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雷达信号检测与实现.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《雷达信号检测与实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含西安电子科技大学硕士学位论文雷达信号检测与实现姓名:朱凯然申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:赵永波摘要雷达信号检测技术是现代雷达信号处符等。

西安电子科技大学硕士学位论文雷达信号检测与实现姓名:朱凯然申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:赵永波摘要雷达信号检测技术是现代雷达信号处理领域内热点问题之一它的好坏直接影响到雷达的检测性能。文中首先在雷达信号检测的经典理论(其中包括非起伏目标在噪声中的检测、脉冲积累、起伏目标的检测以及相关性信号的检测)的基础上详细推导了起伏目标检测概率计算方法据此仿真比较了起伏目标在进行非相参脉冲积累时的检测性能。其次介绍了杂波背景模型、均值类检测器和OS.CFAR检测器。杂波背景模型包括均匀杂波、杂波边缘和多目标环境。均值类检测器有单元平均(CACFAR)、单元平均选大(GOCFAR)、单元平均选d、(SO.CFAR)等仿真了在不同背景环境中均值类CFAR检测器的检测性能。最后介绍了基于ADSP.TSl的高速数字信号处理机并讨论了某脉冲多普勒雷达中动目标检测系统具体的工程实现。关键词:雷达信号检测恒虚警ADSPTSlAbstractThetechniqueofradarsignaldetectionwhichisoneofthemostimportantpartsofmodemradarsignalprocessingdirectlyinfluencestheperformanceofradardetectionFirstly,classicaltheoryofradarsignaldetectionisintroducedinthispaper.Nonfluctuatingtargetdetectioninthepresenceofnoisepulseintegrationdetectionoffluctuatingtargetsanddetectionofcorrelatingtargetsalereferredto.Theprobabilityofdetectioncalculationforfluctuatingtargetsisdeductedindetail.Accordingtothemathematicalformulationstheperformanceofthefluctuatingtargetsundernon.coherentintegrationissimulatedandcompared.Secondly,somebackgroundmodelsfamiliarmean.eveltypeCFARprocessorsandSCFARprocessorareintroduced.Backgroundmodelsconsistofhomogeneousbackgroundregionsofclutterpowertransitionandmultipletargetsituations.MeanleveltypeCFARprocessorsincludecell.averagingCFARdetector,greatestofCFARdetector,smallestofCFARdetectoretc..Theperformanceoftheseprocessorsissimulatedunderdifferentbackground.FinallyahighspeeddigitalsignalprocessorbasedonADSPTSisintroducedandtheengineeringimplementationofthedetectionsystemformovingtargetsinaPulseDopplerRadarisdiscussed.Keyword:RadarSignalDetectionCFARADSPTSl西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德本人声明所呈交的论文是我个人芷导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含力获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我~同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意o’申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切的法律责任。