radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2024-27-3-52-67radioelectronics-889Research ArticleРАДИОЛОКАЦИЯ И РАДИОНАВИГАЦИЯRADAR AND NAVIGATIONCFAR-обнаружитель цели в радиолокаторе с синтезированной апертуройCFAR Target Detector in Synthetic Aperture Radarhttps://orcid.org/0000-0003-4469-0501МонаковА. А.MonakovA. A.

Монаков Андрей Алексеевич - доктор технических наук (2000), профессор (2005) кафедры радиотехнических систем ГУАП, почетный машиностроитель РФ (2005), почетный работник высшего профессионального образования РФ (2006).

ул. Большая Морская, д. 67 А, Санкт-Петербург, 190000

Andrey A. Monakov - Dr Sci. (Eng.) (2000), Professor (2005) of the Department of Radio Engineering Systems of Saint Petersburg State University of Aerospace Instrumentation, Honored Mechanical Engineer of the Russian Federation (2005), Honored Worker of Higher Professional Education of the Russian Federation (2006).

67 A, Bolshaya Morskaya St., St Petersburg 190000

a_monakov@mail.ruИнститут радиотехники и телекоммуникационных технологий, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроенияРоссияInstitute of Radio Technique and Telecommunication Technologies, Saint Petersburg State University of Aerospace InstrumentationRussian Federation2024010720242735267Copyright © Монаков А.А., 20242024Монаков А.А.Monakov A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/889Введение

Введение. Обнаружители с постоянным уровнем ложной тревоги (CFAR-обнаружители) нашли применение в радиолокаторах с синтезированной апертурой. Принцип работы классического CA-CFAR-обнаружителя основан на сравнении решающей статистики в тестируемом элементе разрешения с адаптивным порогом, который вычисляется по сигналам в контрольных элементах. В качестве решающей статистки используется оценка мощности сигнала, поэтому обнаружение сигнала цели основано на яркостном контрасте тестируемого и контрольных элементов разрешения. Такой обнаружитель является оптимальным, если помеховый фон однороден. При нарушении однородности фона качество обнаружения снижается. Известны несколько способов улучшения качества обнаружения (GO-CFAR, SO-CFAR, OS-CFAR и др.). Однако сам принцип обнаружения по яркостному контрасту в таких CFAR-обнаружителях остается неизменным.

Цель работы

Цель работы. Синтезировать CFAR-обнаружитель, который использует для обнаружения не только яркостный контраст между тестируемым и контрольными элементами разрешения, но и спектральные отличия сигналов.

Материалы и методы

Материалы и методы. В предлагаемом CFAR-обнаружителе используются оценки алгебраических моментов спектральной плотности мощности сигналов в элементах разрешения по дальности, на основе которых вычисляются 3 решающие статистики, содержащие информацию о мощности, положении энергетического центра и ширине спектра сигнала . Решение о присутствии цели в тестируемом элементе разрешения осуществляется по правилу "2/3" (2 превышения порога из трех проверок).

Результаты

Результаты. Сравнение предлагаемого обнаружителя с SO-CFAR-обнаружителем с помощью компьютерного моделирования показало, что при отношении сигнал/помеха -6 дБ и вероятности ложной тревоги 10-4 вероятность правильного обнаружения предлагаемого обнаружителя составляет 0.933 против 0.708 у SO-CFAR-обнаружителя.

Заключение

Заключение. Предложен трехпараметрический CFAR-обнаружитель цели для радиолокатора с синтезированной апертурой, в котором решение о присутствии цели принимается на основе оценки трех алгебраических моментов спектра сигнала. Синтезированный алгоритм обнаружения может быть также использован для обнаружения движущихся целей в радиолокаторе с синтезированной апертурой.

Introduction

Introduction. Constant false alarm rate (CFAR) detectors have found application in synthetic aperture radar (SAR) systems. The operating principle of a classic cell averaging detector (CA-CFAR detector) is based on comparing the decision statistics in the test resolution element with an adaptive threshold, which is calculated from signals in the reference cells. The decision statistic is an estimate of the signal power. Therefore, target signal detection is based on the brightness contrast of the test and reference resolution cells. Such a detector is optimal provided that the noise background is homogeneous. In cases where the background homogeneity is violated, the quality of detection deteriorates. There are several known methods for improving the quality of detection (GO-CFAR, SO-CFAR, OS-CFAR, etc.). However, the precise principle of detection by brightness contrast in such CFAR detectors remains unchanged.

