多相码信号的多通道多谱勒补偿与恒虚警检测
2022-06-09
一、引言
众所周知，多相码属于抗多谱勒频偏能力差的信号，即随着目标多谱勒频率的增大，脉压输出的主副比将大大降低，严重时甚至会使雷达不能正常工作。多谱勒敏感性问题是限制多相码信号跟踪快速目标的关键所在，目前国内外针对这个问题通常都采用多谱勒补偿方法。本文针对实际应用中回波多谱勒频率未知的一般情形，针对传统的多通道多谱勒补偿方法，讨论了补偿后不同信号检测处理流程，寻求一种最优的信号检测流程，降低多相码由于多谱勒失配造成的恒虚警率的增加，提高整个系统的检测性能。
二、主要功能介绍
1、多通道多谱勒补偿：实际应用中，进行多通道多谱勒补偿时，往往是在满足系统信噪比损失要求的前提下，根据该多相码匹配滤波结果在规定信噪比损失条件下的多谱勒容限带宽，来确定各补偿通道的补偿多谱勒频率和总的补偿通道数。
2、非相参积累：不能利用或虽然有相位信息而不去利用的积累方法叫非相参积累，本文所谓的非相参积累就是对各补偿通道输出结果先进行平方率包络检波然后再进行积累。
3、恒虚警检测：在雷达系统中，信号检测准则是奈曼-皮尔逊准则，对于强度变化的噪声或杂波，需要对信号进行恒虚警处理，使检测的虚警概率保持恒定，从而实现恒虚警检测。一般通用的CFAR检测中，输入样本通过包络检测器被送到滑窗寄存器中，本文采样一般通用的CA-CFAR检测方法。
三、仿真结果及性能分析
1、多通道多谱勒补偿：我们以码长为2134的P（3，0.01） 32相码为例：假定目标回波的多谱勒频移范围为[-25，+25]KHz，系统要求的信噪比损失不大于3dB。则根据完全匹配情况下多谱勒频移与信噪比损失关系曲线，确定总的补偿通道数为7，各补偿通道的补偿多谱勒频率分别为[-21.8586，-14.5724，-7.2862，0，7.2862，14.5724，21.8586]KHz，则在上述规定的多谱勒频移范围内，若目标回波的多谱勒频率为7.2862KHz时，则图1给出了各补偿通道脉压输出结果的部分截取图。
2、平方率包络检波+非相参积累：对上述各补偿通道输出结果进行平方率包络检波，以输出模值最大通道为基准进行非相参积累。对于单通道完全匹配情况，输出峰值位置为2134。而对于非相参积累输出，则积累结果的峰值位置与回波的多谱勒频率有关。
3、恒虚警检测：如果各补偿通道输入端的噪声为高斯白噪声，由于匹配滤波器是线性滤波器，则各补偿通道输出端噪声将仍服从高斯分布，如果各补偿通道输出端噪声相互独立并且服从N（0，1）分布，若对各补偿通道匹配滤波后结果进行平方率包络检波，则检波后的噪声将服从卡方分布模型。若对其进行非相参积累，由于卡方分布相加仍服从卡方分布，因此各补偿通道非相参积累后噪声服从卡方分布模型。我们选取单路匹配滤波模值最大点，按模值最大通道为基准非相参积累的模值最大点分别作为检测单元，进行（CA-CFAR）恒虚警检测。我们对此模型进行了10000次Monte Carlo仿真，其ROC曲线如图2。仿真参数：虚警率：Pf=10-4；参考单元为8；保护单元为6。由图2可以看出：在多谱勒频移比较大的情况下，最大模值输出通道的检测结果远远优于单路匹配滤波的检测结果。但在多谱勒频移比较小的情况下，两者的检测结果基本相同。
图1 各补偿通道输出结果的部分截取图
图2 回波fd=7.2862KHz的ROC曲线
四、结束语
通过仿真我们发现，采用多通道多谱勒补偿方法，需要在系统输入信噪比、回波多谱勒频移大小、非相参积累准则等方面折中考虑，选择合适的方法来降低多相码由多谱勒频移所造成的虚警率的增加，提高系统的检测性能，但这却是以实现的复杂度为代价的，这其中更深层次的关系还有待于进一步研究。
参考文献
[1]Yuping Cheng， Zheng Bao， Zhiping Lin，“Doppler Compensation For Binary Phase-Coded Waveforms”， IEEE Transactions On Aerospace and Ekectronic Systems Vol.38， No.3 July 2002.