本人签名:西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章~律署名单位为西安电子科技大学。本人签名:导师签名:日期:幽主簋。曰IEI期:亟三望!垒:f旦第一章绪论第一章绪论弟一早珀I匕.论文产生的背景与意义雷达的基本功能是发现目标并测定其坐标。通常它是通过向空间发射某种特定的信号然后接收并处理目标的回波信号来实现的。雷达信号处理的首要目的就是通过对接收信号的加工消除或降低各种各样的干扰、噪声及由这些干扰、噪声引起的不确定性以便于提取所需要信息和提高信息的质量。雷达信号处理主要围绕对目标信号的变换、检测、跟踪、识别以及威胁判断等问题而进行其中对日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。从本质上来讲雷达信号的检测即是对某一距离单元上的目标回波信号进行“有”或“无”的判断。早期的雷达系统把所有接收到的信息直接送到视频显示器杂波、噪声和目标回波的幅度变化被同时显示出来目标的检测能力由操作手决定难以实现目标检测的实时性和准确性。具有自动检测和跟踪能力的智能化的雷达是现代雷达的发展趋势【J【J【Jo自动检测处理的目的是在感兴趣的识别单元(特别是距离一角度一多普勒频率单元)中自动检测目标回波自动检测手段给雷达系统提供了强大的数据处理能力。自动检测系统在所选择的距离.角度一多普勒频率单元处将数字匹配滤波器的输出与自动描述噪声背景杂波和干扰变化实时产生的门限值进行比较并获得具有恒定虚警率的自动目标检测。对于最优雷达接收问题自上世纪年代初开始已由Marcum和Swerling完成了对它的严格分析。早期的工作集中在确知恒定的白高斯噪声背景中对非起伏的或Swerling起伏目标的单脉冲或非相干脉冲串的最优检测。除单脉冲线性检波器以外多脉冲线性和平方率检波以及双门限检测也是重要的检测方法。多脉冲线性检波是每个脉冲形成的包络函数的直接和平方率检波是每个脉冲形成的包络平方的直接和。实践证明多脉冲平方率检波器在对具有小信噪比的非起伏或Swerling起伏窄带非相干脉冲串进行检测时可近似为最优的贝叶斯或奈曼.皮尔逊检测器。多脉冲线性检波器在对具有大的信噪比的非起伏窄带非相干脉冲串具有良好的检波性能。对单脉冲进行检测时线性和平方率检波具有相同的检测性能。并且在对非起伏或Swerling起伏目标进行多脉冲检测时线性和平方率检波性能差别不大大约只有.dB。雷达信号检测与实现多脉冲积累后可以有效提高信噪比从而改善雷达的检测能力。积累可以分为相参积累和非相参积累若将N个等幅相参中频脉冲信号进行相参积累可以使信噪比提高为原来的N倍若N个等幅脉冲非相参积累时信噪比的改善在N和Ⅳ之间。虽然非相参积累的效果不如相参积累但在许多场合还是采用它【|丌。Sweding总结了目标回波信号有两种起伏类型即一种是天线一次扫描期间回波起伏是完全相关的而扫描至扫描间完全不相关即所谓的慢起伏目标另一种是快起伏目标它们的回波起伏在脉冲与脉冲间是完全不相关的。对起伏目标只假设回波采样是脉冲间完全相关或不相关是不实际的。目标回波采样在脉冲间~般是部分相关的目标回波采样的脉冲间相关性增强会使起伏损失增加。相关情况下为了达到规定的检测概率所需要的信噪比较大j。在自动检测雷达系统中恒虚警率(CFARconstantfalsealarmrate)处理是一个提供检测阈值的数字信号处理算法。信号的恒虚警检测可以看作是信号检测与估计相结合的一种实际应用。在本文中结合实际的雷达信号处理工程的实现讨论了均值类CFAR和OSCFAR在不同背景杂波环境下的检测性能。众所周知信号检测是在干扰背景下进行的在雷达系统中这些干扰不仅有系统噪声而且还有诸如云雨、海浪、大片森林、起伏的山丘、建筑物等反射的回波以及敌方施放的无源和有源干扰等。这些回波进入接收系统都会对信号产生干扰我们统称之为杂波干扰。根据人们对干扰数学模型的掌握程度实现信号的恒虚警检测大致可以分为三种方法若已知杂波干扰的数学模型则采用参量CFAR处理若杂波干扰的分布是未知的或时变的则采用非参量CFAR处理若对干扰的统计特性部分已知的则可以采用一种所谓稳健CFAR处理。本文主要讨论了参量CFAR检测器。参量CFAR检测器的结构不仅与杂波的统计特性有关而且由于目标的散射截面积并不是恒定值是随姿态的变化而起伏的因此CFAR检测器还与目标的起伏特性有关。雷达信号恒虚警检测就是要求虚警概率保持恒定这主要是因为在雷达信号检测中信号的最佳检测通常采用奈曼.皮尔逊准则即在给定信噪比条件下满足一定虚警概率时的发现概率最大。在雷达信号的检测过程中如果虚警目标太多。势必影响正常目标的检测保持雷达信号的恒虚警率检测可以有效地解决这个问题所以恒虚警率检测具有很大的现实意义。