1、匝雯囹 鲨竺篮銎篓鳖兰 塑坐：文章蝙号：1671459812011)i2501904 中图分类号：TN7111；TNgl5 07 文献标识码：A恒虚警性能分析及在DSP芯片上的实现裴 鑫，田孝华，李思佳(空军丁程大学电讯工程学院陕西西安 710077)摘要：强杂波背景中的雷达目标恒虚警检测是雷达信号处理的重要组成部分；在机场等特殊环境下的应用成为相关课题的研究对象；为了提供适于机场环境下的恒虚警处理算法，首先讨论了高斯杂渡背景中雷达目标恒虚警检测的原理然后对比分析了四种处理方案并且介绍了数字信号姓理芯片ADSP-TS901的主要特点针对机场环境阐述了基于教字信号灶理芯片ADsPTS901实现高
2、斯杂渡背景中雷达目标恒虚警检测的方法，最后采取机场实测信号实验结果验证，结果目标准确显示达到预期目标。关链词：恒虚警；TS201；信号检测Performance Analysis of CFAR and ImplementationBased on DSP ChipPei XinTinn Xiaohua，Li Sijia(Telecommunication Engineering Institute，Air Force Engineering University，Xifin 710077，China)Abstract：CFAR detection of radar targets in he
3、avy clutter background is an important part in radar signal processingBut the researchinthe particular situation of airportisfewIn orderto provide afit algorithm ofCFARinthis paperfirstthe principle of radarCFAR deteetion in Gauss distributed clutter is discussed，then compared among four arrangement
4、sthe chcterlsticsof ADSPTS201 are introducedand the way of realizing radar CFAR detection in clutter background based on ADSPTS201 is proposedand the results of simulation are provided at lastKey words：CFAR；TS201；signal detection0引言恒虚警率是雷达信号处理设备的主要战术技术指标之一1。在强干扰中提取信号，不仅要有一定的信噪比，而且必须有恒虚警赴理设备，恒虚警处理的目的
5、，是保持信号检测时的虚警率恒定。目前的研究主要是对各种强杂波背景中弱信号的检测，然而针对机场杂波环境，适用于机场着陆雷达系统的恒虚警检测却不多”5J。本文主要针对机场环境，分析了适用于着陆雷达的恒虚警算法，讨论了在数字信号处理芯片ADsPTS201上如何实现杂波背景巾雷达目标恒虚警检测这一问题，最后实现并实验验证。1恒虚警检测原理方法及对处理器的要求高斯杂波条件下的恒虚警检测器6。1可用图1所示的通用结构进行表示：CFAR检测器使用有限个参考单元来估计干扰的平均功率 P因此p会有定起伏，随着参考单元数目的减少，p的起伏会增大。为了达到预期的虚警概率PM，需要用r J限因子。 来对进行放大，以设
6、置更高的门限来避免P的起伏造成的虚警，门限u的升高叉会导致检测概率P。的降低，这样一来又需要增加信号信噪比来达到预期的检测概率，这种在给定的检收稿日期：20ll 05 19i瞎回日期：201l一0804。基金项目：国家自然科学基金项目(60802053)；中国人比解放军装备维修科学研究与改革项目。作者简介：裴鑫(1986一)，男硕士研究生主要从事导航信号处理方向的研究。图1高斯杂渡CFAR检测器通用结构测概率下由于采用恒虚警处理而需要增加的信噪比称为恒虚警损失L门限因子的确定由CFAR检测器的类型、每侧参考单元数目N以及设定的虚警概率P崩有关。各种CFAR检测器的算法z以及Pn和a的相互关系如
