多脈沖非相干積累的分布式os-far檢測

1分布式fps檢測雷達(dá)系統(tǒng)的檢測過程包括將接收信號與閾值進(jìn)行比較，并確定目標(biāo)是否存在。在非平穩(wěn)雜波背景中,固定閾值檢測器的虛警概率會隨雜波功率水平的輕微變化而急劇變化。因此需要自適應(yīng)調(diào)整閾值的恒虛警率(constantfalsealarmrate,CFAR)檢測器,如CA,OS-CFAR檢測器。近年來,多傳感器分布式檢測系統(tǒng)在雷達(dá)界越來越引起廣泛的興趣。它可以提高系統(tǒng)可靠性、反應(yīng)速度和生存能力。分布式CFAR檢測也在很多文獻(xiàn)中進(jìn)行了廣泛的分析。但是,現(xiàn)有的對分布式CFAR檢測的研究多數(shù)局限于單脈沖檢測。在實(shí)際工作的雷達(dá)中,都是在多個脈沖觀測的基礎(chǔ)上進(jìn)行檢測的。多脈沖非相干積累是提高檢測性能的一種簡單而有效的方法,它可以采用視頻積累(也稱檢波后積累),二元積累(也稱有序統(tǒng)計(jì)量積累)以及刪除視頻積累等等。對分布式CFAR檢測在多脈沖情況下的分析現(xiàn)在還局限于二元積累的情況。本文將分布式OS-CFAR檢測的研究擴(kuò)展到了在非均勻雜波背景中對M個脈沖進(jìn)行視頻積累的情況。2檢測單元采樣在分布式檢測系統(tǒng)中為避免大的通信帶寬,局部檢測器(localdetector,LD)一般將0或1形式的局部判決傳給數(shù)據(jù)融合中心(datafusioncenter,DFC)以形成全局判決。典型的分布式檢測的流程圖如圖1所示。其中LDi(i=1,…,L)代表第i個LD,LDi進(jìn)行如下的局部判決:其中Xi0,和Zi分別是LDi的檢測單元采樣,閾值因子和檢測單元的背景雜波平均功率水平估計(jì)。Di是LDi的局部判決結(jié)果,LDi將Di傳送給DFC,融合后得出全局判決D0。D0是Di(i=1,…,L)的函數(shù),函數(shù)形式由相應(yīng)的融合準(zhǔn)則確定。令H0代表無目標(biāo)的假設(shè),H1代表有目標(biāo)的假設(shè)。當(dāng)D0=0時,H0成立;當(dāng)D0=1時,H1成立。設(shè)LDi接收的對M個脈沖的Ni+1個觀測矢量構(gòu)成的觀測矩陣。其中,Xi0=[Xi0,1,…,Xi0,M]T為檢測單元采樣矢量,Xij=[Xij,1,…,Xij,M]T為參考單元采樣矢量。假設(shè)Xi的各列向量之間以及各列向量的各元素之間都是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的。在高斯雜波背景,平方律檢波和SwerlingⅡ型目標(biāo)的假設(shè)下,LDi的檢測單元的單脈沖采樣Xi0,n的概率密度函數(shù)(probabilitydensityfunction,PDF)為其中,λi為LDi的信噪比(SNR)。在沒有目標(biāo)時,λi=0。參考單元單脈沖采樣的PDF為其中若Xij為干擾目標(biāo)采樣,則βi為干擾目標(biāo)與噪聲強(qiáng)度比(INR);若Xij為雜波信號采樣,則βi為雜波與噪聲強(qiáng)度比(CNR);若Xij為純噪聲采樣,則βi=0。3局部檢測概率和虛警概率的計(jì)算對于第j個參考單元(一個特定的距離單元),若對連續(xù)的M個脈沖采樣進(jìn)行視頻積累,則積累輸出是M個脈沖采樣的和,即其中Xi0,n和Xij,n的PDF分別見(2)和(3)式.對于SwerlingⅡ型目標(biāo),目標(biāo)的連續(xù)M個脈沖采樣間是不相關(guān)的。因此,的分布函數(shù)為對于LDi的第j個參考單元,M個脈沖采樣之和的分布函數(shù)為對于以O(shè)S-CFAR檢測器為LD的分布式檢測,第i個局部檢測器的背景雜波功率水平估計(jì)為是由得到的序值為ki的有序統(tǒng)計(jì)量。因此,在多脈沖非相干積累情況下,局部檢測器的判決為其中由(5)式給出,的分布函數(shù)為在多目標(biāo)環(huán)境中,mi代表干擾目標(biāo)數(shù);在雜波邊緣環(huán)境中,mi代表強(qiáng)雜波單元數(shù)。