但是在雷达信号检测中由于各种干扰强度是随机的如果采用固定门限将难以保证信号的恒虚警率检测。因此如何在各种起伏干扰背景下使雷达信号检测的虚警概率保持恒定值一直就是人们所关注的热点。系统仿真是一门伴随着科学技术特别是电子数字计算机发展起来的新兴技术它推动了很多学科的发展。在世纪年代以后世界上某些国家就已经第一章绪论开始利用仿真技术对雷达系统进行研究和设计。雷达仿真技术在雷达系统的研制中有着非常重要的地位在雷达系统的研制与开发中利用仿真技术可以确定系统的设计方案:对给定的雷达系统进行性能评估寻求更好的信号处理技术等等都可以通过仿真得到验证。它对推动雷达技术发展起到重要的作用。本文仿真了Swerling起伏目标模型在脉冲积累时的检测性能目标回波的相关性对检测性能的影响均值类CFAR和OSCFAR在不同杂波背景下的检测性能等。随着现代微电子技术的飞速发展数字信号处理器的处理速度在不断地提高芯片的内存也在不断增大这为高速实时信号处理提供了良好的基础同时也极大地推动了自动检测技术的进步尤其是通用DSP的出现。通用DSP的运算和处理是基于软件实现的兼容性好速度快可根据实际选用定点或浮点运算具有较强的扩展能力易于构建高速度、高精度、大动态范围、高数据吞吐量的信号处理并行系统正是雷达信号处理实现的理想硬件选择。采用通用DSP实现信号处理机可以使雷达信号处理的实现更侧重于软件编程从而极大地提高系统设计的灵活性兼容性并缩短研发周期。当新体制和新的信号处理技术出现时可以采用软件更新的方式替代旧的软件系统。本文采用ADSPTigerSHARC系列的TSl高性能DSP芯片构建成高速并行实时信号处理系统该硬件系统具有一定通用性可用于线性调频信号、非线性调频信号和编码信号的脉冲压缩MTD、恒虚警率检测等实现了硬件软件化。.论文内容安排本文结合作者参与的项目对脉冲多普勒雷达系统中信号检测技术进行了研究。分析了目标起伏对检测性能的影响多脉冲信号进行相参积累和非相参积累时对检测性能的影响信号的相关性对脉冲积累的影响以及对信号检测概率的累积进行了分析。仿真了均值类恒虚警在不同杂波环境下的检测性能和OS.CFAR检测器的检测性能。介绍了本雷达信号处理机的主要处理流程包括多补偿支路脉压、MTD以及CFAR算法在基于DSP的高速实时信号处理板上的工程实现。主要内容安排如下:第二章描述了雷达信号检测的经典理论包括雷达回波基本模型与目标回波起伏特性根据建立的基本回波模型重点推导了虚警概率和Swerling目标模型的检测概率解析表达式并仿真分析了高斯噪声背景下Swerling型脉冲积累对检测性能的改善回波信号相关性对检测性能的影响以及检测概率的累积。第三章分析了均值类恒虚警在不同杂波背景下的检测方案如单元平均(CA.CFAR)、单元平均选大(GOCFAR)、单元平均选小(SO.CFAR)等对它雷达信号检测与实现们在不同杂波背景环境下的检测性能做了仿真比较。最后简要介绍了统计排序(OS.CFAR)以及其它CFAR检测方法。第四章介绍了雷达信号检测在通用信号处理板上的工程实现过程讨论了基于ADSPTSl的高速数字信号处理系统的设计多普勒频率补偿脉冲压缩、多普勒滤波器组、恒虚警检测和多补偿支路融合在DSP上的设计与实现。第二章雷达信号检测经典理论第二章雷达信号检测理论.引言最简单的检测问题就是在噪声环境下确定感兴趣的信号是否存在还是只有噪声。在某一观测时间stf内观测某一辨识单元得到接收信号v(f.)。雷达自动检测问题就是研究从观测v(f)中判断真实雷达目标散射信号是否存在于该识别单元的最优判决准则。在包络检波后带有门限判决的雷达接收机简化框图.。如图.所示输入信号是由雷达回波信号s(f)和均值为方差为沙的高斯白噪声以(f)构成。假定输入噪声和信号在空间上是不连续和不相关的。图.包络检波后带有门限判决的雷达接收机简化框图带通滤波器的输出是信号v(f)可以表示为:V)=vI(t)coscootvQ(t)sinoDot=r(t)cos(coot一妒O”()坼(‘)=(f)cos(.)vQ(t)=r(t)sinq)(t)此处‰=r厶是雷达的工作频率r(f)是v(f)的包络相位妒(f)=atan(vQ/vJ)下标IQ分别表示同相分量和正交分量。当r(f)超过门限值碍时就意味着检测到目标了这基于如下假设检验:s(f)玎(f)>巧发现雅(f)>巧虚警存在目标时判为无目标这是错误的判断称为漏报。不存在目标时判为无目标称为正确不发现。雷达信号的检测性能由其发现概率昂和虚警概率p向来描述在一定的虚警概率下发现概率愈大说明发现目标的可能性就愈大则其检测性能就愈好。带通滤波器的输出是复随机变量它是由单独噪声或噪声加目标回波(正弦波形的幅值为A)组成的。在只含有噪声的情况下:旦雷达信号检测与实现二二二~~v()=力(f)场(f)=nQ(t)()在噪声加目标回波的情况下:u(f)=An(t)=r(t)cos口o(t)jnz(t)=r(t)cos口o(t)A()vQ(t)=nQ(t)=r(t)sin々o(t)式()中噪声正交分量嘞()和%()是非相关的低通高斯噪声均值为方差为沙。