7、下：CACFAR。单元平均恒虚警检测器的干扰平均功率估计；由2N个参考单元求算术平均获得，即二一z。2N2Nz为第i个参考单元的值。虚警率与门限因子的关系为：口一2N(P甜一1) (1)G0一CFAR。两侧单元平均选大恒虚警检测器的干扰平均功率估计“由两侧参考单元算术平均值较大的那个确定，即，A=max(可1蚤N一吉薹；Xi) 虚警率与门限因子的关系为：万方数据3020 计算机测量与控制 第19卷Pmz(+青)一z(+青)“萋(肛i12 “)PF-z(H青)z(+青)善(i一)(2+N。-) (3sOCFAR。两侧单元平均选小恒虚警检测器的干抗平均功率估计口由两侧参考单元算术平均值较小的那个确
8、定，即；一min(专著一专蚤，。-) 虚警率与门限因子的关系为：PFaz(z+萎(肛i1州)(。+青)1(5)osCFAR。有序统计恒虚警检测器对两侧共2N个参考单元数据z。，zz，z：。按升序进行排列，排列后形成的新序列为z，z：，z7zN)，osCFAR选取新序列中第k个值作为干扰平均功率的估计，即“=z-。虚警率与门限因子的关系为： 一tf掣)荒鞠铲其中，兀)为伽马函数，当门限因子。为整数时可以简化为：Pm一黑訾意牟瑞 GO-CFAR与soCFAR只利用了参考单元的一半来估计干扰平均功率，因此GOCFAR和SOCFAR相对cACFAR会产生附加的恒虚警损失，GoCFAR的附加恒虚警损失一
9、般小于03dB，而SOCFAR的附加损失比较大，一般要取N16来确保附加损失在较大的虚警率取值范围内低于ldB。因此适合的CFAR方案应从GOCFAR和OSCFAR中选择，相比之下GOCFAR的恒虚警损失比SOCFAR小得多，同时易于实现，算法复杂度适合。2仿真性能分析模拟机场环境设置如下仿真条件：(1)在一个周期1000点基带采样信号中，距离单元1128范围内存在20dB的均匀地杂波距离单元129768范围内存在30dB气象杂渡，距离单元769-1000范围内存在15dB均匀地杂波。(2)在距离单元60和70处设置35dB和40dB两个临近目标，以考察CFAR检测器对临近目标的检测能力I(3
10、)在距离单元125和765处各设置1个40dB的杂波边缘目标，以考察CFAR检测器对杂波边缘目标的检测能力；在距离单元300302设置3个40dB的连续目标信号，考察CFAR检测器对连续目标的检测能力，恒虚警检测器被检测单元左右各有3个保护单元和8个参考单元，虚警率PF一10叫。仿真结果如下：cACFAR检测效果如图2所示。由于被检测单元两边设置了保护单元，大物理尺寸目标造成的连续目标信号不会同时出现在被检测单元与参考单元中，因此检测时不会受到目标本身信号的干扰I如图3所示，CACFAR对临近多目标的检测能力较差，临近的大目标信号人小目标信号的参考单元后会出现对小目标的遮蔽效应。如图4和图5所
11、示，杂波功率的突变会严重恶化CACFAR对杂波边缘目标的检测性能，既可能出现虚警也可能出现漏警。号V划孽3趟肇距离单元()图2 cACFAR检测连续目标CA-CFAR目标遮蔽距离单元(m)图3 cACFAR目标遮蔽效应黾V恻罂c吨FAR杂波边缘虚警距离单元(m)图5 cACFAR杂渡边缘虚警GOCFAR检测效果如图6、图7所示。万方数据蔓!塑 斐壅：量!堡堕董丝壁坌堑垦垄里翌苎笪占竺塞塑 ：塑；!：号一世肇黾一制馨G0_cFAR目标遮蔽距离单元()图6 Go CFAR目标遮蔽效应GO-CFAR检测杂波边缘H标距离单元(m)图7 GO cFAR检测杂波边缘目标如图6所示，GO CFAR也会出现目
