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在现代航海环境中,雷达作为一种重要的探测工具,能够提供目标的位置、速度和方位等信息,对于保障航行安全、提高航运效率具有至关重要的作用。然而,雷达信号在传播过程中不可避免地会受到各种杂波的干扰,包括海杂波、气象杂波和陆地杂波等。这些杂波严重影响雷达对目标的检测性能,降低雷达系统的可靠性。因此,有效地抑制雷达杂波是提高雷达探测性能的关键技术之一。其中,恒虚警(Constant False Alarm Rate, CFAR)处理作为一种自适应检测技术,因其能够在杂波背景未知的情况下保持恒定的虚警概率,而被广泛应用于雷达信号处理中。本文将重点探讨航海雷达中频信号OS(Order Statistic)恒虚警处理方法,并针对不同类型的杂波,如瑞利噪声、对数正态分布和韦布尔杂波分布,分析其杂波抑制性能。
一、航海雷达杂波的特性与影响
航海雷达所面对的杂波环境极其复杂,主要包括以下几种类型:
海杂波: 海杂波是由于海面散射雷达信号而产生的,其强度和分布受到海况、风速、频率和极化方式等多种因素的影响。海杂波通常具有非高斯分布特性,其统计特性随着海况的变化而变化,呈现出时变、空变的复杂特性。
气象杂波: 气象杂波是由雨、雪、冰雹等气象粒子散射雷达信号而产生的。气象杂波的强度与气象粒子的密度、大小和雷达频率有关。气象杂波通常分布范围广,强度较高,容易掩盖目标信号。
陆地杂波: 陆地杂波是由陆地表面的建筑物、山脉、植被等散射雷达信号而产生的。陆地杂波的强度和分布与地形地貌、地物种类和雷达频率有关。陆地杂波通常具有较强的反射强度,且分布较为集中,容易造成虚警。
这些杂波的存在会严重影响雷达对目标的检测性能,具体表现在以下几个方面:
降低信杂比(Signal-to-Clutter Ratio, SCR): 杂波的存在会降低目标信号的SCR,使得目标信号被杂波淹没,难以检测。
增加虚警概率: 杂波的随机性会导致雷达系统产生虚警,误将杂波信号识别为目标信号。
降低目标检测概率: 杂波的存在会降低目标检测概率,使得雷达系统无法可靠地检测到目标信号。
因此,有效地抑制雷达杂波是提高航海雷达探测性能的首要任务。
二、恒虚警(CFAR)处理原理
恒虚警处理是一种自适应检测技术,其核心思想是在杂波背景未知的情况下,通过估计杂波的统计特性,并动态调整检测门限,从而保持恒定的虚警概率。CFAR处理通常包括以下几个步骤:
参考单元选择: 在待检测单元周围选择一组参考单元,用于估计杂波的统计特性。
杂波统计特性估计: 根据参考单元的数据,估计杂波的统计特性,例如均值、方差等。
检测门限设定: 根据估计的杂波统计特性和期望的虚警概率,设定检测门限。
目标检测: 将待检测单元的信号强度与检测门限进行比较,如果信号强度大于检测门限,则判定为目标信号,否则判定为杂波信号。
CFAR处理的关键在于如何准确地估计杂波的统计特性,并根据估计的统计特性设定合理的检测门限。不同的CFAR算法采用不同的杂波统计特性估计方法和检测门限设定方法,从而适应不同的杂波环境。
三、OS-CFAR处理方法
OS-CFAR(Order Statistic CFAR)处理是一种基于顺序统计量的恒虚警检测方法。其核心思想是将参考单元的数据进行排序,然后选择排序后的某个特定位置的值作为杂波的估计值,并根据该估计值设定检测门限。
OS-CFAR处理的步骤如下:
参考单元选择: 在待检测单元周围选择一组参考单元,通常选择一个滑动窗口。
数据排序: 将参考单元的数据进行升序排序,得到一个有序序列。
选择顺序统计量: 在有序序列中选择第K个值作为杂波的估计值,其中K是一个介于1和N之间的整数,N为参考单元的数量。K的选取决定了OS-CFAR处理的性能,通常需要根据杂波环境进行优化。