则一(f)he(t)的联合概率密度函数(PDF)为:地砌=专eXp(一挚:专e醑五型Q与)随机变量.(f)和伊(f)分别表示V(f)的模值和相位随机变量(f)和妒(r)的联合概率密度函数可以通过式(.)雅可比变换得到:f(r彩=f(nl%)il(.)其中=钆Or魄Ora够%a缈呻sin们I()rcos(pj式()就是雅可比行列式lJI=.(f)将方程式()和方程式(.)代入式(.)整理可得:竹初寿唧c一挚唧c华对式()中的积分可得.的PDF加)了竹力=旁e坤(一一rA芴j.唧(专羚妒式()中积分部分就是著名的零阶一类修正贝塞尔函数厶(夕)=磊fexp(pc。s)d二万:那么.(.)(.)(.)(.)缈伊Sl.ⅡCS.。.。.......L|I第二章雷达信号检测经典理论m)=歹rJ。rAexp(一等()这就是莱斯概率密度函数。如果彳/杪=即只有噪声的情况下式()就变成了瑞利概率密度函数:m)寺exp(争协”)厂(.)=)()沙。沙‘同样当/沙很大时式()就变成了均值为A方差为少的高斯概率密度函数:竹)丽exp(肇(同样对式(.)中的.进行积分可以得到的概率密度函数:厂(咖=j厂(r)ar()将式(.)代入式(.)积分得:伽=去唧c等器e醑等F学协此处的F(x)为八力』古Z.:‘彪蟛(.)m~在只有噪声的情况下即A=时式()可以整理成在区间{ozg}的均匀分布。F(x)的近似函数:删小b瓦赢去P。气删(郴)当x为负值时F(一曲=l一(x(.).虚警概率和发现概率虚警是指没有信号而仅有噪声时噪声电平超过门限值被误认为信号的事件噪声过门限的概率称为虚警概率。显然虚警概率直接和噪声统计特性、噪声电平以及检测门限的大小有关。对式(.)的积分可得吃=骖)expc一矿r(%)’()雷达信号检测与实现巧=(.)虚警时间是虚假回波(噪声包络超过门限)之间的平均时间间隔它与虚警概率之间的关系如下:%=k/易()其中o表示噪声脉冲的平均宽度或噪声包络实际超过门限的总时间。因为噪声脉冲的平均宽度‰近似为带宽B的倒数则将式()代入式()得:%一万‘叫~拶vr’()由于虚警概率圪是噪声脉冲在脉冲宽度间隔时间内超过门限的概率故实际雷达所需要的虚警概率应该是很小的。有时还可用虚警总数"来表征虚警的大小其定义式为栉:竺()栉=二它表示在平均虚警时间内所有可能出现的虚警总数。式(.)中的f为脉冲宽度。若将f等效为噪声的平均宽度时式(.)化为”:互:堡:一()jt{随‰式(.)可以说明:虚警总数就是虚警概率的倒数。发现概率就是信号加噪声的包络()超过门限电平的概率其定义式为易《c》时等办c鳓如果假设雷达信号是幅度为A的正弦信号那么信号的功率为若SNR=A/t(单脉冲信噪比)(巧/缈)=In(/%)那么式(.)可以整理成分一yryrA恻一等办仫式()所示的积分比较复杂计算时需要采用数值技术或级数近似的方法下面列举三种近似算法【)马克姆(Marcum)Q函数(.)第二章雷达信号检测经典理论其中马克姆Q函数是Q【口p且‰(口f)P一‘<口mdf())F(x)函数近似法易F(兰一c其中式()给出F(x)。)North近似昂地xe咖(再一~ISNR.)其中补充错误函数是州z)一砉P。咖’O..O.口.Q篓.露越..O。.O不同虚警率下发现概率Pd与非起伏目标单脉冲SNR的关系/¥fle//争././efi!|争l|If{}’||yi.I!|/~。。‘.’/////|/’}///.//j./。/一一一一。I单脉冲信噪比SNR(dB)(.)(.)(.)图.非起伏目标单脉冲信噪比对应下的发现概率多虚警率由图.可以看出在相同的发现概率下随着虚警概率的要求越高所需要的单脉冲信噪比就越大。在相同的单脉冲信噪比下发现概率随着虚警概率要求的提高而增加。.脉冲积累由脉冲重复频率为Z(Hz)雷达天线波束宽度为吃(度)扫描速率为每秒晓的扫描雷达接收到的来自一点的目标回波脉冲数为雷达信号检测与实现行:盟(一..)n=LZ幺收到的脉冲数rl通常叫做“每次扫描的脉冲数’’通过累加单次扫描期间的目标回波脉冲数雷达的敏感度(或者说是所获的信噪比)会随之增加。由式()可知回波脉冲数取决于天线的扫描速率和雷达的脉冲重复频率(PRF)。以远程地基对空监视雷达为例脉冲重复频率Hz波束宽度.度天线扫描速率为度/秒将其代入式()得到每次扫描n=个脉冲。对来自目标的所有有用的雷达回波累加的过程叫做雷达脉冲积累。脉冲积累可以在包络检波前完成称为相参(相干)积累或检波前积累相参积累要求保留接收脉冲之间的相位关系那么对信号的幅值积累也就完成了。另外包络检波后的脉冲积累称为非相参积累或检波后积累pJ。雷达设计者在使用脉冲积累的时候应该注意第一在对目标进行单次扫描时目标不会总是处于雷达波束的中心(比如说获得最大的增益)实际上在对目标进行单次扫描时目标会第一次进入天线dB波束宽度获得最大增益最后会离开天线dB波束宽度。