12、标遮蔽效应。如图7所示，GoCFAR相对于cA CFAR改善r对位于杂波边缘目标的检测能力，但在这些地方也有可能出现漏警。soCFAR检测效果如图8、图9所示。罨V趟馨距离单元(m)图8 so CFAR检测临近多目标如图8所示，sO CFAR对临近多目标有一定的检测能力。如图9所示，SOCFAR的处理机制使其在杂波边缘地区出现虚警的概率比较大。OsCFAR检测效果如图10、图11所示。如图10所示，Os CFAR成功解决了目标遮蔽的问题。同时，如图11所示，检测杂波边缘目标的能力也得到提高，但是其性能的好坏与有序统计量k的选取有很大关系，选小了会增加虚警概率，k选大了会增加漏警概率。在为本系统
13、选择CFAR方案时，从检测效果上看，CACFAR最差，OSCFAR最好。从实现复杂度上看，cA一鲁V剖馨距离单元(m)图9 sO CFAR检测杂波边缘目标距离单元()图10 osCFAR检测临近多目标距离单元(m)图11 osCFAR检测杂渡边缘目标cAFRGOCFAR和S0一CFAR差别不大，OSCFAR相对最为复杂且k值的选择增加了其不确定性。由于本型雷达工作在机场区域引导飞机进场着陆，在很小的距离范围内出现多个飞机目标信号的可能性非常低因此OSCFAR对临近多目标检测能力强的特点对于本系统意义不大而其相对复杂的计算会对信号处理系统带来额外的负担因此适合的cFAR方案应从GoCFAR和SO
14、 CFAR中选择，相比之下SOCFAR的恒虚警损失比GOCFAR大得多，意味着要达到相同的虚警概率需要信号具有更高的信噪比，综合考虑后，GOcFAR的恒虚警检测方案最为合适。3 DSP实现美国模拟器件公司ADI的ADSP-TS201处理器具有高速运算能力、可时分复用、并行处理、数据吞吐率高等特点“。ADsPTS201采用超级哈佛结构，静态超标量操作适合多处万方数据理器模式运算，可直接构成分布式并行系统和共享存储式并行系统。ADsPTS201的主要性能指标如下：(”最高工作主频可达600MHz，指令周期为167 ns，可支持单指令多数据(SIMD)操作；(2)采用LVDS技术和DDR方式传输数据
15、，单向最大速率为500 MBs，数据吞吐量为4 GBs；(3)4条128位数据总线可与6个4MB的RAM相连，其34位地址总线可供4GB的寻址空间；(4)有4个链路口，每个链路口可提供12GBs的传输速率，并可同时进行DMA传输；(5)可通过共享总线提供无缝连接以用于片内集成总线的仲裁控制；(6)片上SDRAM控制器和片上DMA控制器可提供14条DMA通道。由于ADI公司的ADSP TS201S具有较快的运算速度和较强的浮点运算能力，且其片内存储器容量非常大，高达24MB非常适合大数据量的实时信号处理。此外ADSPTS20S的链路口使其具有更快的数据传输速度和更强的扩展性能，适合于组建多DSP
16、系统。因此，从主要性能参数上看，ADSPTS20IS型DSP各项性能满足本雷达系统的性能需求，可以作为本系统的核心计算器件。按照上述选择的方案在DSP上进行编程测试，DSP中CFAR的检测过程和选通输出如图12，图13所示，从图中可以看出系统完成了CFAR检测过程，准确检测出运动目标并将目标的IQ路信号输出，说明系统能够正常工作实现了设计目标。CFAR检测过程。“” “”离十拦L10J”“。”。”图12 DSP处理结果图距离单元()图13 DSP输出结果图4结论本文对四种恒虚警算法的性能进行了推导分析，并根据推导分析结论，选择了满足检测要求及利于DSP实现的GO-CFAR算法，最后给出了采取机
17、场实测信号用AD6PTS201实现GoCFAR算法的检测结果结果目标准确显示达到预期目标。参考文献：1丁鹭飞耿富录雷达原理M西安：西安电子科技大学出版社，20061 321382袁立权靖涛，董绍平K2分布杂波的顺序统计恒虚警性能分析口现代雷达t】999，21 C4)一13183都基嶷，胡 军张百顺七种恒虚警车处理方案及性能分析口现代雷达，2004，26(4)：47604Petrovic，MM；Dimitfijevien n；Kostict AT SamplingrBle influence on deteclion performance of CFAR algorithms implemen