Aim

Aim. To synthesize a CFAR detector that uses not only the brightness contrast between the test and reference resolution cells, but also the spectral differences of the signals.

Materials and methods

Materials and methods. The proposed CFAR detector uses estimates of the algebraic moments of the power spectral density of signals in range cells, based on which three decision statistics are calculated containing information about the power, the position of the energy center, and the width of the signal spectrum. The decision about the presence of a target in the test cell is carried out according to the 2/3 rule (2 threshold overshoots out of 3 comparisons).

Results

Results. A comparison of the proposed detector with the SO-CFAR detector, performed by computer simulation, showed that, under a signal-to-clutter ratio of -6 dB and a false alarm probability of 10-4, the detection probability of the proposed detector was 0.933 versus 0.708 for the SO-CFAR detector.

Conclusion

Conclusion. The article proposes a three-parameter CFAR detector for a synthetic aperture radar system, in which the decision on the presence of a target in the test cell is made via estimation of the first three algebraic moments of the signal spectrum. The synthesized detection algorithm can also be used when detecting moving targets in SAR.

CFAR-обнаружительалгебраические моменты спектрарадиолокатор с синтезированной апертуройCFAR detectoralgebraic moments of the signal spectrumsynthetic aperture radarReferencesGandhi P. P., Kassam S. A. Analysis of CFAR processors in non-homogeneous background // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1988. Vol. 24, № 4. P. 427-445. doi: 10.1109/7.7185Gandhi P. P., Kassam S. A. Analysis of CFAR Processors in Non-Homogeneous Background. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1988, vol. 24, no. 4, pp. 427-445. doi: 10.1109/7.7185Finn H. M., Johnson R. S. Adaptive detection mode with threshold control as a function of spatially sampled clutter level estimates // RCA Review. 1968. Vol. 29. P. 414-468.Finn H. M., Johnson R. S. Adaptive Detection Mode with Threshold Control as a Function of Spatially Sampled Clutter Level Estimates. RCA Review. 1968, vol. 29, pp. 414-468.Moore J. D., Lawrence N. B. Comparison of two CFAR methods used with square law detection of Swerling I targets // Proc. of the IEEE Intern. Radar Conf., Arlington, VA, Apr. 1980. P. 403-409.Moore J. D., Lawrence N. B. Comparison of Two CFAR Methods Used with Square Law Detection of Swerling I Targets. Proc. of the IEEE Intern. Radar Conf., Arlington, VA, April 1980, pp. 403-409.Weiss M. Analysis of some modified cell-averaging CFAR processors in multiple-target situations // Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1982. Vol. I8, № 1. P. 102-113. doi: 10.1109/taes.1982.309210Weiss M. Analysis of Some Modified Cell-Averaging CFAR Processors in Multiple-Target Situations. Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1982, vol. 18, no. 1, pp. 102-113. doi: 10.1109/taes.1982.309210Hansen V. G. Constant false alarm rate processing in search radars // Proc. of the IEEE Intern. Radar Conf., London, UK, 1973. P. 325-332.Hansen V. G. Constant False Alarm Rate Processing in Search Radars. Proc. of the IEEE Intern. Radar Conf., London, UK, 1973, pp. 325-332.Trunk G. V. Range resolution of targets using automatic detectors // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1978. Vol. 14, № 5. P. 750¬755. doi: 10.1109/TAES.1978.308625Trunk G. V. Range Resolution of Targets Using Automatic Detectors. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1978, vol. 14, no. 5, pp. 750-755. doi: 10.1109/TAES.1978.308625Rohling H. Radar CFAR thresholding in clutter and multiple target situations // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1983. Vol. 19, № 4. P. 608-621. doi: 10.1109/taes.1983.309350Rohling H. Radar CFAR Thresholding in Clutter and Multiple Target Situations. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1983, vol. 19, no. 4, pp. 608-621. doi: 10.1109/taes.1983.309350Hansen V. G., Sawyers. J. H. Detectability loss due to greatest of selection in a cell-averaging CFAR // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1980. Vol. 16, № 1. P. 115-118. doi: 10.1109/taes.1980.308885Hansen V. G., Sawyers. J. H. Detectability Loss Due to Greatest of Selection in a Cell-Averaging CFAR. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1980, vol. 16, no. 1, pp. 115-118. doi: 10.1109/taes.1980.308885Target detection in synthetic aperture radar imagery: a state-of-the-art survey / K. El-Darymli, P. McGuire, D. Power, C. R. Moloney // J. of Applied Remote Sensing. 2013. Vol. 7. P. 1-35. doi: 10.1117/1.jrs.7.071598El-Darymli K., McGuire P., Power D., Moloney C. R. Target Detection in Synthetic Aperture Radar Imagery: a State-of-the-Art Survey. J. of Applied Remote Sensing. 2013, vol. 7, pp. 1-35. doi: 10.1117/1.jrs.7.071598Automatic Target Recognition in Synthetic Aperture Radar Imagery: A State-of-the-Art Review / K. El-Darymli, P. McGuire, D. Power, C. R. Moloney // IEEE Access. 2016. Vol. 4. P. 6014-6058. doi: 10.1109/ACCESS.2016.2611492El-Darymli K., McGuire P., Power D., Moloney C. R. Automatic Target Recognition in Synthetic Aperture Radar Imagery: A State-of-the-Art Review. IEEE Access. 2016, vol. 4, pp. 6014-6058. doi: 10.1109/ACCESS.2016.2611492A New Two Parameter CFAR Ship Detector in Log-Normal Clutter / J. Ai, X. Yang, Z. Dong, F. Zhou, L. Jia // IEEE Radar Conf. Seattle, WA, USA, 08-12 May 2017. IEEE, 2017. P. 195-199. doi: 10.1109/RADAR.2017.7944196Ai J., Yang X., Dong Z., Zhou F., Jia L. A New Two Parameter CFAR Ship Detector in Log-Normal Clutter. IEEE Radar Conf. Seattle, WA, USA, 08-12 May 2017. IEEE, 2017, pp. 195-199. doi: 10.1109/RADAR.2017.7944196Goldstein G. B. False-Alarm Regulation in Log-Normal and Weibull Clutter // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1973. Vol. AES 9, № 1. P. 84-92. doi: 10.1109/TAES.1973.309705Goldstein G. B. False-Alarm Regulation in Log-Normal and Weibull Clutter. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1973, vol. AES-9, no. 1, pp. 84-92. doi: 10.1109/TAES.1973.309705Kuttikkad S., Chellappa R. Non-Gaussian CFAR Techniques for Target Detection in High Resolution SAR Images // Proc. of the IEEE Intern. Conf. on Image Processing, Austin, Texas, USA, 13-16 Nov. 1994. IEEE, 1994. P. 910-914. doi: 10.1109/icip.1994.413444Kuttikkad S., Chellappa R. Non-Gaussian CFAR Techniques for Target Detection in High Resolution SAR Images. Proc. of the IEEE Intern. Conf. on Image Processing, Austin, Texas, USA, 13-16 Nov. 1994. IEEE, 1994, pp. 910-914. doi: 10.1109/icip.1994.413444Smith M. E., Varshney P. K. Intelligent CFAR processor based on data variability // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2000. Vol. 36, № 3. P. 837-847. doi: 10.1109/7.869503Smith M. E., Varshney P. K. Intelligent CFAR Processor Based on Data Variability. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2000, vol. 36, no. 3, pp. 837-847. doi: 10.1109/7.869503A novel variable index and excision CFAR based ship detection method on SAR imagery / K. Ji, X. Xing, H. Zou, J. Sun // J. of Sensors. 2015. Vol. 2015. Art. ID 437083. doi: 10.1155/2015/437083Ji K., Xing X., Zou H., Sun J. A Novel Variable Index and Excision CFAR Based Ship Detection Method on SAR Imagery. J. of Sensors. 2015, vol. 2015, art. ID 437083. doi: 10.1155/2015/437083Wang L., Wang D., Hao C. Intelligent CFAR Detector Based on Support Vector Machine // IEEE Access. 2017. Vol. 5. P. 26965-26972. doi: 0.1109/ACCESS.2017.2774262Wang L., Wang D., Hao C. Intelligent CFAR Detector Based on Support Vector Machine. IEEE Access. 