那么尽管目标RCS是恒定的但目标回波也不会有相同的幅值这就是天线波束形状的损失。如图.中假定有n个脉冲被积累所有脉冲具有最大天线增益G虚线表示具有最大增益的个脉冲实曲线是天线主波束方向图G(秒)除位于波束中心的脉冲以外照射目标的实际脉冲增益小于最大值【l】。朴脉冲的位置./\\图.波束形状损耗特性其它因素会进一步导致回波脉冲的幅度变动包括目标的RCS和传播路径的波动。另外当相对于回波信号的往返时间而言天线的扫描足够快时就会由于目标方向的天线增益在发射和接收时可能不一样而引入额外损失项这可以称之为扫描损失。转动天线的扫描损失项和相控阵天线的扫描损失项是有差别的【。最后因为相参积累利用所有积累脉冲的相位信息故在脉冲积累时要求信号间有严格的相位关系。因此必需对信号的属性(如目标的距离、目标的速第二章雷达信号检测经典理论度、RCS波动等)有一个估计或者准确的计算那样相参积累才有意义。当使用非相参积累时对目标属性的了解就变得没有那么重要了但是对目标的距离比率必须有一个估计从而避免距离走动就是在单次扫描内目标跨越到临近的距离单元。..相参积累相参积累在检波前就将脉冲串的能量集中起来可以减少检波过程中小信号的损失。相参积累的最佳检测系统如图.所示。一七丑tj句叫j::二图.所示相参积累的最佳检测系统是在检波前完成积累而在检波后进行门限判决。只是因为在实际中碰到的相参积累脉冲串脉冲之间的高频相位具有确定的关系因而可以利用相位关系实现相参积累但脉冲串的初相往往是未知的因此判决应该在包络后进行检波。若使用理想的积累器将露。个等幅中频脉冲信号进行相参积累可以使信噪比(S帅提高为原来的职。倍。这是因为相邻周期的中频回波信号按严格的相位关系同相相加因此积累相加的结果信号电压可提高为原来的力。倍相应的功率提高为原来的刀:倍而噪声是随机的相邻Z的噪声满足统计独立条件积累的效果是平均功率相加而使总噪声功率提高为原来的刀。倍从而相参积累的结果可以使输出信噪比(功率)改善甩。倍。相参积累的改善性能的具体推导如下第m个雷达回波信号包含信号和噪声。ym(t)=s(f)‰(f)()式()中的s(t)是雷达回波信号‰(f)是白色不相关噪声拧口个脉冲相参积累得砸=去耄舭=耄扣M阳耄}协z(f)中总的噪声功率就等于方差具体如下‰=El(耄去‰。(喜去吩。.()疗=乏T差E帆珞.(f肛专蠹呢%=去屿c钟)雷达信号检测与实现式(.)中的砣是单脉冲噪声功率当l时瓯为当m=z时氏为。由式(.)和式(.)可以看出经过相参积累后的信号功率没有变化但噪声的功率减少为原来的/n。。那么经过相参积累的信嗓比就提高为原来的刀。倍。这个结论和参考文献I】一样。假设要达到相同的发现概率单脉冲信号需要的信噪比记为(SNR)。玎个脉冲相参积累后所需要的信噪比记为(SNR)。那么它们之间的关系是(SNe)。.=二(姗)l()’刀p鉴于相参积累对雷达的收发系统有严格的相参性要求雷达系统在搜索模式下不会采用脉冲相参积累因为目标的微小变动都将明显地破坏相邻回波信号的相位相参性。因此即便是在雷达收发系统相参性很好的条件下起伏回波也很难获得理想的相参积累。..非相参积累非相参积累是在包络检波后对脉冲进行积累也称检波后积累或视频积累。如图.所示雷达接收机使用平方率检波器和非相参积累的简单框图。纛星别匹墨盖篝器雷Ir刊平方率检波器囊蠹iFx(Dll:i广叫门限判决器图.平方率检波和非相参积累框图信号r(t)的PDF(概率密度函数)由式(.)给出。定义新的无量纲变量儿:虼=量()同时定义孵p=等.SNR()新的变量下的PDF为地M阱此厶同州一华协)平方率检波器输出第个脉冲与其输入有平方的关系在经过式(.)变换变量后就与变量%成正比。那么为方便起见定义一个新的变量%它与%的关系是晶:i%(.)第二章雷达信号检测经典理论平方率检波器输出矗的PDF是M叫%)剖一(电峨/)纵厕()%个脉冲非相参积累开口z=毛因为随机变量矗都是相互独立的那么变量z的PDF为/(z)=厂(x)o厂(x)o/(~)将式(.)代入式(.)整理得(.)(.)m=zl。"Wexp(一丢%弧pn(厄两)(鳓式()中的t一是~一阶修正贝塞尔函数。因此对厂(z)进行从检测门限到无穷的积分就可以得到发现概率。令孵p为零然后对PDF进行从检测门限到无穷的积分就可以得到虚警概率。但是不容易解决上面两个积分式所以经常用数字的方法生成发现概率表。..检波器检波器是雷达接收机的一部分用来从载波提取调制信息判断有无信号。它从IF放大器延伸到视频放大器的输出端因而不只是整流元件。常规脉冲雷达使用包络检波器它提取幅度调制并且抑制载波。通过消除载波只传输包络包络检波器丢掉相位信息。MTI雷达使用相位检波器提取相对于相干基准信号相位的雷达回波相位。在跟踪雷达中使用相敏检波器提取角度信息。较常用的检波器有线性检波器、平方率检波器和对数检波器。