18、ted in radar extractorcTELSIKS 2001：57605王明宇俞卞章一种基于单元筛选的CFAR检测方法J现代雷达，2002，22(6)：27306朱江张军，赵永波恒虚警检测在DSP芯片上的实现J现代雷达，2005，27(4)：3541ET刘书明罗勇江ADSP TS20XS系列DSP原理与应用设计M，北京：电子工业出版杜，2007：698张明友汪学刚雷达系统M北京：电子工业出版社，2008：1051089岳伟。白瑞林基于TSl01芯片的雷达数据处理硬件设计盯计算机测量与控制2008，16(1)：92102妒d4哆辨d口0”掣p芦蛐4B$口4口一则d山秽社#i桫掣4秘蚓哂
19、归归9渺蛐胂归神黜鹕9#姐#o秽秽i哪4B#啦姐i邮#9秽4B捌哦p拙口脚口4口dB(上接3018页)4结论本文讨论了热交换器式热量表存在的问题提出了一种CFD数值模拟软件与模式搜索算法相结合的优化方法，实现了热交换器的优化设计。采用该优化方法，不仅提高了热交换器流量和温差比关系曲线的线性度，而且大大缩短了设计周期。通过宴验验证可知，实验结果与仿真结果非常吻合说明了以下两点问题：(1)数值模拟与模式搜索法相结合的优化方法具有较高的准确性和预铡性。(2)采用这种优化方法设计出的热交换器线性度较高，具有较高的工程推广价值。参考文献：1王树锋关于我国热量表的历史、现状和发展口中国建设信息供热制冷，2
20、005，(5)：66672Moelbaek，Jens JoergenNordorg，Vorrichtung zum Messen derDurehfluomenge order einer davon ahh6ngingen GriBe inWarmetauscher-AnlagenPDE：2623972，19771213陶文铨散值传热学M西安：西安变通大学出版社，2001 54陈非凡仪器设计技术基础M北京：清华大学出版社，200785Steven CChapra，Raymond PCanalNumerical Methods forEngineersMMcGraw-Hill20066Virg
21、inia Torczon On the convergence of pattern search algorithmsJSIAM Journal on Optimization19977(1)：l一257王海春，方蘸，李盛林无流量计热量计量的模型简化研究J计算机测量与控制201018 f11)：26162618万方数据恒虚警性能分析及在DSP芯片上的实现作者： 裴鑫， 田孝华， 李思佳， Pei Xin， Tian Xiaohua， Li Sijia作者单位： 空军工程大学电讯工程学院,陕西西安,710077刊名： 计算机测量与控制英文刊名： Computer Measurement 耿富录
22、 雷达原理 20062.袁立权;靖涛;董绍平 K2分布杂波的顺序统计恒虚警性能分析 1999(04)3.都基焱;胡 军;张百顺 七种恒虚警率处理方案及性能分析期刊论文-现代雷达 2004(04)4.Petrovic,M.M;Dimitrijevic,D.D;Kostic,A.T Sampling rate influence on detection performance of CFAR algorithms implementedin radar extractor5.王明宇 俞卞章一种基于单元筛选的CFAR检测方法 2002(06)6.朱江;张军;赵永波 恒虚警检测在DSP芯片上的实现期刊论文-现代雷达 2005(04)7.刘书明;罗勇江 ADSP TS20XS系列DSP原理与应用设计 20078.张明友;汪学刚 雷达系统 20089.岳伟;白瑞林 基于TS101芯片的雷达数据处理硬件设计期刊论文-计算机测量与控制 2008(01)引证文献(1条)1.原慧.陶建锋.安磊 基于单元筛选的CFAR检测器研究期刊论文-计算机测量与控制 2013(4)本文链接：http:/