2017, vol. 5, pp. 26965-26972. doi: 0.1109/ACCESS.2017.2774262Pham Q. H., Brosnan T. M., Smith J. M. Multi¬stage algorithm for detection of targets in SAR image data // Proc. of the SPIE. 1997. Vol. 3070. P. 66-75. doi: 10.1117/12.281583Pham Q. H., Brosnan T. M., Smith J. M. Multistage Algorithm for Detection of Targets in SAR Image Data. Proc. of the SPIE. 1997, vol. 3070, pp. 66-75. doi: 10.1117/12.281583Multiresolution detection of coherent radar targets / N. S. Subotic, B. J. Thelen, J. D. Gorman, M. F. Reiley // IEEE Transactions on Image Processing. 1997. Vol. 6, № 1. P. 21-35. doi: 10.1109/83.552094Subotic N. S., Thelen B. J., Gorman J. D., Reiley M. F. Multiresolution Detection of Coherent Radar Targets. IEEE Transactions on Image Processing. 1997, vol. 6, no. 1, pp. 21-35. doi: 10.1109/83.552094Kaplan L. M., Murenzi R., Namuduri K. R. Extended Fractal Feature for First-Stage SAR Target Detection // Proc. of the SPIE. 1999. Vol. 3721. P. 35-46. doi: 10.1117/12.357684Kaplan L. M., Murenzi R., Namuduri K. R. Extended Fractal Feature for First-Stage SAR Target Detection. Proc. of the SPIE. 1999, vol. 3721, pp. 35-46. doi: 10.1117/12.357684Kaplan L. M. Improved SAR target detection via extended fractal features // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2001. Vol. 37, № 2. P 436-451. doi: 10.1109/7.937460Kaplan L. M. Improved SAR Target Detection via Extended Fractal Features. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2001, vol. 37, no. 2, pp. 436-451. doi: 10.1109/7.937460Hatem G. M., Sadah J. W., Saeed T. R. Com-parative Study of Various CFAR Algorithms for Non-Homogenous Environments // IOP Conf. Ser. Materials Science and Engineering, Kerbala, Iraq, 26-27 March 2018. Vol. 433. Art. num. 012080. doi: 10.1088/1757-899x/433/1/012080Hatem G. M., Sadah J. W., Saeed T. R. Comparative Study of Various CFAR Algorithms for Non-Homogenous Environments. IOP Conf. Ser.: Materials Science and Engineering, Kerbala, Iraq, 26-27 March 2018, vol. 433, art. no. 012080. doi: 10.1088/1757-899x/433/1/012080Novak L. M., Burl M. C., Irving W. W. Optimal Polarimetric Processing for Enhanced Target Detection // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1993. Vol. 29, № 1. P. 234-244. doi: 10.1109/7.249129Novak L. M., Burl M. C., Irving W. W. Optimal Polarimetric Processing for Enhanced Target Detection. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1993, vol. 29, no. 1, pp. 234-244. doi: 10.1109/7.249129Монаков А. А. Наблюдение пространственно-протяженных целей в радиолокационных системах с фазированными антенными решетками // Радиотехника. 1999. Т. 63, № 3. С. 3-9.Monakov A. A. Observation of Extended Targets in Radar Systems with Antenna Arrays. Radioengineering. 1999, vol. 63, no. 3, pp. 3-9. (In Russ.)Monakov A. A. Radar Observation of Extended Targets with Antenna Arrays // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2000. Vol. 36, № 1. P. 297-302. doi: 10.1109/7.826333Monakov A. A. Radar Observation of Extended Targets with Antenna Arrays. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2000, vol. 36, no. 1, pp. 297-302. doi: 10.1109/7.826333Монаков А. А. Оценка алгебраических моментов спектра случайных процессов в задачах радиолокации протяженных целей // Успехи современной радиоэлектроники. 2006. Т. 60, № 10. С. 36-50.Monakov A. A. Estimation of the Algebraic Spectrum Moments of Random Processes in Problems of the Extended Radar Target Theory. J. of Achievements of Modern Radioelectronics. 2006, vol. 60, no. 10, pp. 36-50. (In Russ.)Монаков А. А., Монаков Ю. А. Наблюдение турбулентных атмосферных областей в бортовых метеорологических радиолокаторах: измерение параметров турбулентности // Успехи современной радиоэлектроники. 2012. Т. 66, № 5. С.14-28.Monakov A. A., Monakov Yu. A. Observation of Atmospheric Turbulence in Airborne Weather Radars: Estimation of Turbulence Parameters. J. of Achievements of Modern Radioelectronics. 2012, vol. 66, no. 5, pp.14-28. (In Russ.)Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / пер. с англ. М.: Мир, 1990. 584 с.Marple Jr. S. L. Digital Spectral Analysis with Applications. New Jersey, Prentice-Hall, 1987, 492 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.