如果输入和输出信号间的关系对正电压信号是线性的对负电压输入信号是零则这种检波器称为线性检波器。当输出是输入正电压的平方时则检波器叫平方率检波器。如果接收机的输出与输入包络的对数成正比则称为对数检波器。在实际应用中线性检波器通常比平方率检波器有更大的动态范围不易引起失真因而较平方率检波器常用。另一方面平方率检波器比线性检波器容易分析故许多分析假定检波器具有平方率特性。在进行非相参积累时线性检波器和平方率检波器性能的理论差别不大。马库斯已经证明单个脉冲(不积累)的信号发现概率与检波器无关。图.对线性检波和平方检波进行了分析。雷达信号检测与实现发现概率Pd与洲酬in目标单脉冲sN只的关系O图.线性检波与平方率检波Swerlin在脉冲非相参积累时的区别图.所示为目标回波起伏为施威林(Swerling)///型单脉冲先经过线性检波器或平方率检波器再进行多脉冲非相参积累的检测性能曲线。从图.中可看到虚警率为e.脉冲积累数为lO且发现概率晶都为O.时线性检波下所需信噪比为.dB平方率检波下所需信噪比为.dB它们之间相差...=.dB。从而可以得出在非相参积累时线性检波器和平方率检波器的检测性能差别不大(.dB)的结论这与参考文献J【j的结论一致。.起伏目标的检测到目前为止以上讨论的都是针对恒定RCS(即非起伏目标)的发现概率的计算。最早由马克姆(Marcum)来分析的。施威林在马克姆的工作基础上扩展并提出了四种目标反射截面不同变化的情况这就是目前仍然常用的施威林(Swerling)模型。它们就是施威林(Swerling)模型、施威林(Swerling)口模型、施威林(Sweding)III模型、施威林(Swerling)/V模型。由马克姆分析的恒定RCS情况也常被归为施威林(Swerling)模型或施威林(Swerling)V模型【。目标起伏降低了发现概率或者说减少了信噪比(SNR)。施威林(Swerling)I模型目标回波的振幅在任意一次扫描期间都是恒定的(或者说完全相关的)但是从一次扫描到下一次扫描是独立的(不相关的)为慢起伏它服从自由度为的Chi.square(kai.方分布)概率密度函数。施威林(Swerling)//模型目标回波的振幅在脉冲与脉冲之间是独立不相关的为快起伏它也服从自由度为的Chi.square概率密度函数。施威林(Swerling)///模型的起伏情况与施威林(Swerling)I模型的很相似.=II川J罟”帖“姑pd辞鼙赛越第二章雷达信号检测经典理论它服从自由度为的Chi.square概率密度函数。施威林(Swerling)模型目标回波在脉冲与脉冲之间是独立不相关的它服从自由度为的Chi.square概率密度函数。第一、二类情况截面积的概率分布适合于复杂目标是由大量近似相等单元散射体组成的情况。第三、四类情况截面积的概率分布适合于目标具有一个较大反射体和许多小反射体合成或者一个大的反射体在方位上有小的变化的情况。非相参积累可以适用于所有的四种情况但是当目标起伏类型是施威林(Swerling)口模型或施威林(Swerling)模型时相参积累不适用。这是因为目标回波的振幅在脉冲与脉冲之间是独立不相关的(即是快起伏的)那样相位的一致性就难以保持。在某些应用中N自由度的z分布是一个较好的模型。z分布的概率密度函数为他=赤(爿~唧(一爿c删协)式()中的仃是截面积起伏的平均值。当N=I时式(.)变成jr(仃)=当cXpf一竺l(仃o)(.)式()就是瑞利分布的PDF施威林(Swerling)模型和施威林(Swerling)口模型的目标截面积的PDF均服从于瑞利分布。当N=时得到施威林(Swefling)模型和施威林(Swerling)V模型的目标截面积的PDF厂(力:i"eXpf垒、(盯o)盯、、盯/起伏目标发现概率的计算方法与式(.)相类似只不过要条件概率的PDFf(z/cr)。式(.)的一般情况是m=(nvcr'i/y厂y唧~和。(孵要获得f(z)nI使用下面的关系式f(z仃)=厂(z/仃)厂(仃)厂(力=j/(zcr)dcr最后将式(.)代入式(.)可以得到厂(z)=p(z/tr)f(tr)dcr(.)将f(r)替换成()(.)(.)(.)雷达信号检测与实现对厂(z)进行从检测门限到无穷的积分就可以得到发现概率但这个计算式是不完全的伽玛函数。针对不同的信号模型发现概率昂有相应的计算式在本章的第.节有叙述。.门限的选择单脉冲检测时检测门限vT与虚警概率吃的关系由式()给出DiFranco和Rubin推导出任意多个脉冲非相参积累时检测门限vT与虚警概率厶的一般式【l】o如纠‘捂叫协式()中的I’用来表示不完全伽玛函数。由式()给出r睛Ⅳ崭y江)不完全伽玛函数的性质有r(oⅣ)()为了达到计算的目的不完全伽玛函数可以近似的表示成r陪一卜V:PleVrInp巧丝一(np)(np)...铡协)门限值巧可以使用NewtonRaphson的方法利用递推公式近似计算。”‰一黜m=,,,.(.)