在均勻背景中,的分布函數(shù)可以通過令βi=0或mi=0得到。于是,由(6)式和(10)式可得大于的概率為由于局部檢測是CFAR的,所以上式實(shí)際上與μi無關(guān)。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置(11)式中各變量的值,可以計(jì)算在多脈沖非相干積累條件下的第i個OS-CFAR檢測器在均勻背景,雜波邊緣環(huán)境和多目標(biāo)環(huán)境中的檢測概率和虛警概率。Ti值是根據(jù)給定的在均勻背景中的虛警概率設(shè)計(jì)值PFA,i計(jì)算的。對于如圖1所示的并行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),通常可以采用AND和OR融合準(zhǔn)則。對于AND準(zhǔn)則,總的檢測概率(α=1)和虛警概率(α=0)均可以表示為對于OR準(zhǔn)則,總的檢測概率(a=1)和虛警概率(a=0)均可以表示為如果(12),(13)兩式是檢測概率,則Pi是LDi的檢測概率;如果(12),(13)兩式是虛警概率,則Pi是LDi的虛警概率。Pi由(11)式給出。D={D1,D2,…,DL}是由各局部判決構(gòu)成的向量;S0和S1是與D對應(yīng)的兩個指標(biāo)集,S0={i|Di=0},S1={i|Di=1}。4最優(yōu)固定閾值檢測的比較下面在LD數(shù)目L=2的條件下,分析多脈沖非相干積累的分布式OS-CFAR檢測在三種典型背景中的性能。設(shè)N1=N2=12,k1=k2=9,總的虛警概率設(shè)計(jì)值PFA=10-6。因此,對于AND準(zhǔn)則,PFA,1=PFA,2=10-3;對于OR準(zhǔn)則,PFA,1=PFA,2≈0.5×10-3。性能分析主要是研究脈沖積累數(shù)M的增加帶來的性能改善,它反映在如下方面:CFAR檢測與最優(yōu)檢測的對比,單傳感器檢測與多傳感器分布式檢測的對比,以及AND和OR的對比。為了便于比較,表1列出了幾種情形的最優(yōu)固定閾值檢測的檢測概率。對于最優(yōu)固定閾值檢測,檢測性能由弱到強(qiáng)的順序?yàn)閱蝹鞲衅?AND和OR。在均勻雜波背景中,對比表1和表2可見,隨著脈沖積累數(shù)M的增加,單傳感器檢測以及分布式檢測的檢測性能與其相應(yīng)的最優(yōu)檢測的差別均逐漸減小;在M≥3時,分布式CFAR檢測在較大SNR的情況下甚至超過了單傳感器最優(yōu)檢測,并且M越大,呈現(xiàn)這種優(yōu)勢所需的SNR越小。由M的增加帶來的性能改善在低SNR情況下較為顯著,并且這種改善對于單傳感器檢測和OR融合更為明顯。在m1=m2=2的多目標(biāo)環(huán)境中,假設(shè)λ1=β1和λ2=β2,對比表2和3可見,M的增加與SNR的增加一樣會使檢測器對抗干擾目標(biāo)的能力增強(qiáng)。在雜波邊緣環(huán)境中,假設(shè)兩個LD中均有六個參考單元處于強(qiáng)雜波區(qū),并且兩個LD的檢測單元也處于強(qiáng)雜波區(qū)。由表4可見,M的增加使檢測器的虛警概率對CNR變化的敏感性降低,并且有趨于恒定的趨勢。這是一種值得注意的現(xiàn)象。而且M的增加使虛警控制性能增強(qiáng)。這種改善對于單傳感器檢測和OR融合更加明顯。對比分布式檢測和單傳感器檢測可見,無論是最優(yōu)檢測還是CFAR檢測,在多脈沖非相干積累條件下,分布式檢測在檢測性能方面相對于單傳感器檢測的優(yōu)勢都是存在的。并且這種優(yōu)勢在對小信噪比目標(biāo)進(jìn)行檢測時更加明顯,然而M的增加卻使這種優(yōu)勢減弱。對比AND和OR,由表2和表3均可見OR的檢測性能在小SNR情況下比AND略差,這種差距隨M的增加而減弱;在雜波邊緣環(huán)境中,由表4可見OR和AND之間以及這二者與單傳感器檢測之間的虛警控制性能的差別隨M的增加而減小。5固定閾值檢測對比脈沖積累數(shù)M的增加可以同時改善檢測器的檢測性能和虛警控制性