警学院雷达士官学校，1994.01。