众所周知，多相码属于抗多谱勒频偏能力差的信号，即随着目标多谱勒频率的增大，脉压输出的主副比将大大降低，严重时甚至会使雷达不能正常工作。多谱勒敏感性问题是限制多相码信号跟踪快速目标的关键所在，目前国内外针对这个问题通常都采用多谱勒补偿方法。本文针对实际应用中回波多谱勒频率未知的一般情形，针对传统的多通道多谱勒补偿方法，讨论了补偿后不同信号检测处理流程，寻求一种最优的信号检测流程，降低多相码由于多谱勒失配造成的恒虚警率的增加，提高整个系统的检测性能。
二、主要功能介绍
1、多通道多谱勒补偿：实际应用中，进行多通道多谱勒补偿时，往往是在满足系统信噪比损失要求的前提下，根据该多相码匹配滤波结果在规定信噪比损失条件下的多谱勒容限带宽，来确定各补偿通道的补偿多谱勒频率和总的补偿通道数。
2、非相参积累：不能利用或虽然有相位信息而不去利用的积累方法叫非相参积累，本文所谓的非相参积累就是对各补偿通道输出结果先进行平方率包络检波然后再进行积累。
3、恒虚警检测：在雷达系统中，信号检测准则是奈曼-皮尔逊准则，对于强度变化的噪声或杂波，需要对信号进行恒虚警处理，使检测的虚警概率保持恒定，从而实现恒虚警检测。一般通用的CFAR检测中，输入样本通过包络检测器被送到滑窗寄存器中，本文采样一般通用的CA-CFAR检测方法。
三、仿真结果及性能分析
1、多通道多谱勒补偿：我们以码长为2134的P（3，0.01） 32相码为例：假定目标回波的多谱勒频移范围为[-25，+25]KHz，系统要求的信噪比损失不大于3dB。则根据完全匹配情况下多谱勒频移与信噪比损失关系曲线，确定总的补偿通道数为7，各补偿通道的补偿多谱勒频率分别为[-21.8586，-14.5724，-7.2862，0，7.2862，14.5724，21.8586]KHz，则在上述规定的多谱勒频移范围内，若目标回波的多谱勒频率为7.2862KHz时，则图1给出了各补偿通道脉压输出结果的部分截取图。
2、平方率包络检波+非相参积累：对上述各补偿通道输出结果进行平方率包络检波，以输出模值最大通道为基准进行非相参积累。对于单通道完全匹配情况，输出峰值位置为2134。而对于非相参积累输出，则积累结果的峰值位置与回波的多谱勒频率有关。
3、恒虚警检测：如果各补偿通道输入端的噪声为高斯白噪声，由于匹配滤波器是线性滤波器，则各补偿通道输出端噪声将仍服从高斯分布，如果各补偿通道输出端噪声相互独立并且服从N（0，1）分布，若对各补偿通道匹配滤波后结果进行平方率包络检波，则检波后的噪声将服从卡方分布模型。若对其进行非相参积累，由于卡方分布相加仍服从卡方分布，因此各补偿通道非相参积累后噪声服从卡方分布模型。我们选取单路匹配滤波模值最大点，按模值最大通道为基准非相参积累的模值最大点分别作为检测单元，进行（CA-CFAR）恒虚警检测。我们对此模型进行了10000次Monte Carlo仿真，其ROC曲线如图2。仿真参数：虚警率：Pf=10-4；参考单元为8；保护单元为6。由图2可以看出：在多谱勒频移比较大的情况下，最大模值输出通道的检测结果远远优于单路匹配滤波的检测结果。但在多谱勒频移比较小的情况下，两者的检测结果基本相同。
图1 各补偿通道输出结果的部分截取图
图2 回波fd=7.2862KHz的ROC曲线
四、结束语
通过仿真我们发现，采用多通道多谱勒补偿方法，需要在系统输入信噪比、回波多谱勒频移大小、非相参积累准则等方面折中考虑，选择合适的方法来降低多相码由多谱勒频移所造成的虚警率的增加，提高系统的检测性能，但这却是以实现的复杂度为代价的，这其中更深层次的关系还有待于进一步研究。
参考文献
[1]Yuping Cheng， Zheng Bao， Zhiping Lin，“Doppler Compensation For Binary Phase-Coded Waveforms”， IEEE Transactions On Aerospace and Ekectronic Systems Vol.38， No.3 July 2002.