当l巧m一巧卅。l<巧朋一/迭代结束。函数G和G’分别是G(Vr刀)=(.)~肌Fj(巧np)()G‘(怙一篙()递归的初始值为巧旷%一厄.而(阿厄)()而^一凳:三竺篓行非相参积累时若虚警概率一定门限值的确定可以通过上。..图检测门限与脉冲数的关系霎譬耋差竺要塞妻i从图.可以看出在虚警概率为le时当脉孬茹二苫要茎譬竺黧竺墼..,当脉冲数加喊。嘉萎晶茹蒜茹装霎黎箩芝燃挈的I、擘值有所偏差当脉冲数为磊茹黼蒜为当脉冲数为时需要的检测门限值为.。一一“聃川川仪咀.发现概率的计算当积累脉冲数%>l时马克姆定义了虚警概率的计算式厶JIl()(%/‰)(.)细必.苎警兰竺发竺概率的计算在前面已经给出。当%>时使用Gram.ch州ier级数来计算发现概率在这种情况下发现概率的计釜式为:一““一儿吼%兰掣一等陟川郴n唧圳n)像)式()中的GC和C都是Gr锄。cier级数的系数V=哆一np(ISNR)万变量矿是(.)一般来说CCC和万的值会随着目标起伏类型的变化而变化。.施威林(Swerling)矿模型的检测的对施威林(s烹:警型【lJ的发现概率的计算用式(.)在此种情况下G的ramCharlier级数的系数为~“~旧叽。雷达信号检测与实现C=一万SN丽RI/C面SN丽R而c=碍/nr=‘n’。’。。p。‘。。(。。。。‘‘。S。‘。。N。。。‘‘。R。。。。。。。。‘‘。‘。)..施威林(Swerling)模型的检测施威林推导出施威林(Swerling)I模型的检测概率计算式岛e一吩们栅’%=l纠‘c饥州(去卜~kVrl(!姗’~>..施威林(Swerling)//模型的检测(.)(.)(.)(.)(.)()在施威林(Swerling)刀模型的情况下发现概率的计算式P。=IF.(I以SNR%归。()当积累脉冲数np>时发现概率的计算用式()在此种情况下的Gram.Charlier级数的系数为G=一索G=譬G去万=厄。舢c现..施威林(Swerling)///模型的检测马克姆推导出施威林(Swerling)脚模型的检测概率计算式np=时午面一。..。...。....。..。.。。..。L第二章雷达信号检测经典理论糖即(赢(土npSNR卜蚝协)Ko=I上npSNR/一面(伸当%>时计算式是易:而焉SN‰rJ(巧妒)R。(:%)(~一”、州V。(.)驴(南丽叫忆川..施威林(Swerling)/V模型的检测纠霉::辫~卜厂协踟乃=r(ILSNR/%f()r(x)=r(x)一五:量吕石万():Vr/(SNR/)一lf>()‰一rI高‰%协雷达信号检测与实现G寿崭脚册C=瓦l两p可C=譬()纺=厄面丽.施威林模型的检测性能分析结果表明在小信噪比的情况下目标起伏程度高的目标检测概率大一些而在大信噪比的情况下目标起伏使检测性能明显降低。图.是Swelling模型的单脉冲检测性能比较图在虚警率为le.一定的情况下当发现概率小于O.时起伏目标回波的检测性能明显优于非起伏目标回波的检测性能。当发现概率大于.时非起伏目标回波的检测性能急剧上升。显然要优于起伏目标回波的检测性能。其中当发现概率为.时SwerlingV所需要的信噪比为.dB而SwerlingI或Swerling//所需要的信噪比为.dBSwerling脚或Swerling/V所需要的信噪比为.dB。显然在相同的虚警率le.下获得相同的发现概率O.时SwerlingV所需要的信噪比最低。在p鼯“的情况下s啪ning模型发现概率pd与单脉冲SNR的关系/厂/一。r二j二一|//.。//’|j/SwerllngO/mV’‘Swertin。}。/y{tj夕}一。#乏夕信嗓比SNR图.单脉冲检测Swerling模型的检测性能比较线性检波第二章雷达信号检测经典理论Swarlin.N脉冲相参积累的发现摄率pd与SNR的关系/。一(孝歹=/。/./////////N=y/N:A/kf/少f/N母//}ff久t譬三夕一//图.Swerling模型相参积累N脉冲检测线性检波Swedingl型非相参积累N脉冲检测性能易彳雾多二。一i.翻吾三语=。移//E刀’/彳h一/f/墨A’|/l一厂i{囱o厶ionZI|//|/||f/.|}.|{}i}|‘ji///么套£¥一图.Swerling模型非相参积累N脉冲检测线性检波图.图.分别表示SwerlingI模型N脉冲相参积累和非相参积累的检测性能在一定的虚警概率下要达到检测概率O.时单脉冲不积累所需的信噪比为.dB当脉冲相参积累时要达到同样的检测概率(即.)所需的单脉冲信噪比为.dB即相参积累的得益为...=.dB而脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB即非相参积累的得益为..=.dB与相参积累相比有损失当脉冲相参积累时要达到同样的检测概率(即O.)所需的单脉冲信噪比为.dB即相参积累的得益为..