相参与非相参积累对目标检测性能分析

 相参处理，又称为相干处理，是指脉冲之间存在确定的相位关系。在信号理论中，相参性描述的是不同信号或信号的不同部分之间在相位上保持一致性或相关性。在雷达信号处理中，维持相参性意味着接收到的信号保持了与发送信号相对相位的关系，有助于保持信号的完整性和目标回波的特征。相参处理的意义在于脉冲积累时提高信噪比，提高多普勒频率的准确度。这种处理方式对目标的分辨性能决定于各发射-接收天线对目标的最大张角，通常优于非相参处理。然而，相参处理模糊函数中存在较高的副瓣，有时可能引起对目标的分辨模糊。

 非相参处理则是指脉冲之间的初始相位都是随机的，彼此不相关。这种处理方式对目标的分辨性能决定于发射信号的带宽。原来的脉冲产生方式由于振荡器通过精度不高的开关，导致微小的时延误差，使得高频信号的初相出现大的差异，因此产生出来的脉冲信号初始相位是随机的。非相参处理可以获得。目标检测的分集增益，有效克服回波闪烁效应，提高对目标的检测性能。

 为对比相参与非相参积累对目标检测性能影响，进行以下试验。试验阵列采用2发4收的阵列，发射阵元间距为接收阵元孔径，接收阵元间距为半波长，如下图：

 系统发射的信号参数如下：

 信号载频为76.35GHz，带宽为220MHz，调频斜率为4.4MHz/us，AD采样率为6.22MHz。

      测试场景如下图所示，采用角反射器作为目标，摆放在雷达的法线方向也即0°方向。

 发射采用一个阵元，分别针对接收通道1和接收通道2：

 接收通道1：目标幅度为59750,统计噪声平均幅度为526.4852，信噪比41.1dB； 

 接收通道2：目标幅度为66709,统计噪声平均幅度为565.2094，信噪比41.4dB。

 对于两个接收阵元的相参处理结果如下：

 目标信号幅度值为126460，噪声为792.5，信噪比计算为44.1dB。

 对于四个接收阵元的相参处理结果如下：

 目标信号幅度值为295100，噪声为1265，信噪比计算为47.4dB。波束合成的接收阵元个数为4个，信噪比理想增加信噪比6dB。

 从单阵元、两阵元和四阵元相参积累的结果对比，可以看出，试验验证信噪比增加约为3/6dB左右，验证了接收阵元相干处理的信噪比改善。

 对于非相参积累：

 目标信号幅度值为295100，噪声为22815，信噪比计算为42.2348dB，所以看出通过接收端的非相干积累并不会改善信噪比。

 那么一个重要问题就是，非相干积累的好处是什么？其实，相干积累是改善信噪比，以此来提升目标检测性能；而非相干积累则是改变输出的概率密度函数，以此来提升检测性能。

 采用噪声输出大量统计的方法，得到类似概率密度函数的统计图形，相参积累处理的输出分布如下图所示。

 非相参积累处理如下：

 原始数据的输出分布：

 由于在实际采集数据进行测试时，不可避免会受到其它目标和回波的干扰。下面仿真理想的高斯白噪声信号，以此来说明趋势的正确性。

 仿真此时设置为10万次，一个为高斯分布的白噪声信号，对比对象为2、4、8、16、32和64个高斯白噪声信号相加的结果，观察其输出分布特性。因为非相干处理时目标信号幅度会成倍增加，进行归一化，使得目标信号幅度基本保持不变，此时观察噪声幅度分布特性。

（a）1个高斯白噪声的幅度分布特性       （b）2个高斯白噪声的幅度分布特性

（c）4个高斯白噪声的幅度分布特性       （d）8个高斯白噪声的幅度分布特性

（e）16个高斯白噪声的幅度分布特性     （f）32个高斯白噪声的幅度分布特性

（g）64个高斯白噪声的幅度分布特性

 可以看出，幅度分布随着求和个数的增多，越来越集中，也就是其概率密度函数的分布特性越来越集中。噪声的平均幅度保持不变，各个序列对应的噪声平均幅度为：0.7976，0.7976，0.7979，0.7978，0.7978，0.7978，0.7978。方差分别为：0.3634，0.1818，0.0910，0.0454，0.0227，0.0114，0.0057基于以上分析，保持信号幅度不变，对比非相参积累检测和单通道的噪声均值和方差。单通道，噪声均值为584.7265，方差为136010；非相参积累后，噪声均值为582.9269，方差为66603。

 由于参与统计的样本个数受限，在检测概率中将虚警概率设置为1e-3，并根据目标信噪比的不同得到对应的检测概率。在噪声序列中共包含数据个数为38656，门限取值为排序后的第39个数；在相参积累检测和非相参积累检测中，数据个数为9714，门限取值为排序后的第10个数；改变输入信噪比，根据实测数据得到的噪声分布统计检测概率。为了对比不同方法性能，此处的输入信噪比定义为:单个发射信号，在接收端阵元中的信号与噪声功率之比。

(a)两个接收阵元                          (b)四个接收阵元  

  相干检测改善2.7dB，理论3dB，非相干检测改善1.3dB，理论值为1.5dB。

综上分析：相参积累可提升回波信号信噪比，非相参积累不会改善回波信号信噪比，但非相参积累噪声概率密度函数分布更集中，可提升目标的检测性能。