检测门限设定: 根据选择的顺序统计量和期望的虚警概率,设定检测门限。检测门限通常是顺序统计量的倍数,倍数的大小与期望的虚警概率有关。
目标检测: 将待检测单元的信号强度与检测门限进行比较,如果信号强度大于检测门限,则判定为目标信号,否则判定为杂波信号。
OS-CFAR处理的优点在于其鲁棒性较强,对杂波分布的先验知识要求不高,能够适应多种不同的杂波环境。通过调整顺序统计量的位置K,可以控制OS-CFAR处理的性能,例如,选择较小的K值可以提高对弱目标的检测能力,而选择较大的K值可以降低虚警概率。
四、不同杂波分布下的OS-CFAR性能分析
下面分别针对瑞利噪声、对数正态分布和韦布尔杂波分布,分析OS-CFAR处理的性能。
瑞利噪声: 瑞利分布是一种常用的描述噪声的统计模型,其概率密度函数为:
p(x) = (x/σ^2) * exp(-x^2 / (2σ^2))
其中,σ为尺度参数。在瑞利噪声环境下,OS-CFAR处理的性能与K的选取密切相关。一般来说,选择K的值接近N/2可以获得较好的性能。当K的值较小时,OS-CFAR处理对弱目标的检测能力较强,但虚警概率较高;当K的值较大时,OS-CFAR处理的虚警概率较低,但对弱目标的检测能力较弱。
对数正态分布: 对数正态分布是一种常用的描述海杂波的统计模型,其概率密度函数为:
p(x) = (1 / (x * σ * sqrt(2π))) * exp(-(ln(x) - μ)^2 / (2σ^2))
其中,μ为位置参数,σ为尺度参数。在对数正态分布杂波环境下,OS-CFAR处理的性能受到杂波尖峰的影响较大。为了降低杂波尖峰的影响,可以选择较大的K值,从而抑制虚警概率。但是,选择较大的K值会降低对弱目标的检测能力,因此需要在虚警概率和检测概率之间进行权衡。
韦布尔杂波分布: 韦布尔分布是一种常用的描述海杂波的统计模型,其概率密度函数为:
p(x) = (k / λ) * (x / λ)^(k-1) * exp(-(x / λ)^k)
其中,k为形状参数,λ为尺度参数。在韦布尔杂波分布环境下,OS-CFAR处理的性能与形状参数k有关。当k的值较小时,韦布尔分布的尾部较长,杂波尖峰较多,需要选择较大的K值来抑制虚警概率。当k的值较大时,韦布尔分布接近高斯分布,可以选择较小的K值来提高对弱目标的检测能力。
五、结论与展望
本文对航海雷达中频信号OS恒虚警处理滤除杂波进行了研究。分析了航海雷达杂波的特性与影响,阐述了恒虚警处理的原理,重点介绍了OS-CFAR处理方法。针对瑞利噪声、对数正态分布和韦布尔杂波分布,分析了OS-CFAR处理的性能。
[1] 丁拉拉.航海雷达中频信号的数字化接收和滤波处理[D].大连海事大学,2011.DOI:10.7666/d.y1895610.
[2] 郑小姣.雷达中频信号的数字化采集处理[D].大连海事大学[2025-02-17].DOI:10.7666/d.y1696346.
xi=1*(sqrt(-2*log(d1)).*cos(2*pi*d2));
coe_num=12;
for n=0:coe_num
coeff(n+1)=2*sigmaf*sqrt(pi)*exp(-4*sigmaf^2*pi^2*n^2/fr^2)/fr;
end
for n=1:2*coe_num+1
if n<=coe_num+1
b(n)=1/2*coeff(coe_num+2-n);
else
b(n)=1/2*coeff(n-coe_num);
end
end
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