=.dB而脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB即雷达信号检测与实现非相参积累的得益为..=.dB与相参积累相比有损失当脉冲相参积累时要达到同样的检测概率(即.)所需的单脉冲信噪比为.dB即相参积累的得益为...=.dB而脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB即非相参积累的得益为...=.dB当脉冲相参积累时要达到同样的检测概率(即.)所需的单脉冲信噪比为.dB即相参积累的得益为...=.dB而脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB即非相参积累的得益为...=.dB可以看出随着脉冲积累数增多非相参积累信噪比损失越来越大。实际应用非相参积累时为达到与相参积累同样的检测性能需要的单脉冲信噪比相对于相参积累超过几dB。图.所示为目标起伏类型为Swerling//型时非相参积累在不同的积累脉冲数下的检测性能。其中N=I曲线为单脉冲不积累时的检测性能曲线。s啪nin型非相参积累N脉冲检测性能f厂/.厂~一/一/lf/一一P缸||.|f}f黼ltf^.一‘^^/‘“i)ll|//J.|y}|{/|’.i|l。/趔/信噪比SNR(riB)图.Swerling口模型非相参积累N脉冲检测线性检波由图.可看到在一定的虚警概率下要达到检测概率.时单脉冲不积累所需信噪比为.dB脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB即非相参积累的得益为..=.dB脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB即非相参积累的得益为...=.dB脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB即非相参积累的得益为...=.dB脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为一.dB即非相参积累的得益为..=.dB。从图.与图.、图.l的对比可看到对于SwerlinglI型目标来说非相参积累的得益要大于相同脉冲积累数时对SwerlingI型目标进行非相参积累的得益。甚至在脉冲数较少时对Swerlin型目标进行非相参积累的得益要大于等第二章雷达信号检测经典理论于对Swerlin型目标进行相参积累的得益亦可由直线的倾斜度直观地观察出来该结果与参考文献J中的结论相一致。图.给出了SwerlingIII型N脉冲非相参积累的检测性能在给定的虚警率下单脉冲达到检测概率为.时需要的单脉冲信噪比为.dB要达到相同的检测概率脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB。swenin型非相参积景N脉冲检测性能//切砀一..P妇睁fr/|。||//{l一{.||||||b乒^I一.^N胡产。N新o/lll//|}|。一一n{/}|}.}/纵少/图.SwerlingIII模型非相参积累N脉冲检测线性检波Swedin型非相参积累N脉冲检测性能{.|Ir/一一/。/j||.|\/\|l..胍。f.乒N=tOa’。:一|}y|{}}‘.l夕。J,JfS信噪礴:SNR(dB)图.Swerling/V模型非相参积累N脉冲检测线性检波图.给出了Swerling/V型N脉冲非相参积累的检测性能在给定的虚警率下单脉冲达到检测概率为.时需要的单脉冲信噪比为.dB要达到相同雷达信号检测与实现的检测概率脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为.dB脉冲非相参积累所需的单脉冲信噪比为一.dB。比较图.和图.可以看出在相同的虚警概率下积累脉冲数N>要达到相同的发现概率.时SwerlingIII型所需要的信噪比要比SwerlingIV型所需要的信噪比大的多。从而可以看出当检测概率只很大时快起伏要比慢起伏的检测性能好的多。这与参考文献川中的结论~致。Swefllng型非相参积累线性检波N=pfa=lef/天一/气/一|上。Zte。。。。一S蝻nIn萨l聪//磊。孑’’swl}rIin口SwtIdingO(卜》\{/盯静糠撼礁{j么移信噪比SNR()图.Swerling模型非相参积累脉冲检测性能比较线性检波图.给出了虚警率为le.积累脉冲数为时五种类型目标检测性能的比较。在发现概率较大时四种起伏目标回波均比第五类不起伏目标的回波需要更大的信噪比。例如在发现概率为.时第五类不起伏目标回波所需要的单个脉冲信噪比为.dB但是对第一类起伏目标回波所需要的单个脉冲信噪比将是.dB。因此若在估计作用距离时不考虑目标回波起伏的影响则预测的作用距离和实际能

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